NB-IoT är en av två 5G LPWAN-standarder (den andra heter LTE-M). NB-IoT är inte en 5G-standard avsedd att erbjuda millisekundslatens, den finns till för att kunna möta ett behov av konstruktioner som är billiga och strömsnåla snarare än tidskritiska. NB-IoT lösningar bygger på enkla chipset, som skall ha en låg kostnad samtidigt som de skall erbjuda hög batterilivslängd. NB-IoT:s konstruktionsmål var dessutom att uppnå en täckningsförbättring jämfört med GSM. Förbättringen skulle vara 20 dB, vilket är betydande. Samtidigt är NB-IoT-terminalernas maximala sändningseffekt i upplänken (23 dBm) 10 dBm lägre än GSM-terminalernas, tack vare detta drar den avsevärt mindre ström, men har därtill bättre täckning.
Allt du behöver veta om NB-IoT
Det här är en tekniskt ganska djuplodande guide, men för att summera de viktigaste fördelarna med NB-IoT så är de:
1. Låg energiförbrukning
2. Förbättrad täckning
3. Massiva anslutningar
4. Låg kostnad
Olika versioner av NB-IoT
Varje ny version av 5G-standarderna från 3GPP kallas för releaser. Den första utgåvan som har någon form av inverkan på NB-IoT var release 13, under 4G-standarden, och den utgåvan är en version som många enheter är standardiserade mot. Denna version kallas även NB1. I release 13 var de två viktigaste funktionerna som infördes ett energisparläge (PSM) och utökad diskontinuerlig mottagning (eDRX), mer om dessa nedan. NB2, eller release 14, innehöll flera förbättringar jämfört med release 13, till exempel ökade möjligheter till roaming/handover, flera uteffektsnivåer för att spara energi och ökade möjligheter till positionering.
I release 15 var de viktigaste förbättringarna Wake-up-signaler (WUS) och BEST (Battery Efficiency Security for low Throughput). Nu har vi alltså kryddat med ändå fler förkortningar, men det är därför vi sammanställde det här blogginlägget, så mer information om vad det betyder följer också nedan.
Release 16 hade inget med NB-IoT att göra. Den senaste versionen av NB-IoT när detta publiceras är release 17 och den versionen har endast en förbättring för NB-IoT, non-terrestrial networks. Det handlar inte om ET som ringer hem, utan snarare om att ge 5G-täckning på haven och avlägsna områden som för närvarande inte täcks av markbundna basstationer genom att inför stöd för 5G från satelliter.
Låt oss nu ta upp de olika tekniska aspekterna av NB-IoT men innan vi börjar så är det bra om du är bekant med termerna dB samt MCL, kopplingsförlust eller länkbudget (tre svåra ord som betyder ungefär samma sak) dessa förkortningar fördjupar vi oss inte i här.
Olika nivåer på uteffekt
NB-IoT har tre uteffektnivåer, 14 dBm, 20 dBm och 23 dBm. Dessa nivåer fastställs av basstationen och gäller endast för enheter som uppfyller Release 14-specifikationen eller senare. Enheter i version 13 kan endast använda 20 och 23 dBm. NB2 har alltså ett läge där den kan gå ned i ett mer strömsnålt läge än NB1, detta gäller dock endast när avståndet till basstationen är kort.
Batterilivslängd inte så lätt som det verkar
För NB-IoT är det allmänna konstruktionsmålet i 3GPP-standarden att batteriet skall räcka i minst 10 år. NB-IoT minskar strömförbrukningen med hjälp av mekanismer som kallas eDRX och PSM. Parametrarna eDRX (extended Discontinuous Reception) och PSM (Power Saving Mode) gör det möjligt för enheten att gå i ett djupt viloläge i perioder från några sekunder upp till flera dagar. Enheten är inte längre nåbar för nätverket i viloläge, vilket innebär att man måste göra en avvägning mellan energiförbrukning och hur ofta enheten skall nås.
Batteritiden för NB-IoT, liksom för alla LPWAN-standarder, beroende på många saker. Men om man bara tittar på radiogränssnittet kan man göra vissa beräkningar och antaganden. Det finns många rapporter om batteritid i verkligheten. En som heter ”Power Consumption Analysis of NB-IoT and eMTC in Challenging Smart City Environments” av Pascal Jörke, Robert Falkenberg och Christian Wietfeld är en bra start om du vill studera fakta.
I rapporten är den beräknade batteritiden, med en kopplingsförlust på 144 dB, 25 år med en nyttolast på 84 byte som skickas en gång om dagen. Med 154 dB kopplingsförlust är vi nära 18 år, med 164 dB kopplingsförlust är batteritiden fyra år. Kopplingsförlust är alltså hur mycket förlust av signal som sker mellan sändare och mottagare (kopplingsförlust, MCL eller länkbudget är samma sak). Att man valde att studera just dessa nivåer, det kan du förstå djupare om du läser mer nedan. Man kan alltså säga att batterilivslängden varierar kraftigt. Dra öronen åt dig om någon säger att deras enhet klarar 10 år, eller 15 år utan att ange ett spann eller förklara att det kan skilja beroende på förhållanden.
Vad drar din device?
Utöver radiogränssnittet beror verklig batteritid också på vilken enhet du använder. Hur mycket ström förbrukar komponenterna på kretskortet i viloläge? Hur effektiv är din programvara på att spara ström? Kan enheten exempelvis filtrera bort data innan data skickas så att data som enheten skickar bara är den viktigaste informationen? Det finns också strömsparfunktioner i NB-IoT som är mycket viktiga för batterilivslängden, som vi nämnde tidigare, det skall vi avhandla härnäst.
Strömbesparing är en del av standarden
Med hjälp av power save mode (PSM) och extended discontinous reception (eDRX) kan längre standby-tid realiseras i NB-IoT. Liknande funktioner förekommer även i andra sammanhang, exempelvis så är DRX en funktion som används för att minska strömförbrukningen i smartphones.
eDRX -extended discontinuos reception
DRX-funktionen i NB-IoT kallas eDRX och är en funktion som förlänger enhetens vilocykel och minskar onödig start av mottagaren. Framförallt främjar eDRX tillgängligheten i nedlänken avsevärt. Med eDRX kan man själv ställa in hur länge en enhet stannar i energisnålt viloläge innan den vaknar upp för att lyssna på nätverksindikationer om det finns väntande data. Med eDRX kan enheten lyssna efter väntande data utan att behöva upprätta en fullständig nätverksanslutning. Genom att bara lyssna på en indikation om väntande data använder eDRX mindre ström än om den upprättar en fullständig nätverksanslutning.
För många IoT-enheter är det acceptabelt att vara otillgänglig i flera sekunder eller längre. Strömförbrukningen minskar, men enheten är fortfarande nåbar. eDRX kan konfigureras med timers, så kallad Paging Cycle Length (PCL) och Page Time Window (PTW). Den maximala vilotiden för eDRX-enheter är upp till tre timmar för enheter som använder NB-IoT, den minimala vilotiden kan vara så kort som 10,24 sekunder.
PSM -Power Save Mode
Med PSM är terminalen fortfarande registrerad online men kan inte nås genom signalering. I PSM är terminalen i djup vila under en lång tid för att spara energi.
PSM gör det möjligt för terminalen att ställa in vilo- och aktivitetstider som vidarebefordras till nätverket. Om nätverket accepterar detta kommer nätverket att hålla enheten registrerad i systemet under den inställda tiden och om enheten vaknar under denna tid behövs ingen återanslutningsprocess, eftersom denna process kan vara mycket energikrävande. I viloläge är enheten inte nåbar, men nätverket vet, tack vare timers, när enheten ska vakna nästa gång och hur länge den kommer att vara aktiv för att ta emot så kallade paging meddelanden. Det är möjligt att ställa in en enhet i ett djupt viloläge i upp till 14 dagar.
PSM:s vilotid är mycket längre än eDRX. Dessa längre vilotider gör det möjligt för enheten att gå in i ett djupare viloläge med lägre effekt än eDRX. Det tar dock mycket längre tid för PSM-enheten att vakna upp ur viloläget och den är aktiv under mycket längre tid, eftersom den måste ansluta till nätverket innan den kan ta emot data. För eDRX måste enheten vakna upp och lyssna i 1 ms medan PSM-enheten behöver längre tid, upp till 100 gånger längre!
Wake Up Signals (WUS)
När en användarutrustning befinner sig i DRX eller eDRX måste den regelbundet kontrollera om ett paging meddelande kommer från nätet. Vid de flesta tillfällen kommer inget meddelande till användaren. Genom att minska denna funktion kunde man ha sparat den ström som utrustningen förbrukade.
WUS gör det möjligt att sända en ”väckningssignal” (WUS) för att instruera enheten att den måste övervaka trafiken för inkommande meddelanden. Detta gör det möjligt för utrustningen att potentiellt hålla delar av sin maskinvara avstängd under längre perioder och spara den energi som krävs för att avkoda dessa meddelanden.
En mottagare som är avsedd för WUS-detektering kommer att göra det möjligt för en stor del av enhetens konventionella hårdvara att förbli i ett mycket energisnålt tillstånd.
BEST (Battery Efficiency Security for low Throughput)
BEST är en nätverksbaserad säkerhetslösning för kryptering av datapaket, eller payloads, med mycket låg overhead, vilket är ett viktigt krav för batteridrivna enheter. Denna lösning kan användas på kontrollplanet och använder symmetrisk kryptografi baserad på 3GPP AKA run. Lösningen måste implementeras i operatörens nät och på enhetssidan (chipset/modul) vilket gör att den kräver implementering på många plan och inte är så användbar. Men på ett teoretiskt plan ser den användbar ut för att kunna spara ström.
Meddelanderepetition
NB-IoT är designad att uppnå en täckningsförbättring på 20 dB jämfört med GSMs MCL eller länkbudget. Den maximala kopplingsförlusten, MCL, är för GSM 144 dB. Den maximala kopplingsförlusten för NB-IoT är alltså 164 dB. Förbättringen av nedlänken beror därför främst på att den maximala återutsändningstiden för varje kanal ökas. Även om NB-IoT-terminalernas sändningseffekt i upplänk (23 dBm) är 10 dBm lägre än GSM-terminalernas (33 dBm), gör den smalare sändningsbandbredden och ökningen av de maximala återutsändningstiderna det möjligt för upplänk att fungera med den maximala kopplingsförlusten på 164 dB. När man har en enhet längst ut i nätverket, men en kopplingsförlust nära 164 dB, och om en tillförlitlig dataöverföring tillhandahålls, ökar fördröjningen på grund av repetitioner.
NB-IoT använder sig av en mekanism för repetition eller återsändning av data för att kunna leverera datapaket som är felfria till den enheter har en dålig mottagning. Repetionerna förbättrar demoduleringsprestanda och täckningsprestanda och ger bättre täckning och djuppenetrationsegenskaper. Detta innebär att enheten kan sända samma meddelande fler gånger om den har dålig kontakt, något som stöds av alla kanaler NB-IoT har stöd för.
Repetitioner gör att latensen i NB-IoT kan vara upp till 10 sekunder. Det är alltså inte så att enheterna har en inbyggd fördröjning som bidrar till att det tar 10 sekunder att överföra data, utan fördröjningen beror på dessa repetitioner. Olika tester visar att latenstiden för scenariot med repetitioner och olika kopplingsförluster ger en hög leveranssäkerhet. Men det man skall vara medveten om är att det också avspeglar sig på batteritiden som förkortas.
Operatörerna kan konfigurera olika antal repetitioner beroende på länkbudget eller MCL. NB-IoT många repetitioner (upp till 2048 i nedlänk och upp till 128 i upplänk). Det man måste förstå är att detta kommer att förbruka mer batteri. Så om den skickar samma meddelande upprepade gånger kommer den också att använda radion och förbruka mycket batteri.
Förbättrad täckning, Coverage Enhancement
Kärnan i coverage enhancement (CE) är en specifik teknik för länkanpassning, devicerna/terminalerna fastställer täckningsklassen baserat på hur täckningsprestanda ser ut och anpassar sedan inställningarna för täckningsförbättring. Det finns tre nivåer av täckningsförbättring (CE), CE-nivå 0 till CE-nivå 2. Dessa tre täckningsklasser omfattar normal täckning, robust täckning och extrem täckning, vilket motsvarar länkbudget eller MCL på 144 dB, 158 dB respektive 164 dB. Modulation, kodningssätt och repetitionerna för dataöverföring väljs i enlighet med dessa klasser. NB-IoT-basstationen konfigurerar en lista som innehåller två tröskelvärden för att skilja mellan olika täckningsnivåer. Har du en smart device så kan du alltså ta reda på vilken klass din enhet är i när den används, och använda det för att beräkna batterilivslängd.
Handover/roaming mellan basstationer
Med Release 14, NB2, stöder NB-IoT handover vilket var ett problem med Release 13. NB2 stöder återanslutning i anslutet läge, till skillnad från tidigare då enheten bara kunde återansluta när den var i nedkopplat läge, detta ger alltså potentiellt lägre batteriförbrukning, och dessutom är stödet för mobila applikationer bättre. NB2 stöder också flera operatörer med möjlighet att lagra upp till 15 stycken samtidiga operatörer i enhetens lista över tillgängliga nätverk.
NB-IoT kan implementeras på olika sätt
NB-IoT kan användas på tre olika sätt, dessa kallas standalone, guard band- och in-band.
Standalone: NB-IoT kanal som används utanför 4G/5G-spektrum, till exempel det spektrum som används för GSM- eller satellitkommunikation.
Guardband: NB-IoT kanal som används i guardband, kanalen mellan två LTE operatörer.
Inband: NB-IoT kanal som används i ett resursblock av en LTE-operatör.
Standalone NB-IoT
Standalone drift är när NB-IoT används uteslutande inom ett spektrum, oavsett om det är i ett privat eller offentligt nät. Denna modell ger den bästa prestandan.
NB-IoT Guard band
De flesta NB-IoT-nät som har installerats av en operatör använder LTE-guard band, som är utformat som en buffert mellan spektrumremsor med för operatörerna.
NB-IoT in-band
Den tredje implementeringsmöjligheten, in-band, utnyttjar resursblock (frekvenser) inom en operatörs spektrum som annars används för mobilt bredband. Denna metod påverkar både NB-IoTs och 4G/5Gs prestanda, och är inte den mest optimala ur prestandaperspektiv.
NB-IoT och privata nät
I Sverige byggs fler och fler privata 5G-nät på band n78. I dagsläget är dock inte NB-IoT specificerad över 2600 MHz, varför den inte alltså är specificerad för dessa nät. Det förekommer dock ändå rykten att det skulle fungera, även om det inte är standardiserat så idag.
Användning av rätt protokoll
NB-IoT utformades inte för TCP-trafik men använder det i många tillämpningar. Men NB-IoT erbjuder inte bara TCP, utan har även stöd för UDP. Detta gör det möjligt att med CoAP/DTLS 1.2 Connection ID bygga system med ganska hög effektivitet och (D)TLS end-to-end-kryptering. Det innebär att autentiseringsnycklarna finns på enheten och i mottagande system vilket erbjuder en säker end-to-end lösning. Samtidigt använder du energieffektiva dataprotokoll. Kompletterar man med PSM eller andra energisparmekanismer så kan batteritiden utökas ytterligare. Dock, värt att nämna, MQTT, som är ett TCP-protokoll har haft avsevärt större genomslagskraft globalt och är en standard som stöds av större antal devices och plattformar.
Framtiden för NB-IoT
I Asien är NB-IoT mycket populärt, i Europa har det varit begränsat, där har en annan LPWAN-standard, nämligen LTE CAT-M1 fått större genomslagskraft. Men vi tror att vi under 2023 kommer att se en bredare anpassning av NB-IoT i Sverige och på andra håll. NB-IoT är en viktig standard för massive IoT, massive IoT är en viktig del av 5G så utvecklingen har bara börjat.
Lär dig mer om IoT
För oss är IoT ett brett begrepp. Vi definierar IoT som en samling disruptiva tekniker som möjliggör digitalisering. Genom IoT kan företag få datadrivna insikter som kan hjälpa dem fatta bättre beslut. Med IoT kan vi snabbare nå klimat och jämställdhetsmål. För att snabbare lyckas med en IoT-satsning så är det viktigt med kunskap. Vi har därför satt ihop en 100-sidors publikation om IoT. Du kan ladda ned den genom att ange mailadress och namn nedan, du får därefter ut ett mail med information om hur du laddar ned guiden.