LTE-M är en av två 5G LPWAN-standarder (den andra heter NB-IoT). LTE-M möjliggör energieffektiv och kostnadseffektiv IoT-kommunikation över mobilnätet men skiljer sig litet från NB-IoT, kanske framförallt att den är lättare att implementera. Tekniken är anpassad för tillämpningar med medelhög datatrafik, för objekt i rörelse även för talöverföring. Den är kraftfullare än många andra LPWA-tekniker, men bibehåller ändå låg energiförbrukning och god täckning. LTE-M kombinerar mobilitet med stöd för byte av cell i mobilnätet och realtidsfunktioner. LTE-M har tack vare stöd för längre paketlängder och högre hastigheter möjlighet att erbjuda högre säkerhet och kryptering av känslig data. Det är en rad kombinationer som gör LTE-M till ett förstahandsval inom IoT. LTE-M:s konstruktionsmål var dessutom att uppnå en täckningsförbättring jämfört med GSM. Förbättringen skulle vara 20 dB, vilket är betydande. Samtidigt är terminalernas maximala sändningseffekt i upplänken (23 dBm) 10 dBm lägre än GSM-terminalernas, tack vare detta drar den avsevärt mindre ström, men har samtidigt bättre täckning.
Allt du behöver veta om LTE-M
Det här är en tekniskt ganska djuplodande guide, men för att summera de viktigaste fördelarna med LTE-M så är de:
1. Låg energiförbrukning
2. Stöd för mobilitet och röst
3. Högre datahastigheter än andra LPWAN-tekniker
4. Lång räckvidd i licensierade frekvensband
NB-IoT eller LTE-M
NB-IoT (narrowband IoT) och LTE-M drivs aggressivt för att bli den de facto standard som används för IoT-produkter. Bägge dessa är 3GPP-standardiserade teknologier (båda standarderna inkluderades i Release 13) och alltså en del av många mobiloperatörers portföljer. Men även om de har samma gemensamma plattform är de komplementära till varandra de är avsedda för vitt skilda användningsområden och har egna styrkor och begränsningar.
NB-IoT och LTE-M är optimerade för att sända med låg effekt, de är baserade på smalbandsteknik som kan hantera små mängder data och överföra dem dubbelriktat på ett effektivt, säkert och pålitligt sätt vilket ger både en acceptabel säkerhet och god batterilivslängd. Bägge dessa tekniker ansluter via befintliga 4G-nät och många operatörer har stöd för det i mindre eller större omfattning.
| LTE-M1 | LTE-M2 | NB-IoT1 | NB-IoT2 | |
| 3GPP release | Release 13 | Release 14 | Release 13 | Release 14 |
| Frekvensband | LTE-banden | LTE-banden | LTE-banden, LTE-Guard banden, fristående | LTE-banden, LTE-Guard banden, fristående |
| Nedlänk modulation | OFDMA, 16 QAM | OFDMA, 16 QAM | OFDMA | OFDMA |
| Nedlänk datahastighet | Upp till 1 Mbit/s | Upp till 4 Mbit/s | 26 kbit/s | 127 kbit/s |
| Upplänk datahastighet | Upp till 1 Mbit/s | Upp till 4 Mbit/s | 66 kbit/s | 159 kbit/s |
| Upplänk modulation | SC-FDMA, 16 QAM | SC-FDMA, 16 QAM | SC-FDMA | SC-FDMA |
| Bandbredd | 1,08 MHz | 1,08 MHz | 180 kHz | 180 kHz |
| Duplexteknik | Full duplex, halv duplex, FDD & TDD | Full duplex, halv duplex, FDD & TDD | halv duplex och FDD | halv duplex och FDD |
| Latens | 10-15 millisekunder | 10-15 millisekunder | 1,6 till 10 sekunder | 1,6 till 10 sekunder |
| Länkbudget | 160 dB | 164 dB | 164 dB | 164 dB |
| Sändningseffekt | 23 dBm, 20 dBm | 23 dBm, 20 dBm | 23 dBm | 23 dBm, 20 dBm |
Begränsningar med LTE-M
LTE-M är en mycket kapabel teknik, men det finns vissa gränser att känna till. Jämfört med NB-IoT är LTE-M inte riktigt lika optimerad för de allra mest strömsnåla tillämpningarna med extremt låg datavolym och mycket gles kommunikation. LTE-M har högre bandbredd och stöd för mobilitet – vilket i vissa scenarier innebär en något högre basförbrukning. I praktiken betyder det att om du har en stationär sensor som skickar ett värde var tredje månad, är NB-IoT sannolikt mer energieffektivt. Men använder du LTE-M så kan du komma runt detta och istället för att skicka ett mätvärde per timme, så skickar du en batch var 12:e timme med 12 mätvärden. LTE-M stöds av fler operatörer så du kan också ha SIM-kort som växlar mellan alla svenska operatörer. LTE-M är ofta ett mer balanserat alternativ. Det handlar om rätt teknik på rätt plats.
Olika versioner av LTE-M
Varje ny version av 3GPP-standarderna kallas för releaser. LTE-M introducerades i release 13 som en del av LTE-standarden, där det formellt kallades LTE Cat-M1. Det är också denna version de flesta enheter stöder i dag. Release 13 introducerade grunderna för LTE-M: en bandbredd på 1,4 MHz, energisparfunktioner som PSM och eDRX, samt stöd för låg latens och mobilitet.
I release 14 vidareutvecklades LTE-M, med stöd för VoLTE (Voice over LTE), multicast-funktionalitet (eMBMS), högre uteffekt i vissa scenarier samt förbättrad cell-handover. Detta gjorde tekniken mer lämplig för röst- och rörelsebaserade tillämpningar som spårning och personburna enheter.
Release 15 förde med sig stöd för Wake-Up Signals (WUS), en funktion för att minska energiförbrukning ytterligare genom att väcka enheter först vid behov. Även säkerhetsförbättringar i kontrollplanet, liknande BEST för NB-IoT, specificerades här – men är fortfarande mindre utbredda i praktisk användning.
Release 16 och 17 innehåller främst förbättringar i nätets övergripande hantering, till exempel bättre möjligheter till aggregering mellan nätverksteknologier och fortsatt fokus på låg energiförbrukning i massiva IoT-scenarier. LTE-M är också en av teknikerna som inkluderas i IMT-2020-kraven för 5G – särskilt inom kategorin Massive IoT (mMTC).
LTE-M-enheter kan sova under längre tidsperioder, de har stöd både för utökad diskontinuerlig mottagning (eDRX) och ett strömsparläge (PSM). Dessa två faktorer minskar enhetens strömförbrukning och ger dessutom bättre räckvidd vilket ytterligare sparar ström. Låt oss nu ta upp de olika tekniska aspekterna av LTE-M, men innan vi gör det kan det vara bra att känna till termerna dB samt länkbudget eller MCL, som är nyckelbegrepp när man pratar om täckning och räckvidd. Vi kommer inte att fördjupa oss i dessa här, men de återkommer i senare stycken.
Olika nivåer på uteffekt
LTE-M har, till skillnad från NB-IoT, en fast uteffekt på 20 dBm eller 23 dBm, beroende på vilken specifikation som implementeras och hur nära basstationen enheten befinner sig. 3GPP-standarden tillåter en sänkning av sändningseffekten i vissa scenarier för att minska strömförbrukningen, men till skillnad från NB-IoT är inte flera definierade effektlägen en central del av specifikationen.
Det som är viktigt att notera är att LTE-M:s bredare bandbredd (1,4 MHz) jämfört med NB-IoT:s smalband (180 kHz) gör att tekniken behöver mer energi per överförd bit – men den kompenserar detta genom snabbare överföring och mer effektiv överföringshantering. Därmed kan den ändå vara energisnål i applikationer som kräver måttlig mängd data under kort tid.
Batterilivslängd inte så lätt som det verkar
För LTE-M är det generella målet från 3GPP att enheten ska kunna klara sig på batteri i minst 10 år vid typiska IoT-applikationer – men det är, precis som med andra LPWAN-tekniker, starkt beroende av användningsmönster och radiomiljö.
LTE-M använder precis som NB-IoT två centrala energisparfunktioner: PSM (Power Saving Mode) och eDRX (Extended Discontinuous Reception). Dessa gör det möjligt för enheten att gå in i djupa vilolägen där strömförbrukningen är minimal, och samtidigt hålla sig registrerad i nätverket utan att behöva göra om hela anslutningsproceduren varje gång. Skillnaden mot NB-IoT är att LTE-M har snabbare uppkopplingstider och stöd för mobilitet – vilket innebär att energiförbrukningen kan optimeras även vid frekventa cellbyten eller kortare viloperioder. I realiteten innebär det att LTE-M ofta klarar kortare svarstider samtidigt som energiförbrukningen hålls låg, förutsatt att man fintrimmat inställningarna.
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 anges batteritiden för LTE-M med 144 dB MCL omkring 13 år vid en sändning per dygn av 84 byte. Vid 154 dB kopplingsförlust sjunker den till ca 9 år, och vid 164 dB är den nere på 2–3 år. Det visar tydligt att täckning påverkar energiförbrukningen kraftigt – även om LTE-M inte använder lika många repetitioner som NB-IoT.
I praktiken varierar batteritiden alltså kraftigt beroende på faktorer som signalstyrka, meddelandefrekvens, datamängd och hur djupt viloläge enheten tillåts gå in i. 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 LTE-M. Liknande funktioner förekommer även i andra sammanhang, exempelvis så är DRX en funktion som används för att minska strömförbrukningen i smartphones.
eDRX -extended discontinuous reception
DRX-funktionen i LTE-M 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 43 minuter för LTE-M, 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
LTE-M är utvecklad för att kombinera låg energiförbrukning med förbättrad täckning, men utan att kompromissa alltför mycket med prestanda. Tekniken är därför också utrustad med stöd för meddelanderepetition – en funktion som används för att öka tillförlitligheten vid svag signalstyrka.
Till skillnad från NB-IoT har LTE-M ett något bredare frekvensspektrum och högre överföringshastighet, vilket i sig ger kortare latenstider. Men även i LTE-M kan terminaler som befinner sig längst ut i nätet eller i skärmad miljö behöva skicka data flera gånger för att säkerställa att informationen når fram.
Repetitioner används alltså som en mekanism för att öka mottagningssäkerheten vid dåliga radiolänkar. Enheten skickar då samma datapaket fler gånger tills basstationen bekräftar korrekt mottagning. Det förbättrar mottagningskvaliteten, särskilt vid hög kopplingsförlust (länkbudget/MCL), men fördröjningen i överföringen ökar samtidigt.
Till skillnad från NB-IoT är antalet repetitioner i LTE-M generellt lägre. LTE-M är mer optimerat för mobilitet och realtidsapplikationer, vilket gör att tekniken i praktiken balanserar repetition mot prestanda. Trots detta kan upp till 32 repetitioner förekomma, vilket ändå kan ha en märkbar påverkan på batteritid om signalmiljön är dålig.
Operatörer har möjlighet att konfigurera antalet tillåtna repetitioner beroende på täckningsförhållanden. En hög repetitionsnivå gör att anslutningen blir mer robust, men det sker på bekostnad av batteriförbrukning och ökad fördröjning. Det är därför viktigt att planera en LTE-M-installation med både signalmiljö och batterikrav i åtanke, samtidigt som LTE-M kommer att fungera utan att du ändrar några av dessa parametrar, det är litet av styrkan med LTE-M.
Förbättrad täckning, Coverage Enhancement
Coverage Enhancement (CE) i LTE-M är en teknik för att öka tillgängligheten i utmanande radiomiljöer, genom att anpassa överföringsparametrar baserat på signalförhållanden. Precis som i NB-IoT delas LTE-M:s täckning in i tre klasser – CE-nivå 0 till CE-nivå 2 – vilket motsvarar normal, robust och extrem täckning. Dessa nivåer styrs av modulation, kodningsschema och antal repetitioner som krävs för att överföra data med hög tillförlitlighet. För LTE-M är länkbudgetarna något lägre än i NB-IoT, men fortfarande avsevärda: upp till cirka 156 dB. Tekniken använder sig av dynamisk anpassning, där enheten eller modulen utvärderar signalförhållandena och justerar inställningarna därefter.
LTE-M lämpar sig därför bra i exempelvis källare, hisschakt, parkeringshus och andra svåråtkomliga miljöer, samtidigt som prestandan förblir tillräcklig för applikationer med lite högre krav på svarstider. Har du tillgång till enhetens signaldiagnostik kan du se vilken CE-nivå som används i realtid och ta hänsyn till det vid beräkningar av batteritid eller överföringsfrekvens.
Handover/roaming mellan basstationer
En av de stora fördelarna med LTE-M är fullt stöd för handover – alltså att enheten kan byta basstation sömlöst under aktiv dataöverföring. Detta gör LTE-M till ett mycket bättre alternativ för mobila applikationer än till exempel NB-IoT, där handover endast infördes i senare standarder. LTE-M är från grunden utvecklat för att stödja rörelse och mobilitet, och tekniken hanterar handover med mycket liten påverkan på batteriförbrukningen. Det betyder att en sensor i rörelse, exempelvis i ett fordon, kan behålla sin uppkoppling även vid cellbyte utan att behöva logga ut och in igen i nätverket.
Dessutom har LTE-M inbyggt stöd för roaming mellan nätverk, vilket gör det enklare att bygga lösningar som fungerar över landsgränser eller i flera mobilnät. Moderna LTE-M-enheter kan lagra flera operatörsprofiler, vilket ger extra flexibilitet för till exempel globala installationer eller utrullningar i olika nätmiljöer.
Implementering av LTE-M i mobilnäten
LTE-M använder sig uteslutande av in-band-implementering i operatörsägda LTE-nät. Det innebär att tekniken fungerar inom det befintliga, licensierade LTE-spektrumet – vilket ger tillgång till beprövad infrastruktur med hög tillgänglighet och pålitlig kvalitet.
Till skillnad från vissa andra LPWAN-tekniker behöver LTE-M inte särskilt reserverade frekvenser eller alternativa spektrumband. Det är en fördel både för operatörerna och för dig som användare – tekniken fungerar med vanliga LTE-basstationer, vilket gör den enkel att införa i stora nät.
Eftersom LTE-M drivs i licensierade nät, är både säkerhet och kapacitet bättre kontrollerade än i olicensierade alternativ. Det gör tekniken extra intressant i applikationer där uppkopplingen måste vara tillförlitlig även under hård belastning – till exempel vid larm, spårning eller styrning.
Privata nät och LTE-M
Med den ökade efterfrågan på privata mobilnät, särskilt över det licensierade frekvensbandet n78 (3,7 GHz), uppstår ofta frågan om LTE-M kan användas i dessa nät. I dagsläget är LTE-M främst specificerat för användning i traditionella LTE-band, vanligtvis under 1 GHz-bandet där dess goda täckningsegenskaper kommer till sin rätt. Band n78 är däremot främst anpassat för 5G NR och saknar officiellt stöd för LTE-M i 3GPP-specifikationerna. Det innebär att LTE-M i praktiken inte lämpar sig för privata nät i detta band – men i lägre frekvensband (t.ex. band 8, 20 eller 28) finns i teorin möjlighet till LTE-M i privata miljöer, beroende på lokal spektrumtillgång och radioplanering.
LTE-M och framtiden – hur står sig tekniken mot RedCap?
Med lanseringen av RedCap (Reduced Capability 5G) uppstår frågan om LTE-M kommer att ersättas. Svaret är: inte på länge. RedCap riktar sig mot IoT-applikationer med något högre prestandakrav – men också med högre kostnader, komplexitet och energiförbrukning. LTE-M är i detta sammanhang ett mer resurssnålt alternativ med bred ekosystemstöd, beprövad teknik och betydligt lägre totalkostnad per enhet. I många IoT-projekt där krav på latens, bandbredd och mobilitet är måttliga, kommer LTE-M fortsatt vara ett kostnadseffektivt val långt in i framtiden. Snarare än att konkurrera direkt, kompletterar RedCap och LTE-M varandra – med varsin tydlig plats i det växande 5G-IoT-landskapet.
Stark cybersäkerhet redan från grunden
I takt med att krav på datasäkerhet skärps – både genom lagstiftning och ökade förväntningar från marknaden – blir det allt viktigare att välja en kommunikationsteknik med säkerhet inbyggd från början. LTE-M är utvecklad för att verka i operatörernas licensierade nät, vilket ger bättre skydd mot störningar och obehörig åtkomst än många andra LPWAN-alternativ. Med stöd för SIM-baserad autentisering och krypterade protokoll som TLS och DTLS är LTE-M rustad för tillämpningar där dataintegritet och förtroende är avgörande. Tekniken erbjuder därmed en stabil grund för säker kommunikation i IoT-lösningar – både i dag och i framtiden.
Användning av rätt protokoll
LTE-M är från början utformad för att hantera både TCP och UDP, vilket gör den flexibel för många IoT-tillämpningar. Det innebär att du enkelt kan använda etablerade IoT-protokoll som MQTT, HTTPS, eller mer energieffektiva alternativ som CoAP över UDP. Det gör LTE-M särskilt lämpad för IoT-lösningar som kräver krypterad kommunikation, till exempel via TLS eller DTLS. För säkerhetskritiska lösningar är möjligheten till end-to-end-kryptering en viktig fördel. LTE-M klarar detta utan att förbruka onödigt mycket energi, särskilt när man kombinerar rätt protokoll med strömsparfunktioner som PSM och eDRX.
Med inbyggt stöd för TCP lämpar sig LTE-M också för applikationer där tillförlitlig leverans av data är avgörande – något som gör tekniken idealisk för realtidsövervakning, uppdateringar av firmware eller styrning av system där varje datapaket räknas.
Framtiden för LTE-M
LTE-M har fått stort genomslag i Europa och Nordamerika, där tekniken idag är en etablerad del av många operatörers nätstrategier för massiv IoT. Med stöd från både globala standardiseringsorgan och en växande mängd enhetstillverkare fortsätter LTE-M att utvecklas som en av de mest framtidssäkra alternativen för mobil IoT-kommunikation.
Tack vare dess flexibilitet – i allt från mobilitet och röststöd till lång batterilivslängd och god täckning – är LTE-M ett naturligt val för framtidens IoT-projekt. I takt med att fler enheter uppgraderas för 5G-kompatibilitet kommer LTE-M spela en nyckelroll som bro mellan 4G och 5G i många industriella tillämpningar.
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.