Jörg Köpp is hoofd van het marktsegment draadloos bij Rohde & Schwarz.

9 September 2016

Via het iot zullen in de nabije toekomst enkele miljarden apparaten aan het internet komen te hangen. Een belangrijke rol is hierbij weggelegd voor nieuwe draadloze technologieën als LTE-M en NB-IOT, betoogt Jörg Köpp van Rohde & Schwarz.

De meeste toepassingen die draadloos zijn verbonden met het internet maken daarvoor gebruik van lokale netwerktechnologieën die werken in licentievrije frequentiebanden. Applicaties die mobiele of wereldwijde toegankelijkheid vereisen, kiezen doorgaans voor satelliet- en mobiele radiotechnologieën. Dit zijn voor het grootste deel toepassingen die weinig dataverkeer genereren en slechts behoefte hebben aan een sms-service voor de overdracht. Ongeveer zestig procent van de hedendaagse mobiele iot-apparaten gebruikt tweede generatie mobiele communicatietechnologie zoals GPRS. De overgang naar de derde generatie voltrekt zich de komende paar jaar, met name gedreven door de toenemende behoefte aan hogere datasnelheden en netwerkbeschikbaarheid op lange termijn.

De vierde generatie speelt tot op heden een ondergeschikte rol. Een belangrijke reden hiervoor is dat een technologie als LTE vooral geoptimaliseerd is voor de mobiele breedbandmarkt. Bovendien zijn de kosten voor een LTE-modem nog steeds relatief hoog vergeleken met een GSM-modem.

De aantrekkingskracht van LTE neemt wel langzaam toe, onder meer door de wereldwijde beschikbaarheid. Volgens brancheorganisatie GSMA boden in september 2015 422 operators in 146 landen commerciële LTE-diensten aan. De langetermijnbeschikbaarheid van LTE is een ander belangrijk punt. Steeds meer mobiele operators kondigen aan tweede generatie mobiele netwerken niet langer te ondersteunen. Daardoor wordt het noodzakelijk om over te stappen naar de nieuwste technologie. De eerste LTE-chipsets die qua kosten en energieverbruik zijn geoptimaliseerd voor de m2m-markt zijn al beschikbaar. LTE biedt bovendien technologische voordelen op het gebied van spectrale efficiëntie, vertraging en datasnelheden.

LTE

De voor de LTE-standaardisatie verantwoordelijke 3GPP-commissie heeft de behoefte aan geoptimaliseerde iot-oplossingen vroegtijdig ingezien en specifieke verbeteringen meegenomen voor communicatie tussen machines. Zo heeft zij in release 10/11 voorzieningen gedefinieerd die zijn bedoeld om het mobiele netwerk te beschermen tegen overbelasting wanneer enkele duizenden apparaten tegelijk met het netwerk willen verbinden. Dit kan zich bijvoorbeeld voordoen na een stroomuitval. De commissie heeft onder meer opties geïntroduceerd om het signaleringsverkeer te verminderen.

Veel iot-toepassingen, zoals sensornetwerken, verzenden slechts zelden data en hoeven niet tot op de seconde exact te functioneren. De aangesloten apparaten kunnen het netwerk melden dat ze bereid zijn een langere wachttijd te accepteren tijdens het opzetten van de verbinding (delay tolerant access). Release 10 bevat een proces dat het netwerk toestaat hun verbindingsaanvragen in eerste instantie te weigeren en uit te stellen. In release 11 is toegang tot het mobiele netwerk te regelen door middel van toegangsklassen: een apparaat krijgt een klasse toegewezen en mag alleen een verbinding tot stand brengen wanneer het netwerk die klasse toestaat. Deze processen verzekeren een betrouwbare en stabiele werking van LTE zonder de mobiele breedbandservice in gevaar te brengen.

Wat nog ontbrak, waren geoptimaliseerde oplossingen voor iot-apparaten met weinig dataverkeer, laag energieverbruik en lage kosten. De commissie is hieraan begonnen in release 12. Het werd echter al snel duidelijk dat er niet één eenvoudige oplossing is voor alle toepassingen; daarvoor lopen hun vereisten te veel uiteen. In release 12 ligt daarom de nadruk op energieverbruik en betaalbare modems, met een energiebesparingsmodus (Power Saving Mode, PSM) die vooral belangrijk is voor batterijgevoede apparaten en een nieuwe LTE-apparaatcategorie 0 voor minder complexe devices.

In PSM is een apparaat altijd gereed om zelf berichten te verzenden omdat het geregistreerd blijft in het netwerk. Zijn frontend wordt echter uitgeschakeld, zodat het geen berichten kan ontvangen. PSM is daarom geschikt voor sensornetwerken die infrequent kleine hoeveelheden gegevens versturen. Het is niet geschikt voor applicaties die een snelle respons van de sensor vereisen of een tijdgebonden reactie verwachten. Ontwikkelaars die gebruik willen maken van PSM moeten dit gedrag accepteren en de optimale timerwaarden voor de inactieve en energiebesparingsmodus opnemen in het ontwerp van hun toepassing. End-to-end-tests zijn essentieel om applicatie- en netwerkgedrag op elkaar af te stemmen.

De introductie van categorie 0 is een eerste poging om aanzienlijk goedkopere LTE-modems toe te staan op de m2m-markt. Idealiter zijn deze ook energiezuiniger. Een modem van categorie 0 is een stuk minder complex doordat het slechts een gegevenssnelheid ondersteunt van 1 Mb/s. Dit beperkt de vereisten voor het vermogen van de processor en het geheugen. Full-duplexmodus en meerdere antennes kunnen fabrikanten ook weglaten. Er zijn dan geen duplexfilters nodig om storing tussen zender en ontvanger te voorkomen. De eerste categorie 0-apparaten komen waarschijnlijk dit jaar al op de markt.

Cat 1 (Rel. 8) Cat 0 (Rel. 12)
Downlink-pieksnelheid 10 Mb/s 1 Mb/s
Uplink-pieksnelheid 5 Mb/s 1 Mb/s
Rf-ketens 2 1
Duplexmodus full half (optie)
Bandbreedte ontvanger 20 MHz 20 MHz
Maximaal zendvermogen 23 dBm 23 dBm
Mimo-laag 1 1
Hoogste downlink-modulatie 64 qam 64 qam
Hoogste uplink-modulatie 16 qam 16 qam

LTE-M

De volgende stap is LTE-M, een echte m2m-versie van LTE. Release 13 van de 3GPP-commissie voert aanvullende kostenbesparende maatregelen door, waaronder smallere bandbreedtes in de uplink en downlink, lagere datasnelheden en minder zendvermogen.

Daarnaast staat vermindering van het energieverbruik op de planning voor toepassingen die geen gebruik kunnen maken van PSM omdat ze minstens beschikbaar moeten blijven voor korte intervallen, zelfs als ze geen data verzenden. Het modem gaat nu nog minimaal elke 2,56 seconden van inactief naar ontvangstmodus voor pagingberichten en systeemstatusinformatie. Dat is snel voor een apparaat dat slechts elk kwartier data verwacht. Een lagere frequentie zou de levensduur van de accu kunnen verlengen met enkele jaren.

Voor toepassingen in afgelegen gebieden of andere extreme ontvangstomstandigheden moet het bereik omhoog. Hiervoor wordt gekeken naar verschillende technieken, waaronder het meerdere keren herhalen van data of minder strikte tijd- en foutvereisten. Deze zouden de vermogensbalans tussen zender en ontvanger moeten verbeteren met 15 dB, met een groter bereik als gevolg.

Voor release 14 heeft de commissie de mogelijkheden onderzocht om de wachttijd in de communicatie tussen consumentenapparaten drastisch te verminderen. Dit naar aanleiding van vereisten vanuit de auto-industrie, om bijvoorbeeld realtime gegevensuitwisseling tussen auto’s mogelijk te maken. Deze nieuwe voorzieningen maken LTE-M aantrekkelijk voor veel meer iot-toepassingen en de overstap van 2g/3g-technologie voor veel gebruikers een stuk gemakkelijker.

Lpwan

Inspelend op de behoefte aan mobiele communicatie voor goedkope, energiezuinige apparaten hebben de afgelopen paar jaar ook andere technologieën een markt voor zichzelf verworven. Voor het merendeel zijn dit low-power wan-alternatieven gericht op sensornetwerken met zeer kleine datavolumes, zoals rookmelders. Voordelen zijn het grote bereik en het gebruik van licentievrije frequenties. Het ultrasmalbandige Sigfox wordt bijvoorbeeld al gebruikt in verschillende nationale netwerken. Deze technologie is geoptimaliseerd voor de incidentele verzending van zeer kleine datapakketten. Ontvangst is slechts toegestaan gedurende een kort tijdvenster direct nadat berichten zijn verstuurd.

Sigfox Lora Weightless-N RPMA
Frequenties

868 MHz (Etsi)

915 MHz (FCC)

2400 MHz

868 MHz (Etsi)

915 MHz (FCC)

868 MHz (Etsi)

915 MHz (FCC)

2400 MHz
Modulatie UNB Chirp DSSS UNB RPMA
Technologie-ontwikkelaar Sigfox Semtech Nwave Ingenu

Binnen de Lora Alliance hebben verschillende industriële partijen de Lorawan-standaard opgesteld op basis van de technologie van het Amerikaanse Semtech, met een aanvullende specificatie voor de certificering van compatibele apparaten. Dit lpwan-alternatief gebruikt een spread spectrum-aanpak middels frequentiemodulatie, vergelijkbaar met radar. Het ondersteunt drie klassen apparaten. Klasse A kan alleen ontvangen tijdens twee korte windows nadat berichten zijn verzonden, vergelijkbaar met Sigfox. Bij klasse B is ontvangst mogelijk tijdens periodieke vensters die worden gesynchroniseerd via bakens. Klasse C is altijd gereed voor ontvangst tenzij de apparaten aan het verzenden zijn.

De GSMA zet zich sinds enige tijd ook sterk in voor het iot en is onlangs gestart met een eigen lpwan-initiatief. Doel is om zo snel mogelijk standaarden op te stellen op basis van de bestaande mobiele technologieën in het licentiegebonden spectrum. De grote fabrikanten van infrastructuur, modems en chipsets zijn hier gelijk op gedoken, samen met de mobiele serviceproviders. Het streven is goedkeuring van de standaard in release 13, wat de introductie van nieuwe commerciële producten dit jaar mogelijk maakt. Op dit moment lopen de eerste veldproeven.

De exacte technische invulling staat nog niet vast, maar de verantwoordelijke commissie heeft al wel besloten dat er een narrow-band iot-standaard moet komen (NB-IOT). Deze moet het gebruik toestaan van resourceblokken van LTE-draaggolven, niet-gebruikte bronnen in het spectrum tussen naastgelegen draaggolven of bronnen in een gescheiden, gereserveerd spectrum. Het eisenprofiel: een uiterst laag energieverbruik, zeer lage kosten, verbeterde ontvangst in gebouwen en ondersteuning voor een zeer groot aantal apparaten met erg weinig dataverkeer.

De overgang naar Power Saving Mode (PSM) begint na beëindiging van een dataverbinding of voltooiing van de periodieke Tracking Area Update (TAU)-procedure. Het apparaat gaat eerst naar de normale niet-actieve (idle) stand, van waaruit het om de zoveel tijd, bepaald door de DRX-timer, overschakelt naar de modus om berichten te ontvangen. Daardoor blijft het beschikbaar voor het netwerk. Met het verlopen van timer T3324 komt het apparaat in de energiebesparende modus.
Edited by Nieke Roos