V minulých článcích ze série o LTE, tedy LTE v otázkách a odpovědích a Vývoj zařízení je nutno přizpůsobit specifikům LTE jsme nastínili základní technické aspekty využití obou standardů v zařízeních. Nejdůležitějším vodítkem se ukázalo pokrytí v různých regionech a sítích operátorů na cílových trzích.
U zadavatele i vývojáře se okamžitě objeví záblesk v očích: Integrovat! Do zařízení osadit obě technologie. Bude to sice dražší, ale budeme mít globální produkt. Ano, moduly pro LTE M i Nb-IoT jsou běžně dostupné (např. Quectel, Sierra Wireless nebo u-blox), takže tomu nic nebrání. V následujícím článku se podíváme na to, proč to tak jednoduché není.

Začneme cenou, která nekompromisně dominuje. Zadavatelé vývoje LPWAN zařízení očekávají cenu 2 USD/node s životností baterie 10 let. Je těžké obhájit, že nody s LTE Nb a LTE M budou stát 40 USD. Vůči čistokrevné LPWAN verzi není integrované zařízení cenově konkurenceschopné. Cenu zvyšuje nejen samotný modul, další technologická úskalí přijdou. Podívejme se nejdříve na výhody obou standardů.

LTE M je integrální součástí standardu LTE (tedy sítí 4. generace) a je technologicky velmi pružné. Dokáže obsloužit IoT aplikace s komunikací v řádu stovek bitů denně, jindy umožní provoz v řádu Mb/s, včetně podpory hlasových služeb. Nb-IoT je proti tomu samostatná, doslova úzkopásmová služba (200 kHz), která je vždy přistrčena do nějakého volného pásma GSM, CDMA, pásma vyseknutého z LTE nebo ochranného pásma LTE. Tato jednoduchost přináší hned několik výhod.

Výhody Nb-IoT

• Aplikační jednoduchost – omezená komunikace stejně jako u všech LPWAN zařízení zjednodušuje vývoj software a snižuje rizika napadení zařízení. Vývoj je tedy rychlejší a levnější.
• Nízká spotřeba energie – zatímco ve stand-by nebo sleep módu lze spotřebu stlačit u jakéhokoli zařízení, při vysílání nikoli. Fyzika je neúprosná, jednoduchý protokol a úzké pásmo šetří energii.
• Levnější a jednodušší moduly – i když má modul pro Nb-IoT zdánlivě stejný počet kanálů jako LTE-M, nemusí řešit frekvenční multiplex OFDM. Levnější je celá RF část, včetně antény, nižší jsou nároky na procesor, paměť, atd. Je to logické, na zpracování desítek byte za den stačí levný a úsporný hardware.
• Lepší pokrytí uvnitř budov – je dáno parametry rádia a přizpůsobením přenosu, kdy má síť na jeden bit více času, Výhoda má vážnou konkurenci v Coverage Enhancement módu B sítě LTE-M. Žádné relevantní srovnání zatím není k dispozici.
•  

Výhody LTE-M

• Vyšší datové propustnost a prostor pro více služeb. V sítích a regionech, kde je k dispozici, přináší jednoznačně větší potenciál pro další rozvoj služeb.
• Upgrade software – LTE M je z low power standardů reálně jediným, který umožní upgradovat firmware zařízení na dálku. U Nb-IoT, Sigfoxu a dalších LPWAN standardů je to velmi složité nebo v podstatě nemožné. U LTE M se vyplatí s možností update firmware zařízení počítat mimo jiné proto, že operátor může kdykoli změnit některé specifické služby LTE.
• Software na vyšší úrovni – vedle samotného objemu dat není možné opomenou otázky pokročilých protokolů a bezpečnosti. U LTE M se vše pohybuje v relacích plnohodnotné IP sítě se všemi klady, zápory a možnostmi zabezpečení.

Proč neintegrovat obě technologie?

V úvodu článku jsme se zmínili o tom, že integrace je dražší, ale proveditelná. Vedle ceny je potřeba vzít v úvahu několik dalších věcí.

• Integrace nutí ke zjednodušení – ve chvíli, kdy je produkt postaven na bázi pár byte za den u Nb-IoT, je LTE M zbytečně drahým nosičem pro NIC. Z druhé strany, komunikátor pro LTE M bez možnosti plnohodnotného spojení také nedává smysl. Jak již bylo uvedeno výše, cena komponent pro LTE M je vyšší nejen u samotného modulu, ale i u RF a výpočetní jednotky.
• Geografie – východ Nb-IoT, západ LTE M. Z dosavadního vývoje lze předpokládat, že LTE M, které masivně ovládlo americký trh, se rozšíří ještě do západní Evropy, do východní Evropy a Asie již nikoli. Zejména asijským operátorům se tato epizoda nehodí do scénáře rychlého nasazení 5G sítí. Na druhé straně, americký a evropský trh si nasazení 5G politicky posunul o pár měsíců nebo dokonce let. Pro Evropu se tak LTE M zdá být nekonfliktním a realizovatelným východiskem pro potřeby politicky podporované digitalizace průmyslu. V severní Americe, kde převládá LTE-M, operátoři spouští také LTE-Nb. V případě Verizonu se tak stalo v roce 2018, AT&T oznámilo plán pokrytí USA a Mexika v roce 2019. To samozřejmě překreslí mapu pokrytí GSMA.
• Technická kompatibilita omezuje možnosti celosvětového nasazení. Prp některé varianty Nb-IoT, postavené mimo pásma LTE nebudou dostupné moduly.
•  

Ze zprávy GSMA z 21.2.2019

• Cena připojení a dat je zejména v Evropě zatím velkou neznámou a bude vždy významně odlišná od Asie nebo Ameriky. Není možné opomenout ani pravděpodobnost, že NB-IoT i LTE M bude dostupné zejména virtuálním operátorům, kteří pro své aplikace budou nakupovat zakázkový hardware. Pro vývojáře, který takovou zakázku získá je to plus, pro ostatní to znamená zavření dveří.
• Univerzální hardware není klíčem k řešení. Řada firem, které dodávají RF čipy i moduly, certifikované pro klíčové operátory, ve svých materiálech upozorňuje, že snaha o univerzální hardware není vždy výhodná. I když přinese hardware s maximálním potenciálem nasazení po celém světě, pro LTE M i různé varianty Nb-IoT bude pravděpodobně potřebovat různý firmware, v důsledku tedy oddělenou výrobu a distribuci regionálních verzí produktu. Náklady na logistiku tak ve většině případů smažou relativní úsporu konceptu jediného hardware produktu ani nezaručí dlouhodobou opakovatelnost výroby.
• Roaming a mobilita – zatímco LTE M díky svému ukotvení v LTE nemá s pohybem a roamingem žádný technický problém, pro Nb-IoT (a LTE Nb) je tato otázka velkou výzvou. Spolehlivost přenosu informací a vliv na životnost baterie nejsou zatím ověřeny žádnými testy, protože tuto možnost zkoumají teprve operátoři na úrovni samotné sítě.
• Bateriové napájení a variabilita LTE M - v jednoduchosti lze konstatovat, že garance spotřeby či životnosti baterií je velmi závislá na reálné spotřebě. Tu ovšem ovlivňuje nejen samotné zařízení, ale také síť. Konstruktér ani zadavatel předem neví, zda síť LTE M v daném místě bude umět některou ze služeb, šetřících baterie, jako eDRX (extended discontinuous reception) nebo PSM (power saving mode) a na druhé straně, jestli operátor za tři roky nespustí například Coverage Enhancement Mode B, který baterii vyčerpá za pár měsíců. To je určitě i pádný důvod pro to, aby vývojář počítal s možností dálkového upgrade, který umožní na změny v síti reagovat.

Proč integrovat LTE M i LTE Nb

Výše uvedené argumenty proti integraci jsou určitě dost pádné. Proč je tedy k dispozici tolik hybridních modulů s oběma standardy?

Hybridní konstrukce umožňuje konstruovat složitější nody, kde základní status message obslouží LTE Nb, ale LTE M zajistí :

•  podrobná diagnostická a měřící data, která si jednou za čas vyžádá dohledové centrum.
• LTE M umožní změnu nastavení aplikace
• LTE M bude sloužit k upgrade bezpečnostních systémů a zařízení samotného

Pro aplikace v oblasti prediktivní údržby nebo utilit může být spojení obou technologií klíčovou výhodou, pro virtuálního operátora je relativně jednoduché si sjednat hybridní tarif se zajímavou cenou.
Problematiku integrace LPWA a rychlých dat začíná rozvíjet mj. IEEE jako možnou cestu ke standardizaci hybridních nebo heterogenních LPWAN sítí a kognitivní IoT architektury pro podporu umělé inteligence. Je také jasné, že dříve nebo později se požadavek na takovou funkcionalitu objeví také ve standardech pro sítě 5G. Kdo se na to připraví s dostupným LTE Nb a LTE M, bude mít náskok.

Uvedené faktory nabízí jedno zjednodušení. O Nb-IoT lze říci, že bude k dispozici téměř celosvětově, pokud američtí operátoři dodrží své sliby. Když požadavky na zařízení vystačí s Nb-IoT, jeví se tato varianta jako více univerzální.
V případě LTE M je lepší rezervovat tuto platformu pro aplikace, které naplno využijí její možnosti a pravděpodobně pro ně nebude kritická otázka super nízké ceny ani globální unifikace. To platí i pro hybridní použití obou technologií, kde bude rozhodující spíše cenová politika poskytovatele služby a operátora.