مقدمه:

با رشد سریع اینترنت اشیا (IoT)، دو فناوری مهم برای اتصال دستگاه‌ها به شبکه موبایل مطرح شده‌اند: LTE-M و NB-IoT. هر کدام دارای ویژگی‌های خاص خود در زمینه پوشش، نرخ داده، مصرف انرژی، هزینه و ساختار هستند. این مقاله با هدف مقایسه LTE-M و NB-IoT به بررسی تفاوت‌ها و شباهت‌های آن‌ها می‌پردازد تا بتوانید انتخاب مناسبی برای کاربردهای خاص، مانند کنتورهای هوشمند گاز، داشته باشید.

[ez-toc]

 شباهت‌های LTE-M و NB-IoT

• استانداردسازی: هر دو توسط 3GPP استاندارد شده‌اند و قابلیت سازگاری با شبکه‌های 4G و 5G را دارند.

• امنیت: هر دو از فرکانس‌های مجوزدار، رمزنگاری، احراز هویت با سیم‌کارت و eSIM استفاده می‌کنند.

• مصرف انرژی پایین: از حالت‌های صرفه‌جویی انرژی مانند PSM و eDRX برای افزایش عمر باتری بهره می‌برند.

• سازگاری با زیرساخت LTE: هر دو می‌توانند روی زیرساخت فعلی LTE پیاده‌سازی شوند.

 تفاوت‌های کلیدی بین LTE-M و NB-IoT

 چالش‌های LTE-M

• نیاز به پشتیبانی کامل اپراتورها از حالت‌های eDRX و PSM

• پوشش جهانی محدودتر نسبت به NB-IoT

• قیمت ماژول‌ها بالاتر

• پیچیدگی بیشتر در مدیریت دستگاه‌ها در حالت mobility

 مقایسه در سناریوی عملی: کنتور گاز هوشمند

در پروژه‌هایی مانند سامانه اندازه‌گیری هوشمند گاز، نرخ انتقال داده معمولاً پایین است، نیاز به پوشش عمیق و هزینه پایین دارد، و تاخیر بالا قابل قبول است. در این شرایط:

• NB-IoT گزینه بهینه‌تری است زیرا:

  • هزینه ماژول پایین‌تر دارد

  • پوشش سیگنال قوی‌تری ارائه می‌دهد

  • مصرف انرژی بسیار کم‌تری در نرخ داده پایین دارد

  • با طیف GSM سازگار بوده و در حالت مستقل نیز قابل استفاده است

 شبیه‌سازی عملکرد LTE-M در نرخ پایین

در شبیه‌سازی‌هایی که برای نرخ داده بسیار پایین (1400 بیت بر ثانیه در DL و 250 بیت بر ثانیه در UL) انجام شده، LTE-M توانسته پوششی تا ۲۱ دسی‌بل نسبت به هدف ۳GPP ارائه دهد. اما باید توجه داشت که این عملکرد به شدت وابسته به شرایط عملیاتی است و همیشه در عمل بهینه نیست.

LTE-M

اپراتورهای شبکه همراه (MNOs) باندهای فرکانسی LTE-M را در اختیار دارند که به این نوع شبکه مزیتی نسبت به فناوری‌هایی که از طیف بدون مجوز استفاده می‌کنند می‌دهد؛ زیرا زیرساخت مورد نیاز در اینجا وجود دارد و به طور کلی کنترل و امنیت بیشتری را فراهم می‌کند. حتی LTE-M از زیرساخت LTE موجود (سخت‌افزار، معماری و تراشه ها) استفاده می‌کند، بنابراین پیاده‌سازی‌های آن نسبتاً سریع و آسان هستند. LTE Cat-M1، پهنای باند کمتری نسبت به شبکه‌های LTE استاندارد، ارائه می دهد.

هر دو LTE-M و NB-IoT برای پیچیدگی و توان کمتر، پوشش عمیق و چگالی دستگاه بالا نسبت به LTE بهینه‌سازی شده‌اند. بین LTE-M و NB-IoT یک رابطه سازگار و تکمیلی وجود دارد زیرا هر دو بر پایه پلتفرم LTE قرار دارند. تفاوت اصلی در باندهای عملیاتی آن‌ها است. LTE-M با ۱.۴ مگاهرتز درون باند با LTE عمل می‌کند، در حالی که NB-IoT می‌تواند درون باند با عرض ۱۸۰ کیلوهرتز، در گارد باند یا به صورت مستقل عمل کند. این به NB-IoT امکان تغییر مصرف فرکانس‌های ساختار GSM را می‌دهد. تنظیم مجدد آنتن و استفاده و تامین فرکانس‌ها در eNodeB می‌تواند هر دو تکنولوژی را پشتیبانی کند.

زمینه‌های اصلی که در آن‌ها LTE-M و NB-IoT با یکدیگر متفاوت‌اند، شامل پشتیبانی از پهنای باند، تاخیر، مصرف برق و هزینه دستگاه است. LTE-M با تاخیر کمتر و بهینه‌سازی مصرف باتری، پهنای باند بیشتری دارد. عمر باتری یک دستگاه Cat-M1 ممکن است کمتر از Cat-NB1 باشد و مصرف برق به‌طور معقولی بهینه‌سازی شده است. زمانی که نرخ داده‌ها نسبتاً بالا است، مصرف توان بیشتر است، در حالی که NB-IoT در نرخ داده‌های پایین، مصرف توان کمتری دارد. همچنین، LTE-M1 قابلیت حمل صدا را برای برنامه‌هایی مانند سیستم‌های امنیتی مسکونی دارد.

NB-IoT برای نرخ داده‌های پایین طراحی شده است که تاخیرهای نسبتاً بزرگ قابل قبول هستند. NB-IoT مزایای پشتیبانی از پوشش گسترده‌تر، تعداد بیش­تر دستگاه‌، دستگاه‌های ارزانتر و امکان استفاده از باندهای فرکانسی درون باند، گارد باند و مستقل را دارد. هزینه معمولی برای یک دستگاه Cat-NB1 تقریباً ۳۰٪ کمتر از یک دستگاه Cat-M1 است.

دستگاه‌های Cat-M1 همچنین می‌توانند HD FDD علاوه بر TDD پشتیبانی کنند، در حالی که دستگاه‌های Cat-NB1 فقط HD FDD را پشتیبانی می‌کنند. به طور کلی، LTE-M می‌تواند یک مجموعه متنوع از برنامه‌هایی که توسط NB-IoT پشتیبانی می‌شوند را مدیریت کند.

شباهت‌ها و تفاوت‌های اصلی بین LTE-M و NB-IoT، همچنین با دستگاه‌های LTE Cat-1 و Cat-0، در جدول زیر به طور خلاصه آورده شده‌اند.

چالش های LTE-M

صرفه‌جویی محدود در مصرف انرژی با برخی کریرها: برای بهره‌برداری کامل از حالت‌های صرفه‌جویی انرژی مانند PSM و eDRX در دستگاه‌های خود، این حالت‌ها باید توسط اپراتور سلولار پشتیبانی شوند.

پوشش محدود در سراسر جهان

نتیجه گیری

LTE-M از استاندارد 4G LTE 3GPP نشات می‌گیرد. این فناوری از مزایای گسترده‌ای که LTE دارد، از جمله ساختار کارآمد IP، قابلیت حرکت ( mobility)، مکانیسم‌های اولویت‌بندی، امنیت و استاندارد جهانی بهره می‌برد. LTE-M می‌تواند برای دسته­ای گسترده از برنامه‌ها با دسترسی‌ها و تاخیرهای متغیر استفاده شود. علاوه بر شباهت­های قابل توجهی که به NB-IoT دارد، اما مزایایی دیگری در زمینه‌های دسترسی به باند، تاخیر و حرکت دارد. LTE-M با شبکه‌های معمولی 4G LTE داشته و همچنین این فناوری می­تواند به راحتی به 5G منتقل شود. اما معایب نیز شامل پیچیدگی و هزینه برای حسگرها و دستگاه‌ها دارد.

نتایج شبیه‌سازی در یک پیکربندی خاص نشان می‌دهد که LTE-M برخی از اهداف مشخص شده در استانداردهای 3GPP را برآورده می‌کند و در برخی موارد از آن بیشتر می‌شود. باید تأکید شود که اهداف عملکرد و اندازه‌گیری‌ها به پارامترها و امکانات مورد استفاده بسیار حساس هستند. به عنوان مثال، برای عملیات با پهنای باند کم و در غیاب حرکت، اهداف در نظر گرفته شده و اندازه‌گیری‌های شبیه­سازی به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌یابند.

نتایج شبیه‌سازی برای نرخ داده‌های پایین یعنی 1400 بیت بر ثانیه در DL و 250 بیت بر ثانیه در UL گزارش شده است. در این شرایط، نتایج نشان می‌دهند که در مقایسه با LTE، بهبود پوشش 21 دسی‌بل نسبت به هدف 3GPP (18 دسی‌بل) داریم. این ویژگی به خصوص برای برنامه‌هایی که محدودیت نرخ داده کم و تاخیرهای بیشتر ندارند، مناسب دارد.

یک ویژگی مهم NB-IoT و LTE-M این است که این دو سیستم با LTE سازگار هستند. بنابراین این امکان فراهم شده که طیف بین دو سیستم بدون ایجاد تداخل متقابل به اشتراک گذاشته شود.

مقایسه دو فناوری NB-IoT و LTE-M

NB-IoT و LTE-M ساختارها و ویژگی‌های متفاوتی دارند که آنها را برای سناریوها و برنامه‌های مختلف مناسب می‌سازد.

 برخی از تفاوت‌های اصلی عبارتند از:

پهنای باند: NB-IoT از پهنای باند باریکی به عرض 200 کیلوهرتز استفاده می‌کند، در حالی که LTE-M از پهنای باند گسترده‌تری به عرض 1.4 مگاهرتز استفاده می‌کند. این بدان معناست که NB-IoT قادر است تعداد بیشتری کنتور گاز را در هر کانال پشتیبانی کند، اما LTE-M قادر است نرخ انتقال داده بالاتر و تاخیر کمتری را داشته باشد. پهنای باند بیشتر هزینه بالاتری نیز دارد. پس در این مورد استفاده از NB-IoT به دلیل پشتیبانی از تعداد دستگاه های بیشتر و هزینه کمتر به LTE-M ترجیح داده می شود.

پوشش: NB-IoT پوشش و حساسیت بهتری نسبت به LTE-M دارد، زیرا می‌تواند از تکنیک‌های مبتنی بر تکرار برای افزایش قدرت سیگنال استفاده کند. همچنین NB-IoT قادر است در حالت مستقل عمل کند که این به آن اجازه می‌دهد تا از طیف GSM بازاریابی شده، استفاده کند. از سوی دیگر، LTE-M فقط می‌تواند در حالت in-band یا guard-band عمل کند که به این معناست که طیف را با شبکه‌های LTE به اشتراک می‌گذارد.

NB-IoT و LTE-M همچنین برخی از شباهت‌ها را دارند که آنها را قابل تطبیق و تکمیل برای استقرار کنتور هوشمند گاز می‌سازد. برخی از شباهت‌ها عبارتند از:

استانداردسازی: NB-IoT و LTE-M هر دو توسط 3GPP استانداردسازی شده‌اند، به این معنی که قابلیت همکاری و سازگاری با یکدیگر را دارند و آن را برای آینده نیز  تامین می‌کنند. هر دو نیز با شبکه‌های 5G یکپارچه شده‌اند، به این معنی که می‌توانند از ویژگی‌ها و قابلیت‌های بهبود یافته فناوری 5G بهره‌برداری کنند.

امنیت: NB-IoT و LTE-M هر دو امن و قابل اعتماد هستند، زیرا از فرکانس‌های مجوزدار و مکانیزم‌های رمزنگاری برای حفاظت از انتقال داده استفاده می‌کنند. همچنین از کارت‌های SIM card ها یا embedded SIM ها درون دستگاه برای احراز هویت دستگاه‌ها و شبکه استفاده می‌کنند.

مصرف انرژی: NB-IoT و LTE-M هر دو فناوری‌های کم مصرف هستند، زیرا از حالت صرفه‌جویی در مصرف برق (PSM) و دریافت ناپیوسته گسترده (eDRX) برای کاهش مصرف انرژی و افزایش عمر باتری دستگاه‌ها استفاده می‌کنند.

در کل به دلیل برتر بودن و در برخی موارد کافی بودن فناوری NB-IoT نسبت به LTE-M، برای کاربرد کنتورهای گاز فناوری  NB-IoT ترجیح داده می شود. نرخ داده بالاتر LTE-M برای کاربردهای ارسال داده های ویدئویی مناسب می باشد.

نتیجه‌گیری

• NB-IoT برای سناریوهای کم‌مصرف، نرخ پایین، پوشش گسترده، قیمت پایین‌تر و دستگاه‌های با تحرک محدود مناسب است (مثل کنتورهای گاز، آب، پارکینگ، سنسورها و…)

• LTE-M برای سناریوهای با نیاز به تاخیر پایین، انتقال صوت، حرکت‌پذیری، و نرخ داده بالاتر مناسب‌تر است (مثل ردیابی وسایل نقلیه، سیستم‌های امنیتی، تجهیزات پوشیدنی)

 سوالات متداول

 آیا LTE-M جایگزین NB-IoT می‌شود؟

خیر. این دو فناوری مکمل هم هستند و برای کاربردهای متفاوت بهینه شده‌اند.

 کدام فناوری برای سیستم کنتور هوشمند گاز مناسب‌تر است؟

معمولاً NB-IoT به دلیل پوشش بهتر و مصرف انرژی پایین‌تر مناسب‌تر است.

 آیا هر دو فناوری با 5G سازگار هستند؟

بله. هم NB-IoT و هم LTE-M قابلیت انتقال به شبکه‌های 5G را دارند.

 آیا می‌توان هر دو فناوری را در یک منطقه به‌طور هم‌زمان استفاده کرد؟

بله. زیرساخت‌های LTE قابلیت میزبانی هر دو را بدون تداخل فراهم می‌کنند.