CAT-M1 vs NB-IoT – examen des vraies différences

Alors que les acteurs de l'industrie cherchent à fournir la prochaine génération de connectivité IoT, deux normes différentes ont émergé sous la version 13 du 3GPP :CAT-M1 et NB-IoT .

NB-IoT vs Cat-M2

Par la suite, le marché s'est fragmenté et il est juste de dire que la confusion règne. En effet, les efforts déployés pour faire progresser chaque norme ainsi que le temps et l'argent en jeu poussent les fabricants de puces, les fournisseurs de matériel et les réseaux de services à examiner attentivement chaque option. Tout d'abord, examinons certaines des différences objectives dans le tableau ci-dessous.

Paramètre	CAT-M1 (CAT-M)	NB-IoT
Bande passante	1.4MHz	200KHz
Modes de fonctionnement	Intrabande	In-band, Guard-band, autonome (bandes GSM)
Mode Duplex	HD-FDD / FDD / TDD	HD-FDD (TDD en discussion)
Débit de données maximal	375 Kbit/s (HD-FDD), 1 Mbit/s (FDD)	~50kbps pour HD-FDD (pas encore décidé en 3GPP)
Puissance de transmission UL	23dBm 20dBm	23dBm, puissance inférieure en discussion
Support VoLTE	Sera pris en charge	Non pris en charge
Aide à la mobilité	Prise en charge complète de la mobilité	Pas de mobilité connectée (uniquement resélection du mode veille)
TTM	Avantage de 6 à 9 mois (estimé)	La norme n'est pas encore finalisée Certains aspects reportés à R14

Comme nous pouvons le voir, le Cat M-1 a l'avantage du débit de données de pointe ainsi que du temps de mise sur le marché, tandis que NB-IoT a une plus grande flexibilité dans le spectre qui peut être utilisé et les modes de fonctionnement.

Bien entendu, les paramètres clés qui intéressent le plus les fournisseurs sont la performance, le coût et la puissance. La perception actuelle du marché est que le NB-IoT offre une meilleure couverture, une consommation d'énergie inférieure et un coût nettement inférieur. Cependant, un examen plus attentif et plus critique des données suggère que ce n'est pas la réalité technique. Examinons ces trois KPI importants d'un point de vue technique, déclare Itay Lusky, directeur principal du marketing stratégique des produits chez Altair Semiconductor.

Performances de Cat-M1, Cat-M, NB-IoT, Cat-M2

La perte de couplage maximale (MCL) est définie comme la perte de canal totale maximale entre l'équipement utilisateur (UE) et les ports d'antenne eNodeB (eNB) auxquels le service de données peut encore être fourni. En pratique, cela inclut les gains d'antenne, l'affaiblissement sur le trajet, l'ombrage et toute autre dégradation. Plus le MCL est élevé, plus le lien est robuste.

Selon 3GPP, le MCL pour CAT-M1 est de 155,7 dB tandis que NB-IoT est de 164 dB – une différence extraordinaire de plus de 8 dB. À première vue, cela indiquerait un avantage significatif pour les performances du NB-IoT. Pourtant, cela est surprenant car selon la théorie de Shannon, une faible capacité d'approximation SNR est indépendante de la bande passante si le bruit est blanc.

En conséquence, nous nous serions attendus à :

• Couverture similaire en liaison montante en supposant la même puissance de transmission totale
• x6 (~8dB) meilleure couverture pour CAT-M1 en liaison descendante car l'énergie du signal eNB entrant est x6 plus grande en raison de la plus grande bande passante utilisée

En effet, un examen plus approfondi de la définition du scénario de référence révèle que le MCL dans les deux normes a été défini en utilisant différentes hypothèses de puissance de transmission, de bruit et de débit cible, ce qui en fait une comparaison inégale. Cela peut être vu dans le tableau ci-dessous.

	CAT-M1		NB-IoT
Références	3GPP 36.888, RP-150492		3GPP 45.820 7A
	Lien descendant	Liaison montante	Lien descendant	Liaison montante
Puissance d'émission	46dBm/9MHz	23dBm	43dBm /180kHz	23dBm
Facteur de bruit	9 dB	5 dB	5 dB	3 dB

Si à la place nous utilisons les mêmes hypothèses (puissance Tx égale, facteur de bruit et débit cible), nous verrons que les attentes ci-dessus sont valables :dans UL, les deux normes ont la même couverture, et dans DL CAT-M1 a une meilleure couverture d'environ 8 dB que NB -IdO.

En pratique, lorsque l'on considère les fonctions de saut de fréquence et de turbo/codage présentes dans la norme CAT-M1, l'avantage de CAT-M1 est encore plus révélé.

Coût

NB-IoT est perçu comme ayant une structure de coûts nettement inférieure à celle de CAT-M1, ce qui est essentiel dans des produits tels que les trackers intelligents, les capteurs et les compteurs intelligents.

Le schéma ci-dessous d'un modem typique nous aidera à évaluer cette affirmation.

Le schéma fonctionnel montre les blocs de construction communs d'une conception de module typique. Cela comprend les blocs RF (tels que les filtres, les commutateurs, les PA, les chaînes de transmission et de réception, etc.), les blocs analogiques de transmission et de réception, la bande de base (« BB »), la mise en œuvre du protocole de traitement du processeur, la mémoire, d'autres blocs de maintenance (cristaux, unité de gestion de l'alimentation). - PMU, support eUICC, horloge temps réel-RTC) et blocs optionnels (tels que GPS et MCU).

La plupart des blocs, marqués en blanc, ne changent pas en fonction du standard 3GPP utilisé.

Cela est vrai en supposant qu'il existe une comparaison pomme à pomme entre les technologies (c'est-à-dire le même nombre de bandes, les mêmes services ajoutés par l'opérateur, les mêmes capacités ajoutées telles que le GPS intégré, le MCU, etc.).

Le bloc principal qui est modifié entre les technologies est la couche physique de bande de base (PHY) en charge du traitement du signal numérique (DSP) du modem.

La taille du bloc PHY en bande de base peut être considérablement réduite en passant d'un traitement de 1,4 Mhz à un traitement de 200 KHz. Cependant, compte tenu de la technologie actuelle, la différence s'élève à environ 10 cents de delta de coût, ce qui représente environ 2 % des prix des modules cibles pour les technologies 3GPP R13. Cet écart deviendra encore plus petit dans environ 2-3 ans lorsque la technologie arrivera à maturité en tenant compte du rétrécissement technologique suivant la loi de Moore.

En bref, le NB-IoT présente un avantage de coût par rapport au CAT-M1, mais il est bien inférieur à la perception actuelle de l'industrie.

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Puissance

La consommation d'énergie des appareils IoT comprend à la fois la consommation d'énergie en veille et la consommation d'énergie active.

La consommation d'énergie en veille est fonction de la conception et de la technologie utilisées, et ne devrait essentiellement pas différer entre CAT-M1 et NB-IoT. La consommation d'énergie active diffère entre les deux technologies. Il s'agit essentiellement de la multiplication de la densité de puissance transmise et de la longueur de transmission.

En commençant par la consommation d'énergie active DL, le CAT-M1 prend en charge un débit considérablement plus élevé (à la fois x6 en bande passante et une prise en charge de modulation plus élevée) que NB-IoT. En conséquence, le temps UE pour la réception de données spécifiques est considérablement plus court, ce qui entraîne une consommation d'énergie active environ 50 % inférieure à celle du NB-IoT.

Pour UL, dans de bonnes conditions de canal, le CAT-M1 a une consommation d'énergie active inférieure en raison de sa prise en charge plus élevée de la modulation. Dans des conditions de canaux limités, NB-IoT est supérieur à CAT-M1 en raison de sa prise en charge de la transmission à une seule tonalité. Cet avantage est susceptible d'être fermé dans 3GPP R14.

En résumé, le CAT-M1 a une consommation d'énergie active inférieure en DL et UL dans de bonnes conditions de canal. Pour les conditions de canaux limités UL, NB-IoT a aujourd'hui de meilleurs nombres de puissance active.

Conclusion

CAT-M1 et NB-IoT sont tous deux poursuivis de manière agressive pour devenir la solution de connectivité de facto pour les produits IoT. Bien que les deux normes s'en sortent bien dans différents scénarios, il est essentiel de ne pas prendre les perceptions du marché pour argent comptant, mais plutôt de comparer les deux solutions de manière égale, toutes choses étant égales par ailleurs, afin de prendre les bonnes décisions technologiques.

Nous avons analysé trois KPI clés, notamment la couverture, le coût et la consommation d'énergie. Alors que la perception du marché est que NB-IoT a un net avantage sur CAT-M1 pour ces KPI, nous concluons que CAT-M1 offre en fait des avantages pour la couverture et la puissance, et seulement un inconvénient de coût minime par rapport à NB-IoT.

Les futures plates-formes qui prennent en charge à la fois CAT-M1 et NB-IoT peuvent finalement permettre aux fournisseurs de couvrir leurs paris, mais jusque-là, il est crucial de comprendre les données techniques et de considérer la vraie valeur ajoutée avant de choisir.

L'auteur de ce blog est Itay Lusky, directeur principal du marketing stratégique des produits chez Altair Semiconductor

À propos de l'auteur :

Itay Lusky est le directeur principal du marketing stratégique des produits chez Altair Semiconductor, l'un des principaux fournisseurs de chipsets LTE monomodes. Le portefeuille d'Altair couvre l'éventail complet des besoins du marché de la 4G cellulaire, des applications vidéo-centriques suralimentées jusqu'à l'IoT et le M2M à très faible consommation et à faible coût. Altair a livré à ce jour des millions de chipsets LTE, déployés commercialement sur les réseaux LTE les plus avancés au monde.