¿Qué es NB-IoT?

Narrow Band IoT (NB-IoT) es la apuesta de 3GPP para dar respuesta a las necesidades de comunicación IoT, en lo que denominan extended Machine Type Communications (eMTC). NB-IoT aparece como respuesta al auge de las Low Power Wide Area Networks (LPWAN) como lo son tecnologías como LoRaWAN, Telensa o Sigfox entre otras. Las LPWAN se caracterizan por ser tecnologías de largo alcance, dando cobertura hasta 15km en entornos abiertos y hasta 2km en entornos urbanos. Estas tecnologías, se han diseñado para dar acceso a un número potencialmente alto de dispositivos que tienen que transmitir pocas cantidades de datos (pocos bytes) de forma esporádica (ej. cada varios minutos), mayoritariamente en uplink. Las LPWAN se usan en aplicaciones como la tele-lectura de contadores, el control del alumbrado público, las alarmas de robo o los sistemas de control en infraestructuras entre muchas otras.

El 3GPP ha tardado bastante en unir-se a la tendencia después que LoRaWAN tomara gran parte del mercado (aun emergente). En este articulo nos centraremos, de forma amena, en NB-IoT, puesto que la literatura tiene bastantes referencias a LPWAN y en particular a LoRaWAN como uno de sus exponentes más representativos.

NB-IoT es una tecnología celular, usa las bandas celulares de comunicación y se ha diseñado para operar de distintas formas, incluyendo el uso de la banda de GSM substituyendo el despliegue actual (standalone), usando la banda de LTE y por lo tanto compartiéndola (in-band) o incluso utilizando el espaciado que hay entre los canales LTE para aprovechar al máximo el espectro de comunicaciones (guard-band). A diferencia de las LPWAN, NB-IoT nace condicionado por la arquitectura LTE y debe coexistir con esta tecnología sin introducir modificaciones a la estructura y arquitectura de la red celular. Esto implica una complejidad mucho más elevada que sus competidoras LPWAN. NB-IoT es una tecnología half-duplex que habilita de forma eficiente la comunicación uplink, es decir permite un establecimiento de conexión a la red celular, la asignación de recursos de red al nodo (conocido como User Equipment o UE) y la transmisión de los datos (MT Data en la figura 1).

Figura 1. Estructura de una conexión NB-IoT.

Lo más típico es que un UE permanezca desconectada de la red y cuando tenga datos a transmitir, por ejemplo, la lectura de un contador, establezca la conexión, transmita los datos y se desconecte. Un UE, una vez establecida la conexión la mantiene (RRC Connected) durante un tiempo configurable hasta que pasa a inactivo (RRC Idle) y se acaba desconectando. Durante el modo conectado (RRC Connected), la UE puede pedir mas recursos y transmitir mas datos, claramente como reflejo de la arquitectura LTE.  NB-IoT también permite una desconexión inmediata una vez recibida la confirmación de los datos, pero esto implica no tener una ventana de downlink.  Fruto de su estructura basada en LTE, donde el diseño inicial asumía conexiones siempre activas (ej. los dispositivos móviles siempre están conectados a la red) el mayor esfuerzo se ha hecho en habilitar el downlink sin que esto implique un consumo energético muy elevado. No hay magia, simplemente se hace un duty-cycle de la radio a través de ciclos de escucha que se conocen como eDRX (ver Figura 1). Estos ciclos permiten a la UE escuchar las Paging Occasions que nos indicaran si hay algún mensaje de bajada, mientras se mantiene la radio apagada el resto del tiempo. Hay muchos mas detalles que por motivos de extensión no comentaremos, pero que influyen en el retardo, consumo energético y rango de esta tecnología (ej. el número de repeticiones que se hace de cada trama).

Ahora que ya conocéis mas o menos como funciona NB-IoT, comentaremos sobre sus ventajas, inconvenientes y como se comporta en comparación a otras tecnologías LPWAN. Por motivos de extensión no os lo contaremos todo aquí, pero podéis leerlo en este articulo [1]. En primera instancia nos gustaría destacar que NB-IoT es una tecnología que nos da fiabilidad porque garantiza la entrega de los datos, esto es significativo si lo comparamos con otras tecnologías LPWAN que se basan en un acceso ALOHA. También, decir que el uso de una banda licenciada la hace más fiable puesto que no coexiste con otras tecnologías. Sin embargo, el hecho de usar una banda licenciada tiene implicaciones como el hecho de depender de un operador y por lo tanto estar sujetos a un modelo de servicio y cobertura fuera del control de la aplicación. En LoRaWAN, si hay poca cobertura siempre se puede desplegar una Gateway extra, con NB-IoT dependes del operador. Esto también tiene implicaciones en el consumo energético del dispositivo. Los nodos con peor cobertura gastarán más energía, porque deberán repetir mas las tramas y porque deberán transmitir a una potencia mayor, esto puede tener implicaciones en aplicaciones como los Smart parking donde se debe garantizar una duración mínima de batería. Con otras LPWAN siempre se puede desplegar una Gateway extra sin tener que interaccionar con el operador. Finalmente, quiero destacar el buen soporte al downlink de NB-IoT, habilita de forma sencilla aplicaciones que necesiten modelos push a diferencia de los modelos uplink tradicionales que ofrecen la mayoría de LPWANs. Nos preguntamos sin embargo si las aplicaciones IoT necesitan en su mayoría ese modelo y si esa necesidad justifica parte de la complejidad del protocolo.

[1] Martinez, B., Adelantado, F., Bartoli, A., & Vilajosana, X. (2018). Exploring the Performance Boundaries of NB-IoT. arXiv preprint arXiv:1810.00847.

Pere Tuset-Peiró es doctor en Tecnologías de la Información y las Comunicaciones por la Universitat Oberta de Catalunya. Es profesor lector de los Estudios de Informática, Multimedia y Telecomunicación, e investigador del Grupo Wine (Wireless Networks) en el Internet Inter-disciplinary Institute, ambos de la Universitat Oberta de Catalunya. Su actividad docente e investigadora se centra en el ámbito de los sistemas ciberfísicos aplicados a la industria, incluyendo los sistemas empotrados, las redes de comunicaciones y el procesamiento de la señal.

Borja Martinez recibió su grado en física e ingeniería electrónica, el master en microelectrónica y el doctorado en informática por la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB), donde fue profesor asistente de 2005 a 2015 en el Departamento de Microelectrónica. Combinando esta actividad con la investigación aplicada en el sector privado. Actualmente es investigador en el IN3. Sus intereses de investigación incluyen tecnologías inalámbricas de bajo consumo, políticas de gestión de energía y algoritmos.

Xavier Vilajosana es doctor e investigador principal del grupo de investigación Wireless Networks de la UOC, así como profesor de los Estudios de Informática, Multimedia y Telecomunicaciones. Además, Xavier es co-fundador de Worldsensing y OpenMote Technologies, dos start-ups pioneras en desarrollo de tecnología relacionada con la Internet Industrial.  Xavier es autor de diversas patentes, estándares y publicaciones científicas en el ámbito de la Industria 4.0.