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Da máquina a vapor à linha de produção industrial, as primeiras ondas da Revolução Industrial remodelaram fundamentalmente a civilização humana. Hoje, estamos à beira da próxima mudança que definirá uma era: a ascensão da Internet das Coisas (IoT). No entanto, para que a revolução da IoT realmente se concretize, é necessária uma estrutura de conectividade confiável – uma que possa fornecer cobertura ampla e confiável para os bilhões de sensores e endpoints previstos. É aqui que a IoT de Banda Estreita (NB-IoT) entra em cena.
Então, o que exatamente é NB-IoT e quais recursos exclusivos esse padrão de banda estreita para celulares oferece? E como ele se relaciona com as opções de conectividade de IoT existentes? Vamos nos aprofundar.
O que é IoT de banda estreita?
A Internet das Coisas de Banda Estreita (NB-IoT) é uma LWAN protocolo padronizado pelo 3GPP para habilitar uma ampla gama de novos dispositivos e serviços de IoT conectados por celular.
Oferece um caminho sem fio dedicado otimizado para IoT. Como o nome sugere, a IoT de banda estreita utiliza uma largura de banda muito estreita, permitindo excelente cobertura estendida e maximizando a vida útil da bateria dos dispositivos – dispositivos NB-IoT podem atingir mais de 10 anos de vida útil da bateria.
Utilizando faixas de espectro licenciadas, como as bandas 4G LTE, a NB-IoT as otimiza exclusivamente para conectividade IoT. Ao rearmar as faixas de celular existentes para uso da NB-IoT, em vez de exigir novas alocações de espectro, essa tecnologia pode ser implantada rapidamente por operadoras de redes móveis.
Com excelente extensão de cobertura e extrema eficiência energética, a NB-IoT capacita uma ampla gama de novos dispositivos de IoT para fornecer dados ricos com custo mínimo de manutenção, superando duas barreiras importantes para a adoção em massa da IoT. A rápida implantação global já está em andamento, especialmente na Ásia, Europa e América do Norte.
Arquitetura de IoT de banda estreita e como ela funciona
O NB-IoT foi padronizado em 2016 pela 3GPP na versão 13 para operação dentro de faixas de espectro licenciadas de propriedade de operadoras de telefonia móvel. A comunicação entre dispositivos NB-IoT e a rede ocorre dentro de uma faixa estreita designada de 200 kHz, em comparação com as faixas muito mais largas usadas pela conectividade celular padrão.
A arquitetura NB-IoT consiste em dispositivos finais (sensores), estações base ou pontos de acesso, a rede principal e servidores/plataformas de aplicação. Componentes opcionais, como gateways, podem ser utilizados para conectar nós dentro de edifícios ou no subsolo quando o acesso direto não for possível.
O NB-IoT tem três modos distintos de implantação para maximizar a cobertura em várias infraestruturas:
- Em banda – Utiliza blocos de recursos dentro de uma operadora LTE normal
- Banda de guarda – Utiliza blocos de recursos não utilizados dentro de uma operadora LTE normal
- Autônomo – Utiliza portadora autônoma em espectro dedicado
Ao aproveitar a infraestrutura e o espectro celular existentes, a NB-IoT oferece uma solução de IoT eficiente, suportada pelos principais fornecedores de hardware e chipset do mundo. Ela pode coexistir com outras tecnologias celulares, como 2G, 3G, 4G, LTE-M e 5G, por meio de seus modelos de implantação flexíveis.
Quais são os benefícios e limitações do NB-IoT
A IoT de banda estreita oferece imensas capacidades de conectividade, mas também apresenta algumas restrições técnicas. Compreender as vantagens e desvantagens atuais permite definir expectativas adequadamente e tomar uma decisão informada sobre quando a NB-IoT é a mais adequada para uma aplicação.
Benefícios da IoT de banda estreita
- Baixo consumo de energia– O consumo ultrabaixo é alcançado por meio de pequena largura de banda de transmissão e recursos de economia de energia em períodos de transmissão inativos, como PSM e eDRX. Isso proporciona maior duração da bateria, essencial para dispositivos remotos com acesso limitado à energia.
- Cobertura e alcance aprimorados– Utilizando um sinal de banda estreita e retransmissões de pacotes, a NB-IoT alcança conectividade confiável em ambientes internos e subterrâneos. Seu alcance atinge ~1 km em áreas urbanas e ~10 km em áreas rurais – ideal para dispositivos remotos.
- Grande número de conexões– Uma estação base NB-IoT pode suportar mais de 50,000 dispositivos simultaneamente, por meio do agendamento eficiente de janelas de transmissão e suspensão. Essa escalabilidade permite implantações em massa – vital para redes de IoT de larga escala em toda a infraestrutura.
- Baixo custo de dispositivo e implantação– Ao minimizar a complexidade dos dispositivos para apenas a conectividade essencial, o hardware NB-IoT custa uma fração dos modems 4G/5G. Planos de dados pequenos também custam menos. Sem a necessidade de gateway e aproveitando as bandas existentes, as implantações são muito mais baratas do que a construção de redes LPWAN dedicadas.
Limitações da IoT de banda estreita
- Transmissão de dados mais baixa– A NB-IoT tem largura de banda e velocidade menores que a LTE-M, não tendo capacidade para altas transferências de dados. Não suporta aplicações de voz/vídeo que exijam alta taxa de transferência.
- Latência mais alta– Em comparação com 4G e 5G, a NB-IoT apresenta maior atraso entre a transmissão e o recebimento de pacotes de dados. Não é ideal para casos de uso que exigem comunicação em tempo real e com baixa latência.
- Mobilidade limitada do dispositivo– Com baixa largura de banda e baixas taxas de uplink/downlink, a NB-IoT é ideal para dispositivos fixos ou com mobilidade muito baixa. Transferências rápidas entre células de rede, como 4G-LTE e 5G, não são suportadas de forma eficiente.
- Menos cobertura global– A implantação da NB-IoT ainda está em expansão em muitas regiões do mundo. Atualmente, há menos acordos de roaming para redes NB-IoT do que para redes móveis, limitando a cobertura global contínua.
O NB-IoT é seguro ou pode ser hackeado?
A NB-IoT utiliza a estrutura de segurança comprovada definida pelo 3GPP para redes LTE. Isso inclui autenticação mútua entre o dispositivo e a rede, criptografia de dados sem fio por meio de chaves de sessão e atualizações de firmware assinadas. Estratégias adicionais no nível do dispositivo, como proteção contra adulteração e detecção de anomalias, reforçam ainda mais a segurança.
Outro benefício da conformidade com os padrões 3GPP é que o NB-IoT oferece suporte aos protocolos de segurança atuais usados em redes celulares, bem como a quaisquer novos recursos adicionados no futuro.
Embora nenhuma tecnologia seja completamente imune a adulterações ou invasões, a NB-IoT oferece medidas de segurança padronizadas e robustas, comparáveis às redes móveis atuais, para proteger contra uma série de ameaças cibernéticas que se estendem até os dispositivos de ponta da IoT.
Principais casos de uso e aplicações da NB-IoT
Com sua longa duração de bateria, amplo alcance, transferências de pequenos pacotes de dados e forte segurança, a NB-IoT é uma tecnologia ideal para conectar sensores, monitores e atuadores em sistemas de infraestrutura para permitir:
Medição inteligente
Leitura remota em tempo real do consumo de gás, eletricidade e água, sem necessidade de verificações manuais. Os insights permitem melhor conservação de energia e detecção de vazamentos. O baixo consumo de energia e o alcance aprimorado da NB-IoT são adequados até mesmo para locais desafiadores.
Cidades Inteligentes
Sensores ambientais para qualidade do ar/água, monitoramento de som, transbordamento de lixeiras, rastreamento de vagas de estacionamento, monitoramento de infraestrutura e iluminação inteligente que se ajusta com base nas condições ambientais e no fluxo de pessoas.
Monitoramento Ambiental
Campos agrícolas, rios, áreas selvagens e áreas de conservação protegidas podem ser monitorados quanto a condições, operações de equipamentos, intrusões etc. sem grande infraestrutura de energia ou comunicação.
Agricultura Inteligente
Sensores de umidade baratos, monitores de equipamentos e testadores de nutrientes do solo conectados via NB-IoT oferecem melhor visibilidade para otimizar a irrigação, os fertilizantes e monitorar as plantações.
Rastreamento e gerenciamento de ativos
Etiquetas NB-IoT acessíveis alimentadas por bateria monitoram a localização e as condições de veículos, máquinas pesadas, itens de transporte retornáveis (paletes, contêineres) e infraestrutura de ativos remotos.
Casas inteligentes
Os sensores monitoram a ocupação do ambiente, a temperatura, a umidade, o ruído e os níveis de luz, enquanto os controladores ajustam o HVAC, a iluminação e os aparelhos automaticamente com base nas condições e padrões de uso para melhorar o conforto, a segurança e a eficiência energética.
Saúde Inteligente
O baixo consumo de energia e a ampla conectividade da NB-IoT são ideais para aprimorar o atendimento ao paciente por meio do monitoramento remoto durante o tratamento. Um sistema de localização de quedas baseado na NB-IoT permite notificação antecipada caso pacientes em risco tentem se levantar ou se mover sozinhos. A equipe de saúde pode ser alertada para auxiliar o paciente prontamente.
As aplicações se estendem a quase todos os setores, desde transporte até energia, educação e varejo, entre outros. Quase tudo que precisa de conectividade de longo prazo para transmissões de dados de baixa largura de banda é uma opção potencial para NB-IoT.
Comparações entre NB-IoT e outras LPWANs
Embora existam outras opções de rede IoT com baixo consumo de energia, a NB-IoT reúne pontos fortes que a tornam a principal candidata para uma ampla variedade de implementações. Aqui, comparamos a NB-IoT com três outras tecnologias de Rede de Longa Distância de Baixo Consumo amplamente utilizadas – LTE-M, Sigfox e LoRaWAN:
NB-IoT x LTE-M
NB-IoT e LTE-M são tecnologias LPWAN celular padronizadas pelo 3GPP para IoT. No entanto, o LTE-M suporta maior largura de banda de 1.4 MHz com taxas de dados de pico mais rápidas de até 1 Mbps. O LTE-M também permite total mobilidade e suporte a voz, ao contrário do NB-IoT. Mas a desvantagem é que o LTE-M consome mais energia, apesar de otimizações como PSM e eDRX.
No geral, o LTE-M é adequado para aplicações sensíveis à latência que necessitam de maior largura de banda, enquanto o NB-IoT é ideal para dispositivos estáticos ou de baixa velocidade que enviam pequenas quantidades de dados não críticos em termos de tempo. O LTE-M exige o pagamento de royalties aos detentores de patentes, mas o NB-IoT evita custos de gateway, aproveitando o espectro celular existente. Os padrões são complementares para diferentes casos de uso de IoT – LTE-M para comunicação robusta e NB-IoT para ultraconservação de energia.
NB-IoT vs Lora
As principais diferenças são que a NB-IoT opera em espectro celular licenciado, como 4G LTE, enquanto a LoRa usa espectro não licenciado nas bandas ISM. Isso significa que a NB-IoT se beneficia da segurança e confiabilidade das redes celulares, enquanto a LoRa oferece mais flexibilidade, já que qualquer pessoa pode implantar sua própria rede LoRa.
A NB-IoT também apresenta menor latência e maior taxa de transferência do que a LoRa. No entanto, a LoRa tem maior alcance, menor consumo de energia e menores custos de módulos. A LoRaWAN prioriza a minimização do consumo de energia, alcançando até 15 anos ou mais de vida útil da bateria.
NB-IoT vs Sigfox
Sigfox é outra tecnologia LPWAN concorrente que utiliza espectro não licenciado nas bandas de rádio ISM. Ela utiliza modulação de banda ultra estreita para fornecer comunicações de longo alcance com consumo mínimo de energia.
Uma diferença fundamental entre NB-IoT e Sigfox é que o NB-IoT possui maior largura de banda, taxas de dados mais altas e menor latência em comparação ao Sigfox. O NB-IoT pode oferecer taxa de transferência de até 250 kbps com latência inferior a 10 s. O Sigfox tem taxa de transferência máxima de 100 bps e uma latência típica de 1 a 30 s. A transferência de dados também não possui canal de retorno para os dispositivos.
No entanto, o Sigfox apresenta algumas vantagens em termos de simplicidade e cobertura global. As redes Sigfox são mais fáceis de implementar e já alcançaram ampla cobertura global. A cobertura NB-IoT depende da expansão de redes LTE celulares, portanto, pode ser mais limitada.
| NB-IdC | LTE-M | Lora | Sigfox | |
| Padronização | 3GPP | 3GPP | Aliança LoRa | ETSI |
| Largura de Banda | 200 KHz | 1.4 MHz | 250 KHz | 100 Hz |
| Frequência | Licenciado | Licenciado | Sem licença | Sem licença |
| Taxa de transferência de dados | ＜ 250 kbps | ＜ 1Mbps | ＜ 10 kbps | ＜ 100bps |
| Latência | Suporte: | Baixo | Suporte: | Suporte: |
| Gestão de Mobilidade | ❌ | ✔ | ✔ | ✔ |
| Cobertura Estendida | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ |
| Consumo de energia | Médio Baixo (maior que LoRa) | Médio (superior ao NB-IoT) | Muito baixo | Baixo |
| Redes privadas possíveis | Não | Não | Sim | Não |
| Custo do módulo | $ 7-12 | $ 10-15 | $ 9-12 | $ 5-10 |
| Custo de rádio | $ | $$$ | $ | $ |
Perguntas frequentes sobre NB-IoT
Existe alguma taxa para usar a IoT de banda estreita?
Sim – os planos de dados são adquiridos de operadoras de celular, assim como os de smartphones. No entanto, devido ao tamanho reduzido dos pacotes, os custos podem ficar bem abaixo de US$ 1 por aparelho mensal. As tarifas variam entre as operadoras com base em fatores como número de dispositivos e uso de dados.
A NB-IoT está focada na eficiência energética?
Com certeza – a vida útil da bateria pode ser superior a 10 anos, permitindo terminais totalmente alimentados por bateria. Combinado com uma cobertura aprimorada, isso possibilita aplicações que antes não eram possíveis.
Qual é a taxa de latência das transmissões de IoT de banda estreita?
A maioria das transferências de dados é concluída em 1 a 10 segundos. Para necessidades sensíveis a atrasos inferiores a 1 segundo, o LTE-M é provavelmente a melhor opção.
