NB-IoT ou Narrow Band - IoT é uma tecnologia de LPWAN (Low Power Wide Area Network) muito promissora para larga utilização em dispositivos de sensoriamento que utilizam o conceito de Internet das Coisas - Iot(Internet of Things) para seu desenvolvimento.

A tecnologia do NB-IoT foi apresentada inicialmente e padronizada em 13 de Junho de 2016 pela Third-Generation Partnership Project(3GPP) como uma tecnologia de comunicação wireless, já em 2019, a rede de operação foi lançada por 140 operadores em 69 países.

NB-IoT consiste em uma otimização da banda passante e da energia durante a comunicação, atualmente existem alternativas como 3G,4G, LoRa, que são de fato implementadas em projetos no mercado, porém a tecnologia NB-IoT vem com a proposta de ser uma alternativa a essas tecnologias já existentes, e esta se mostra muito promissora pois utiliza a infraestrutura já existente das redes moveis.

O protocolo utiliza a infraestrutura de antenas e sistema de comunicação da tecnologia 4G e 5G, assim, conforme a cobertura aumenta, maior a cobertura disponibilizada para os dispositivos que utilizam NB-IoT. Este ponto se mostra como uma enorme vantagem pois ampliar a cobertura de 5G é uma das prioridades das operadoras para que os celulares tenham acesso a redes de altas velocidades reduzindo latência e entregando melhor qualidade de conexão para os seus usuários, assim, amplia também a cobertura disponível para o protocolo NB-IoT.

Recentemente, seguindo no avanço de comunicações otimizadas entre dispositivos IoT, a operadora Vivo disponibilizou para as empresas que atuam nesse setor um plano M2M - Machine to Machine, onde é possível utilizar de planos de Internet otimizados para pacotes mais enxutos de dados, o que é comum em dispositivos como sensores e atuadores, assim, traduz-se, comumemente em um plano de comunicação teoricamente mais otimizado para um projeto que envolva essa peculiaridade.

Traz-se a importância também do cenário de desenvolvimento de novas tecnologias e novos produtos, placa de desenvolvimento e controladores mais acessíveis aos engenheiros e desenvolvedores de hardware. Pontuo o cenário de expansão de placas como Arduino e Raspberry Pi que estimulam e incentivam o mercado de sensoriamento e a temática de Internet das Coisas. É comum, equipes de prototipagem e design de hardware se basearem, inicialmente, seus testes em placas de desenvolvimento que são facilmente adquiridas no mercado e genéricas a ponto de, utilizar para múltiplos projetos, assim que estes vão evoluindo de etapa de desenvolvimento.

Os sensores comumemente necessitam de implementações que consuma pouca bateria, algumas aplicações utilizam células de bateria que precisam durar anos, desta forma, o consumo de potência é um requisito chave para que o projeto seja bem sucedido. Aliado a este requisito, utilizar um protocolo de comunicação e controladores/processadores com baixo consumo, na ordem até de nanoWatt ou microWatt, podem ser um recurso-chave para que as aplicações tenham êxito. Desta forma, o NB-IoT, por ser um protocolo que otimiza a comunicação configurando o tamanho do pacote e a temporização com que os dados serão enviados, o mercado de sensoriamento tem aplicado com forte recepção tal protocolo, chegando a 47% de utilização dentre os protocolos LPWAN em 2021.

Algumas das vantagens que o protocolo NB-IoT oferece são: Custo do módulo, geralmente, menor que U$5, cobertura estendida de perda máxima de acoplamento de 164dB, duração de bateria de mais de 10 anos, ~55000 dispositivos por célula, latência de report de uplink de menos de 10segundos. NB-IoT suporta comunicação Half-Duplex com pico de transmissão de 60kbit/s no modo uplink e 30kbit/s no modo downlink, pode ser considerado uma velocidade baixa quando comparado a outros protocolos de comunicação porém, o envio de dados dos dispositivos IoT incluem banda passante otimizada suficientemente pequena para que a taxa de transmissão seja suficiente e ideal para baixo consumo de bateria. O protocolo possui um MTU de 1600 bytes limitado pela camada PDCP, que é a camada mais alto nível no plano de usuário.

Qualquer pacote com tamanho superior ao tamanho do MTU pode ser passado para o NB-IoT em pilha de camadas superiores, a segmentação do pacote é realizada na camada RLC, que pode segmentar os dados em blocos de transmissão com tamanho de 16 bits. Como o nome sugere, o NB-IoT usa bandas estreitas com largura de banda de 180 kHz tanto no downlink quanto no uplink. O modo de múltiplo acesso usado no downlink utiliza multiplexação OFDMA com espaçamento de subportadora de 15 kHz. No uplink, é utilizada a multiplexação SC-FDMA single tone com espaçamento de 15 kHz ou 3.75 kHz, ou opcionalmente, o SC-FDMA multiple tone pode ser usado com espaçamento de 15 kHz.

Em relação aos modos de deploy dos dados que são enviados, existem três modos: Standalone, Guard-band e In-band. O modo StandAlone O NB-IoT pode ser implantado de três maneiras. A implantação In-band significa que a banda estreita é implantada dentro da banda LTE e recursos de rádio são compartilhados de forma flexível entre NB-IoT e operadora LTE normal. Na implementação Guard-band, a banda estreita usa os blocos de recursos não utilizados entre duas operadoras LTE adjacentes. A implantação Standalone também é suportado, onde a banda estreita pode ser localizada sozinha em dedicado espectro, o que possibilita, por exemplo, ressignificar um GSM portadora em 850/900 MHz para NB-IoT. Todos os três modos de implantação são usados em bandas de frequência licenciadas.

A potência máxima de transmissão é 20 ou 23 dBm para transmissões de uplink, enquanto para downlink transmissão os módulos podem usar maior potência de transmissão, até 46 dBm dependendo da implantação. Uma meta de perda máxima de acoplamento (MCL) para aprimoramentos de cobertura NB-IoT definido pelo 3GPP é de 164 dB. Com este MCL, o desempenho do NB-IoT no downlink varia entre 200 bit/s e 2-3 kbit/s, dependendo do modo de implantação. A operação standalone pode atingir os dados mais altos de até kbit/s, enquanto as operações in-band e guard-band pode atingir várias centenas de bps.Vale ressaltar também que O NB-IoT pode até operar com um MCL superior a 170 dB com taxas de bits muito baixas.

O Brasil já possui um ambiente regulatório favorável à operacionalização dos dispositivos de IoT na faixa de radiofrequências entre 800 e 1.900 MHz, baseada nas especificações de NB-IoT do 3GPP. (Cartilha Orientativa Iot : Anatel/Brasil)

Após o firmware e o hardware desenvolvido, o projeto precisará da definição da operadora que será utilizada, neste caso, recomenda-se a verificação da disponibilidade de antenas e potência do sinal no local que será implementado, a cobertura de redes 4G e 5G já garantem o funcionamento do NB-IoT visto que o espectro de frequência e a banda que é utilizada opera em cima da mesma tecnologia. A TIM, Vivo e Claro hoje já operam com NB-IoT no Brasil e o cenário é de expansão de cobertura visto que o protocolo está cada vez mais popular, estima-se que será o protocolo mais utilizado nos próximos anos e a cobertura de 5G, tecnologia mais recente que vem sendo ampliada a cobertura nas cidades traduz que a cobertura do protocolo também irá acompanhar a expansão.

Para prolongar a vida útil da bateria do dispositivo, o modo de economia de energia (PSM) e DRX estendido (eDRX) estão disponíveis para NB-IoT. Com eDRX, o RRC(Radio Resource Control) O ciclo DRX do modo conectado é de até 10,24 segundos; em RRC ocioso, o ciclo eDRX pode ser de até 3 horas. No PSM, o dispositivo está em um profundo estado de suspensão e só acorda para relatórios de uplink. Depois de relatórios, há uma janela (configurada pela rede) durante a qual o receptor do dispositivo está aberto para conectividade de downlink ou para sinalização "keep-alive" periódica (PSM usa sinalização TAU periódica com janelas de recepção adicionais para acessibilidade de downlink). Como o NB-IoT opera em um espectro licenciado e não possui canal restrições de acesso permitindo um ciclo de trabalho de até 100%.

Baixo consumo de energia: O NB-IoT foi projetado para operar com eficiência energética, permitindo que os dispositivos IoT tenham uma vida útil prolongada com baterias de longa duração. Ele incorpora técnicas de economia de energia, como a ativação e desativação periódicas de transmissão de dados e o uso de modulação de energia para reduzir o consumo de energia durante a comunicação.

Cobertura estendida: O NB-IoT oferece uma cobertura aprimorada em relação às tecnologias celulares tradicionais. Ele utiliza frequências de rádio de baixa potência e apresenta maior sensibilidade de recepção de sinal, o que permite uma melhor cobertura em áreas remotas ou com sinal fraco. Além disso, o NB-IoT pode penetrar facilmente em edifícios e estruturas, garantindo uma conectividade confiável.

Baixa taxa de dados: O NB-IoT suporta taxas de dados relativamente baixas, adequadas para aplicações de IoT que exigem transmissão esporádica de pequenas quantidades de dados. Ele foi otimizado para lidar com sensores e dispositivos que enviam atualizações periódicas, como leituras de sensores, informações de status ou dados de localização.

Escalabilidade: O NB-IoT é altamente escalável e suporta uma grande quantidade de dispositivos IoT conectados simultaneamente. A arquitetura do NB-IoT foi projetada para atender aos requisitos de implantações em larga escala, como cidades inteligentes e redes de sensores industriais.

Segurança: O NB-IoT incorpora recursos de segurança robustos para proteger as comunicações e os dados transmitidos. Ele utiliza criptografia e autenticação para garantir a confidencialidade e integridade dos dados e prevenir ataques maliciosos.

O NB-IoT oferece uma conexão de longo alcance e excelente penetração de sinal, tornando-o adequado para uma ampla gama de aplicações. Algumas das principais aplicações do NB-IoT incluem:

•Monitoramento e rastreamento de ativos: O NB-IoT pode ser usado para rastrear e monitorar ativos em tempo real. Isso é especialmente útil para empresas que possuem equipamentos ou mercadorias distribuídas em locais remotos, permitindo o monitoramento de movimentação, condições ambientais e segurança desses ativos.

•Medidores inteligentes: O NB-IoT é amplamente utilizado na implementação de redes de medidores inteligentes para eletricidade, água e gás. Ele permite a leitura remota e em tempo real dos medidores, eliminando a necessidade de visitas físicas aos locais para coleta de dados.

•Agricultura inteligente: O NB-IoT é aplicado em soluções de agricultura inteligente para monitorar e otimizar o uso de recursos agrícolas, como irrigação, temperatura do solo, umidade e condições climáticas. Isso ajuda os agricultores a tomar decisões informadas para aumentar a eficiência e a produtividade.

•Cidades inteligentes: O NB-IoT desempenha um papel importante na criação de cidades inteligentes, permitindo a conectividade de dispositivos e sensores em várias aplicações, como iluminação pública inteligente, gerenciamento de resíduos, estacionamento inteligente e monitoramento da qualidade do ar.

•Saúde conectada: A tecnologia NB-IoT é usada para monitorar pacientes à distância, especialmente aqueles que precisam de cuidados contínuos ou estão em áreas remotas. Ela permite a coleta de dados de saúde, como sinais vitais, e o envio dessas informações para os profissionais de saúde, garantindo um acompanhamento adequado.

•Logística e cadeia de suprimentos: O NB-IoT é utilizado para rastrear e monitorar o transporte de mercadorias ao longo da cadeia de suprimentos. Isso ajuda a melhorar a visibilidade e o gerenciamento da cadeia logística, permitindo um rastreamento preciso em tempo real e garantindo a integridade dos produtos.

Essas são apenas algumas das principais aplicações do NB-IoT. Essa tecnologia está sendo cada vez mais adotada em diferentes setores, impulsionando a expansão da IoT e proporcionando soluções mais inteligentes e eficientes.