NB-IoT技术概要及应用
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一、物联网的差异化需求

个人无线通信业务,如手机、平板电脑等,使用者对网络质量的要求通常是:玩网络游戏时,时延要低;下载文件或看网络视频时,速度要快;打电话要流畅,发短信不能掉包。于是,终端供应商和运营商只需要提供满足这类需求的单一化产品即可。

 不同于个人通信业务,物联网的行业应用极其广泛,各领域对信息的采集、传递、计算质量要求差异很大;系统和终端部署的环境也各不相同,进而导致物联网的无线连接需求多样化、个性化。

NB-IoT技术概要及应用

  物联网应用场景举例

物联网需求的差异化,主要体现在网络速度、终端功耗、覆盖范围、使用成本、连接数量等方面。以网络速度为例,辅助驾驶类的智能交通应用,要求速度快,时延低;而水、电、煤等表计一般固定安装或部署在室外,大都依赖电池的长期供电,导致智能抄表这类应用更在乎终端功耗高低,且由于上、下行数据包较小,它们往往对网速及时延要求并不高。

       LPWAN(Low Power Wide Area Network,低功耗广域网)是针对低功耗、广覆盖的应用场景而提出的一类技术,NB-IoT(Narrow Band Internet of Thing,基于蜂窝的窄带物联网)是其中的一种,适用于分布广泛、数据量大、功耗较低、小包传输、成本低廉的物联网终端设备。

二、NB-IoT的标准博弈

        NB-IoT无线通信技术标准演进的时间节点如下:

2013年,沃达丰携手华为开始了新型通信标准的研究,并称该通信技术为“NB-M2M”;

2014年3月,GERAN62号会议上3GPP成立新的研究项目组“FS_IoT_LC”,主要研究新型无线电接入网系统,“NB-M2M”成为了该项目研究方向之一。同年4月,高通公司提出了“NB-OFDM”的技术方案;

2015年5月,“NB-M2M”和“NB-OFDM”两个方案融合成为“NB-CIoT”:通信上行采用FDMA多址方式,而下行则采用OFDM多址方式;

2015年7月,爱立信联合中兴、诺基亚等公司,提出了“NB-LTE”的技术方案;

2015年9月,3GPP组织平衡了各方的利益,将两大技术方案“NB-CIoT”和“NB-LTE”进行了融合,并对统一后的标准工作进行了立项,称为“NB-IoT”;

2016年6月,NB-IoT的核心标准作为物联网专有协议,在3GPP Rel-13冻结。同年9月,NB-IoT性能部分的标准制定完成。2017年1月,NB-IoT一致性测试部分的标准制定完成。

三、NB-IoT的关键技术

对了适应特定物联网应用场景的需求,NB-IoT在原有4G网络上进行了技术优化,对网络特性和终端特性进行了适当地平衡。使得NB-IoT技术具有以下技术优势:

NB-IoT技术概要及应用

广覆盖:与GPRS或LTE相比,NB-IoT最大链路预算提升了20dB,相当于提升了100倍;

低功耗:NB-IoT可以实现设备一直在线,并通过核心网业务简化、更长的寻呼周期及终端进入PSM模式等机制达到省电目的;

低成本:低速率、低带宽将带来终端的低复杂度,进而降低终端成本。同时,NB-IoT技术基于蜂窝网络,可直接部署在现有的LTE网络之上,使得运营商的建网成本较低;

大连接:NB-IoT基站的单扇区可支持5万个终端与核心网连接,较现有2/3/4G移动网络有50~100倍的用户容量提升;

授权频谱:NB-IoT工作在授权频谱,较非授权频谱而言具有很强的优越性;

安全性:NB-IoT继承了4G网络安全的能力,支持双向鉴权和空口严格的加密机制,确保用户终端在发送接收数据时的空口安全性。

(一)NB-IoT的网络部署方式

            NB-IoT支持三种网络部署模式:独立部署、保护带部署和带内部署。

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                                               NB-IoT支持三种网络部署模式

独立部署:利用独立的新频段或空闲频段进行部署,不与现行的LTE网络形成干扰,如“GSM频段重耕”即属于独立部署模式;

保护带部署:利用LTE频谱边缘的保护频段进行部署,使用较弱的信号强度,最大化利用频谱资源。只有原LTE需满足频段带宽要大于5Mbit/s时,才能使用这种部署模式,以避免LTE和NB-IoT之间的信号干扰;

带内部署:利用LTE载波中间的某一个频段进行部署。为了避免干扰,3GPP要求该模式下NB-IoT频谱和相邻的LTE资源块的功率谱密度不得超过6dB。 

        除了独立部署模式外,另外两种部署模式都需要考虑和原LTE系统的兼容性,部署的技术难度相对较高,网络容量相对较低。

(二)NB-IoT的覆盖增强

为了增强信号覆盖,在NB-IoT的下行无线信道上,网络系统通过“重传机制”及终端对重复接受的数据进行合并,来提高覆盖能力。但数据重传会导致时延增加,从而影响信息传递的实时性。

 在NB-IoT的上行信道上,同样也支持无线信道上的数据重传。此外,依靠PSD(Power Spectrum Density Boosting,功率谱密度)增强,终端信号将在更窄的LTE带宽载波中进行发送,可以实现单位频谱上的信号增强,进而增加信号的覆盖能力和穿透能力。

在保障覆盖的前提下,为了进一步提高系统的容量、节省终端电池耗电和降低业务时延,NB-IoT还根据信号覆盖的强度划分了不同的覆盖等级,不同覆盖等级的信道采用不同的调制编码方案和不同的重复寻呼方案,即“覆盖等级寻呼”。通过引入PTW(Paging Time Window,寻呼传输窗),允许网络在一个PTW内多次寻呼终端,并根据覆盖等级调整寻呼次数,进而实现“寻呼优化”。

(三)NB-IoT的低功耗

 NB-IoT在LTE系统的DRX(Discontinuous Reception,非连续接收)工作模式上进行优化,衍生出两类新的工作模式:PSM(Power Saving Mode,功耗节省模式)和eDRX(Enhanced Discontinuous Reception,增强型非连续接收模式)。用户终端可在这两类省电模式任一下进行工作,以降低电源消耗并延长电池寿命。

(四)NB-IoT的核心网业务简化

NB-IoT系统网络架构和LTE系统网络架构相同,都称为EPS(Evolved Packet System,演进的分组系统)。针对物联网业务需求的特点,NB-IoT的EPC(Evolved Packet Core,核心网)中定义了两种优化方案:

UP(User Plane,用户面)模式

CP(Control Plane,控制面)模式

(五)NB-IoT的低成本

对于物联网终端海量部署的特性,其使用成本最直接的反应在了终端的模组成本上。NB-IoT的特性决定其终端不像个人无线通信设备那样复杂,简化的模组电路就能满足物联网通信的需要。

低速率,使得通信模组不需要配置大容量的缓存;低功耗,意味着射频设计的简化;低带宽,则降低了对均衡算法的要求:可以简化盲检次数,减小最大传输块,并简化调制解调编码方式。

NB-IoT Rel-13采用HD-FDD(Half-Duplex FDD,半双工FDD)Typ-B模式,终端不会同时处理发送和接受业务,相对于FD-FDD(Full-Duplex FDD,全双工FDD)减少了双工元器件的配置成本。另外,HD-FDD设计意味着只需多一个切换器就可以改变发送和接收模式,较FD-FDD成本更低廉,能耗更低。           

NB-IoT通信协议栈在LTE的基础上进行了简化,降低了通信单元的软、硬件配置:终端可以使用低成本的专用集成电路来替代高成本的通用计算芯片,来实现协议简化后的功能。这样还能减少通信单元的整体功耗,延长电池使用寿命。

除此之外,运营商的建网成本和产业链的成熟度也将影响NB-IoT的使用成本。由于NB-IoT可直接在原有4G基站上进行升级,无需重新建网,射频和天线能复用,故建网成本投入并不大;同时,目前几乎所有的主流芯片和模组厂商都有明确的NB-IoT支持计划,这将大大推动产业链成熟,降低模组售价。

(六)NB-IoT的大连接

NB-IoT由于对业务时延并不敏感,所以其基站设计成为保障更多的用户接入的模式:保存更多用户的上下文,即使大量终端处于休眠状态,但上下文信息由基站和核心网保管,一旦有数据发送,终端即可迅速进入连接状态。相比2/3/4G通信系统,NB-IoT有50~100倍的上行容量提升。仿真结果显示:每个小区可达到5万个终端设备连接,其中80%的设备为周期上报,20%的设备为网络控制。

(七)NB-IoT Rel-14版本增强

Rel-13版本下的NB-IoT终端主要适用于固定或者低速移动的应用场景下,不支持连接状态下的移动性管理(即不支持基站小区之间的切换),同时也不支持基站定位。但在随后发布的Rel-14版本中,NB-IoT进行了多项功能的增强,其中包括:

定位增强:Rel-14计划做定位增强,支持E-CID(Enhanced Cell ID,增强版的小区标志)、UTDOA(Uplink Time Difference of Arrival,上行到达时间差)或OTDOA(Observed Time Difference of Arrival,观察时间差),以满足智慧物流和可穿戴设备的应用需求;

移动性增强:Rel-14 NB-IoT将支持约300公里/小时的移动速率,以保证业务在移动状态下的连续性;

多载波增强:Rel-13 NB-IoT不支持多载波,为了更好的支持海量连接,Rel-14版本的 NB-IoT对非锚点的载波操作进行了增强,分为对寻呼信道的增强及对随机接入的增强,最多支持16个载波;

多播传输增强:Rel-13 NB-IoT不支持多波,Rel-14 NB-IoT将支持多播传输增强,以满足物联网UE的固件升级、软件升级和组播消息发送等应用场景;

除此之外,Rel-14版本的 NB-IoT还将支持更低的时延和功耗等。

NB-IoT技术概要及应用

四、总结

NB-IoT终端可在满足低功耗的需求下,应用于高密度部署、低频次数据采集的场景(如智能抄表、仓储管理、公共设施的信息采集)或者是长距离通信连接的应用(如农情监控、环保监测)。

 当然,NB-IoT作为一种LPWAN技术,有其先天局限性——它显然不适用于低时延、高可靠性的业务场景(如车联网、远程医疗)。但在物联网技术生态中,没有一种通信接入技术能够完美贴合所有的应用场景,各种接入技术之间必定存在互补。在3GPP RAN#74次会议中,已经同意NB-IoT是将来逐步演进到5G物联网应用的基础,未来NB-IoT必定能够依靠其技术特性在物联网垂直应用领域中占据一席之地。

简介:
一、物联网的差异化需求个人无线通信业务,如手机、平板电脑等,使用者对网络质量...
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