与高通/华为/爱立信有渊源,刨根问底NB-IoT背后的故事

夜隼0082017-08-02 08:58

6月中旬工信部发文全面推进移动互联网(NB-IoT)的建设发展,让本就蓄势待发的NB-IoT市场,变得一触即发。作为全球NB-IoT主导方之一,国内有运营商及设备商很多都参与了NB-IoT的标准制定。

物联网无线通信技术很多,一类是局域网组网技术,一类是广域网组网技术,为何NB-IoT成为物联网时代那颗最亮的星,且没有之一。

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局域网组网技术

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广域网组网技术分析

那么本期《趣科技》我们就来刨根问底,看看NB-IoT到底是何方神圣?

NB-IoT诞生史

低功耗广域网(LPWAN)有两大家族,一个是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等,一个是工作于授权频谱下,3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术。面对兴起的物联网技术,3GPP主要有三大标准,即LTE-M、EC-GSM和NB-IoT,分别基于LTE演进、GSM演进和Clean Slate技术。

2015年8月,3GPP RAN开始立项研究窄带无线接入全新的空口技术,称为Clean Slate CIoT。

那时,存在两大势利,华为、高通和Neul联合提出NB-CIoT,爱立信、诺基亚等厂家提出NB-LTE。

NB-CIoT提出了全新的空口技术,相对来说在现有LTE网络上改动较大,但NB-CIoT是提出的6大Clean Slate技术中,唯一一个满足在TSG GERAN #67会议中提出的5大目标(提升室内覆盖性能、支持大规模设备连接、减小设备复杂性、减小功耗和时延)的蜂窝物联网技术,特别是NB-CIoT的通信模块成本低于GSM模块和NB-LTE模块。

NB-LTE更倾向于与现有LTE兼容,其主要优势在于容易部署。

最终,在2015年9月的RAN #69会议上经过激烈的PK,NB-CIoT与NB-LTE融合产物胜出,这就是NB-IoT。

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NB-IoT全名Narrow Band Internet of Things,即基于蜂窝窄带物联网。

推动NB-IoT问世以及驱动其落地的背后因素是什么?

2G到4G,通信的核心是人。而随着4G的发展,“物”也成为了一大核心,这始于物联网的推动。移动通信网络的发展出现了分支,一边是大流量、一边是小数据,一边是移动宽带、一边是物联网时代。

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3GPP专门为了IoT设计了cat0终端MTC,但是带宽还是20M,成本、耗电等都降不下来,因此R12阶段就被“下课”;随后,在R13阶段设计了cat M终端,带宽缩小到1.4M,成本、耗电等问题得到一定解决,但在R13也冻结了eMTC的研究,转而走NB-IOT路线了。

四大特点解读

NB-IoT的特点就是广覆盖、低功耗、低成本、大连接。

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广覆盖

NB-IoT可做到164 dB MCL(最大耦合损耗即从基站天线端口到终端天线端口的路径损耗),比GPRS强20dB。NB-IoT要做到比GSM覆盖增强20dB,列出了一个自身“潜力”公式:

20 dB =7 dB(功率谱密度提升)+ 12 dB(重传增益)+ 0-3 dB (多天线增益)

那么其大招也就显而易见了:

- 提升功率谱密度,增益为7 dB

NB-IoT上行功率谱密度增强17dB,考虑GSM终端发射功率最大可以到33dBm,NB-IoT发射功率最大23dBm,所以实际NB-IoT终端比GSM终端功率谱密度高7dB。

- 反复重传,增益一般为12 dB

- 多天线增益,一般为0-3 dB

当然有利也有弊,在拥有物联网组网面积非常广的优势下,传输速度与传输的频率成了牺牲品。

低功耗

要做到低功耗,NB-IoT采取的策略很简单,就是能有多懒就做到多懒。eDRX和PSM是NB-IoT的两大省电技术。

DRX(Discontinuous Reception),又称不连续接收,eDRX意味着扩展DRX周期,终端可睡更长时间。这就是终端睡觉的“依据”,又分为idle DRX、connect DRX、inactive timer三种模式。DRX让终端周期性的进入睡眠状态,不用时刻监听网络,只在需要的时候进行工作即可。

在idle 模式下,使用DRX去监听寻呼消息。终端在一个 DRX 的周期内,通过判断 PDCCH 上是否携带有 P—RNTI,进而去判断相应的PDSCH 上是否有承载寻呼消息。如果在 PDCCH 上携带有 P-RNTI,就按照 PDCCH 上指示的 PDSCH 的参数去接收 PDSCH 物理信道上的数据;而如果终端在 PDCCH 上未解析出 P-RNTI,则无需再去接收 PDSCH 物理信道,就可以依照 DRX 周期进入休眠。

connect DRX模式可以理解为终端根据实际情况判断能否忙里偷闲睡个觉,看个图也许就能明白。

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终端在时间轴上划分为激活期(On duration Timer)需要像打了鸡血一样工作,而休眠期就是“Long Drx Cycle” 减去 “On duration Timer”,于是就有了忙里偷闲的机会。

RRC inactive timer即主动让终端休息去的机制,用通俗的话来讲就是,活干完的早就可以早下班的弹性工作制。

PSM(Power Saving Mode),即省电模式。在PSM模式下,相当于关机状态,所以更加省电。

低功耗是所有通讯追求的目标,但NB-IoT使用的是AA电池,但是这对电池的寿命和使用环境的要求也相应增高。看来供电技术的后援还需要跟上啊!

低成本

在降低成本方面NB-IoT精打细算,通过减少协议栈处理开销与不必要的硬件的方式达到目的,即舍弃了LTE物理层的上行共享信道、物理混合自动重传请求或指示信道等,并采用单天线和FDD半双工模式以降低RF成本。

同样,低速率与低带宽意味着芯片处理复杂度降低,芯片成本随之降低,因此模块成本小于5美元、2020年实现2-3美元,是非常诱人的。

大连接

最后就要说说大连接了,NB可谓是海量连接,每小区可达50K连接,那么这也表明在同一基站下,NB-IoT可以比现有无线技术提供50~100倍的接入数。

单小区50K用户是如何实现?

NB-IoT的基站是基于物联网的模式进行设计的, 话务模型是终端很多,但是每个终端发送的包小,发送包对时延的要求不敏感。可以设计更多的用户接入,保存更多的用户上下文,这样可以让50k左右的终端同时在一个小区,大量终端处于休眠态,但是上下文信息由基站和核心网维持,一旦有数据发送,可以迅速进入激活态。这是根本原因。

大连接是物联网的终极目标,但是面对NB-IoT这样窄带的空中资源来说,大连接也暴露出一大弊端,就是拥塞,也因此影响大连接的优势。

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关于NB-IoT我们这期《趣科技》就说这么多,下期我们来解析一下NB-IoT与LoRa的巅峰对决。与此同时,与非网本周也将推出NB-IoT版《芯榜单》看看这个圈里的大佬人物都是何许人也。

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