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与高通/华为/爱立信有渊源,刨根问底NB-IoT背后的故事

2017/08/02
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阅读需 26 分钟
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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。

局域网组网技术

 

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。

 

 

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。

 

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。


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。

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。


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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华为创立于1987年,是全球领先的ICT(信息与通信)基础设施和智能终端提供商。目前华为约有19.7万员工,业务遍及170多个国家和地区,服务全球30多亿人口。华为致力于把数字世界带入每个人、每个家庭、每个组织,构建万物互联的智能世界:让无处不在的联接,成为人人平等的权利,成为智能世界的前提和基础;为世界提供最强算力,让云无处不在,让智能无所不及;所有的行业和组织,因强大的数字平台而变得敏捷、高效、生机勃勃;通过AI重新定义体验,让消费者在家居、出行、办公、影音娱乐、运动健康等全场景获得极致的个性化智慧体验。收起

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