4 NBIoT窄带蜂窝物联网概述 ISSUE100.docx
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4 NBIoT窄带蜂窝物联网概述 ISSUE100.docx
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4NBIoT窄带蜂窝物联网概述ISSUE100
NB-IoT窄带蜂窝物联网概述
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NB-IoT窄带蜂窝物联网概述
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NB-IoT窄带蜂窝物联网概述
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NB-IoT窄带蜂窝物联网概述
●IoT是未来5年全球发展的趋势之一,将带来巨大的商业价值。
2025市场空间11.1万亿
美元(McKinseyGlobalResearch2015)。
●基于运营商网络的蜂窝物联网也将在未来5年获得快速的增长,符合GSMA的预测,未
来5年,蜂窝物联网将增长7倍,到2020年,将有约3billion的联接承载在运营商的网络,
工业(SmartAgriculture、SmartMeter),个人应用(SmartBand、SmartWatch),
智能家庭(SmartBand、SmartWatch),公共事业(AssetTracking、Smart
Parking)等多个方面。
●基于这些巨大的联接,将给运营商带来巨大的商业价值,包括联接的价值,数据的价值
和利益分享的价值。
●覆盖了90%人口,70%地理覆盖的蜂窝网是运营商的最大优势,可以帮助蜂窝物联网迅
速普及,形成全球化的效应,这是其他的任何技术所不能比拟的。
所以基于这种网络去
部署NB-IoT也将形成绝对的优势,帮助运营商进入蜂窝物联网的市场;我们也注意到,
当前运营商的蜂窝物联网份额还是非常小,这是不合理的,背后的原因包括技术和驱动。
基于NB-IoT、eMTC等技术以及产业共同的努力,相信2020年蜂窝物联网将达到30%,
3billion
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NB-IoT窄带蜂窝物联网概述
●NB-IoT:
最大化重用现有网络资产。
最具成本竞争力的LPWA解决方案。
●NB-IoT支持三种部署场景
☐Standalone:
通常是RefarmingGSM的频谱或者使用空闲零散的频谱资源部署NB-
IOT。
☐Guardband:
在LTE的保护带中部署NB-IOT。
☐In-band:
在LTE的RB资源上部署NB-IOT,相应LTE可利用的RB资源会减少。
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●100K连接/扇区,与4G相比提升100x倍。
●深覆盖,20dB+增益,与2G相比多穿透一堵墙。
●2G/3G/4G的芯片是为手机设计的,这意味着芯片处理能力要求更高,包括支持宽带,大数
率,MIMO等,而NB-IOT的芯片是专门为物联网设备设计的,只针对窄带、低速率、并针对
物联网需求只支持单天线、半双工方式,另外简化了信令处理。
通过这样的方式达到芯片
价格到$1的低价。
☐注:
$1是目标成本,目前成本还达不到这么低。
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NB-IoT窄带蜂窝物联网概述
●OneM2M定义了物联网的几个协议,CoAP,MQTT,HTTP,但是MQTT和HTTP是基于
TCP的(面向连接的,先建连接后发数据),时延较大,无法满足NB的诉求,所以针对
NB-IoT只能使用CoAP。
芯片和平台都要实现这个协议。
●COAP(ConstrainedApplicationProtocol):
由于物联网中的很多设备都是资源受限型
的,即只有少量的内存空间和有限的计算能力,所以传统的HTTP协议应用在物联网上
就显得过于庞大而不适用。
IETF的CoRE工作组提出了一种基于REST架构的CoAP协议。
●MQTT(MessageQueuingTelemetryTransport,消息队列遥测传输)是IBM开发的一个
即时通讯协议,有可能成为物联网的重要组成部分。
该协议支持所有平台,几乎可以把
所有联网物品和外部连接起来,被用来当做传感器和致动器(比如通过Twitter让房屋联
网)的通信协议。
●AMQP,即AdvancedMessageQueuingProtocol,一个提供统一消息服务的应用层标准高
级消息队列协议,是应用层协议的一个开放标准,为面向消息的中间件设计。
基于此协议
的客户端与消息中间件可传递消息,并不受客户端/中间件不同产品,不同开发语言等
条件的限制
●微控制单元(MicrocontrollerUnit;MCU),又称单片微型计算机(SingleChip
Microcomputer)或者单片机。
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●架构
☐扁平化,同LTE-SAE
☐支持基于IP的M2M应用
☐支持SingleRAN和Standalone两种部署,满足低成本建站
☐为IoT优化的核心网
●价值
☐最优化终端功耗和成本,扩大蜂窝物联网市场
☐低成本部署站点和网络,提升投资收益
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●NB-IoTRF模块路标
US700(Band12/13)
RRU3269,RRU3249,LRFUe
APT700(Band28)
RRU3268,RRU3262
DD800(Band20)
RRU3220,
RRU3268,LRFUe,
850M(Band5)
RRU3908v2,MRFUv2
RRU3942,RRU3936,MRFUd,RRU3652,RRU3938(Korea)
900M(Band8)
RRU3908v2,MRFUv2
RRU3936,RRU3938,RRU3929,RRU3959,RRU3953,
RRU3928,RRU3926,MRFUd,MRFUe
1800M(Band3)
RRU3936,RRU3971
RRU3630,RRU3632,RRU3632B,RRU3638
RRU3929,RRU3939,RRU3959,RRU3953
SRAN12.0SRAN12.1
●NB-IoT主控板路标
CellNumber
Multi-mode
Capability
Comments
LMPTLTE+NB-IoT18CellsLTE+NB-IoTsupport2modes
UMPTa/UMPTbLTE+NB-IoT36CellsUpto4Modes
UMPTeLTE+NB-IoT144CellsUpto5Modes
support4mode(G/U/LTEFDD/NB-
IoT)onUMPTinSRAN12.0
support5mode(G/U/LTEFDD/NB-
IoT/LTETDD)onUMPTein
SRAN12.1
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●Site:
NB-IoT基带板路标
CellConfiguration(LTE
Only)
CellConfiguration(LTE+NB-IoT)
LBBPd13*20M2T2R3*10M2T2R+3*200kNB-IOT
LBBPd23*20M4T4R3*10M4T4R+3*200kNB-IOT
LBBPd36*20M2T2R3*20M2T2R+3*10M2T2R+3*200kNB-IOT
UBBPd33*20M2T2R3*10M2T2R+3*200kNB-IOT
UBBPd43*20M4T4R3*10M4T4R+3*200kNB-IOT
UBBPd56*20M2T2R3*20M2T2R+3*10M2T2R+3*200kNB-IOT
UBBPd66*20M4T4R3x20M4T4R+3x10M4T4R+3x200kNB-IoT
UBBPe13*20M2T2R3*20M2T2R+3*200kNB-IoT
UBBPe23*20M4T4R3*20M4T4R+3*200kNB-IoT
UBBPe36*20M2T2R6*20M2T2R+3*200kNB-IoT
UBBPe46*20M4T4R6*20M4T4R+3*200kNB-IoT
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NB-IoT窄带蜂窝物联网概述
●从降低TTM的角度出发,部署基于CloudEdge平台的NB-IOT专用分组核心网是最佳的选择:
☐1)使用CloudEdge平台可以做到AllInOneBox(vUSN+vUGW+vHSS),交
付速度快;
☐2)新建的专用网不会对现网造成任何影响;
☐3)基于CloudEdge平台,更容易扩展NB-IOT中的一些新功能,比如CoapProxy
等
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●NB-IoT的部署方式有三种,standalone、guardband和Inband
☐Standalone是指NBIoT载波部署于UMTS/LTE载波外,可以利用多余的频谱资源,
也可以通过refarmingGSM载波获取,通过refarmingGSM频谱部署NB-IoT时,与
周围GSM载波之间需要保留100K保护带。
☐Guardband是指NB-IoT部署在LTE的频谱两侧的保护带内,为避免干扰,与LTE
RB之间需要保留100K保护带,在LTE保护带部署,LTE的带宽至少需要10M。
☐Inband是指NBIoT载波部署在LTE工作带宽内,利用至少1个RB资源发送NB-IoT信
号。
Inband部署,与周边RB之间不需要保护带,但Inband发射功率谱密度最多
只能比LTERB功率谱密度大6dB。
●Guardband/Standalone200kHz,两位各10kHz保护带,实际资源带宽180kHz。
Inband
180kHz。
●下行采用15KHzOFDMA技术,每个信道15KHz,共12个子信道。
●上行支持分为single-tone和multi-tone两种,其中single-tone包括3.75KHz和15KHz两种,
multi-tone为15KHzSC-FDMA。
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●TR23.720
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●Single-Tone功能应该成为NB-IoTUE的基线功能
☐商业成功角度
⏹终端成本低是商业成功的基础,许多物联网的应用要求的是极低成本的
模块
⏹当前NB-IoT的一些功能已经向LTE/eMTC对齐,由此带来的成本上的挑战
已经很大,需要将低成本的Single-Tone方案作成为一个基线功能
☐产业生态角度
⏹Single-Tone技术原理门槛不高,许多之前进行Sub-1GHzunlicensed频谱
收发信机生产的生产商可以将原有技术积累应用到NB-IoT的终端芯片开
发中
⏹采用的物理层基本技术是多是成熟技术(涉及知识产权的问题很少),
可以降低生产商的知识产权纠纷风险
⏹Single-Tone的技术成熟,可以降低之前没有生产过基于小区通信modem
器件的生产商在进行开发生产中的风险
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●Single-Tone技术可以降低终端复杂度
☐支持简单并高能源利用效率的收发信机架构
⏹使用低相位/幅度调制带宽的极化调制器(Polarmodulator)
⏹输出频谱干净,因此减少了使用滤波器造成的额外能耗损失,提高了能
源利用效率
⏹该架构被用于许多低成本Sub-1GHz非小区通信的解决方案中
☐允许高发射功率(23dBm)的PA集成到SoC中
⏹一块SoC应该集成包括PA在内的几乎所有的基线IoT解决方案,这种做法
与BluetoothSmart解决方案类似
⏹Single-tone的PAPR是非常低的,因此可以将PA工作在很高的效率(>55%)
⏹由于集成PA,可以降低封装时PCB的占用面积,这也有利于降低芯片热
损耗
⏹由于Single-tone技术的低调制带宽和低PAPR,采用极化调制方案,未来
可以进一步做到高度集成(通过将幅度调制与PA结合,相位调制与本地
振荡器结合)
●Single-Tone技术对终端的覆盖能力和电池寿命的影响
☐覆盖上不受影响
⏹Single-tone技术的优点就是由于噪声带宽小因此覆盖性能比较好,在最
差的覆盖等级上,UE会采用Single-tone模式进行传输,而且这应该成为
在最差覆盖等级下所有UE的基本传输模式。
☐电池寿命不受影响
⏹在>154dB耦合损耗的场景下,所有UE都应该采用Single-tone的传输模式
以获得相应覆盖和容量性能,所以对于耦合损耗>154dB的场景,电池寿
命是一致的。
⏹对于UE处于低耦合损耗的场景,Single-tone的传输时长就会比Multi-tone
的长,但是采用Single-tone技术的UE可以通过降低发射功率来减少能耗,
因此在相同的IoT业务模型和电池漏电模型下,电池寿命同样是很长的
(>=10年)
●对网络容量的影响
☐在耦合损耗>=154dB的场景
⏹在>154dB耦合损耗的场景下,所有UE都应该采用Single-tone的传输模式,
在这种情况下对网络容量的影响与Multi-tone无关
☐在耦合损耗<=144dB的场景
⏹支持Multi-tone的UE可以采用Multi-tone传输数据,也可以采用Single-tone
传输,使用Single-tone传输的UE发送时间会长,占据时域资源更多。
☐从整体而言,使用Single-tone时,只在中近点(MCL<=144dB)时会有一定影响,
但是总体而言影响不是很大。
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●Multi-Tone功能的定位
☐Multi-Tone功能应该是作为NB-IoT终端的高级扩展功能,用终端成本的提升以获
得较高的传输速率(虽然在绝大多是NB-IoT应用场景下都是低速率的短报文传输
服务)
☐对于Multi-Tone的终端而言,终端的复杂性主要取决于Multi-tone,实现兼容
Single-tone功能是向下兼容,并不会增加UE的复杂度
☐网络侧需同时兼容Multi-tone和Single-tone两种功能以保证两种模式间的互操作
和切换
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●PSDPowerSpectralDensity功率谱密度
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●格式0:
对应0dB覆盖增强场景,一组PRACH资源占用6个组,每组3个符号,对应时域
占用4.8ms;
●格式1:
对应10dB覆盖增强场景,一组PRACH资源占用12个组,每组6个符号,对应时
域占用19.2ms;
●格式2:
对应20dB覆盖增强场景,一组PRACH资源占用120个组,每组6个符号,对应时
域占用192ms。
●MCL:
最大耦合损耗
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●In-bandNB-IoT通过打孔与LTE兼容。
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●1、PSCH用于UE和基站间的同步,同步信号包括NB-PSS(NB主同步信号)和NB-SSS
(NB辅助同步信号)两种。
NB-PSS用于小区检测、子帧和符号级的同步,载波和频率
采样的频率同步;NB-SSS用于无线帧级别时间同步和物理小区指示。
●2、NB-PSS发送周期为10ms,固定在每个无线帧的5#子帧发送。
NB-SSS发送周期为
20ms,固定在20ms周期最后无线帧的9#子帧发送。
●UE与网络进行同步,需要解调NB-PSS和NB-SSS的信息。
则终端需要的最短平均接收时
间为40ms。
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●NB-PBCH主要用于广播MIB消息,周期为640ms,8次重复,固定在每个无线帧的0#发送。
每个80周期内,传输的数据相同,但是编码不同。
●MIB消息长度不超过34bits,加上CRC校验16bits,实际传输数据不超过50bits.
●终端接收MIB消息,需要至少接收80ms。
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●注:
由于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。
●深度覆盖能力主要来源于NB-IOT技术天然的优势:
窄带
●物联网设备发送的数据包是非常小的,通常在几个到几百个byte之间,而无论是GSM还
是LTE也好,都是面向语音数据等宽带业务的,所以对于终端的数据包请求分配的资源
是较大的,例如GSM和LTE是以180kHZ的频谱资源颗粒来分配的。
但是终端的功率又是
恒定的,例如200mW,这样当这些数据在一些宽带的资源上发送,这200mW的功率不
得不分配到180kHz的带宽上,平均的功率就会较低。
●而NB-IOT分配资源的颗粒是5kHz,这个带宽能承载达几Kbps速率的业务,对于物联网
业务以及足够。
而另一方面,对于终端的200mW功率,是在仅仅5kHz的带宽上发送,
所以平均功率会高很多。
●通过窄带可以获得17dB的增益,另外通过重传技术(相同的数据包重复传输若干次)
获得额外的9~12个dB(8到16次重传)的覆盖增益。
●在无线规格上最终NB-IOT将超过GSM、LTE等20+dB的覆盖能力,这意味着对于室内覆
盖,能够多穿透1至2堵墙,那么部署在墙内或地下室的物联网设备完全不需要额外的
站点加密就能获得良好覆盖。
对于室外情况也类似,一些部署在地底的设备可以轻松覆
盖。
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●还有上行4Rx,CoMP等技术可以用于提升覆盖性能。
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1、链路预算出处:
协议45.820-d00
GPRS:
下行:
P464TableB.1:
LinkbudgettableforlegacyGPRSdownlink
上行:
P465TableB.2:
LinkbudgettableforlegacyGPRSuplink
LTE:
协议36.888
P12Table5.2.1.2-2:
MCLcalculationfornormalLTEFDD(seeNote1)
NB-IoT:
standalone:
P6R1-156800DownlinkPerformanceEvaluationsforStandaloneOperation
guardband:
P4R1-156801DownlinkPerformanceEvaluationsforGuard-bandOperation
Inband:
P5R1-156802DownlinkPerformanceEvaluationsforIn-bandOperation
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●基于NBIoT技术,物联网终端在发送数据包后,立刻进入一种休眠状态,不在进行任何
通信活动,等到它有上报数据的请求的时刻,它会唤醒它自己,随后发送数据,然后又
进入睡眠状态。
按照物联网终端的行为习惯,将会达到99%的时间在休眠状态,使得功
耗会非常低。
●UE进入PSM模式后,只有在UE需要发送MO数据,或者周期TAU/RAU定时器超时后需要
执行周期TAU/RAU时,才会退出PSM模式。
因为UE不监听系统消息,即使UE移动导致
TA/RA变化,也不会退出PSM模式。
●PSM的缺点主要是对MT业务响应不及时。
主要应用于表类等对下行实时性要求不高的
业务
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●节电技术针对非时延敏感类终端业务优化了更长的休眠周期。
MME根据UE业务类型
(APN)决定周期长度。
●LTE寻呼DRX周期目前最大是2.56s,而eDRX周期最大为2
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