细说NB-IoT为何如此优秀的原因

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今天班妹来跟大家分享下NB-IoT那些基础知识。
绝对的超级大干货,不枉费大家的等待。

闲话少叙,今日重点:
 
一、 NB-IoT的行业应用
二、 NB-IoT为什么可以实现海量连接?
三、 NB-IoT为什么可以实现深度覆盖?
四、 NB-IoT为什么可以实现低功耗?
五、 小结

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 NB-IoT的行业应用

1、NB-IoT的基本应用架构模型

NB-IoT终端产品数据交互的基本应用架构模型如图1:(行业应用不同时,其架构可能稍有不同)
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图1
 
其数据交互的过程为:
 
NB-IoT终端产品(模组/芯片)将数据发送至NB-IoT网络,NB-IoT网络再将数据传至IoT平台,IoT平台再将数据转发到业务平台进行处理;反之亦然,NB-IoT终端与业务平台的数据交互过程如下:

NB-IoT终端(模组/芯片)<->  NB-IoT蜂窝网络 <-> IoT平台 <-> 业务平台
 
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2、NB-IoT的典型应用举例

 根据不同典型行业的业务特征,其行业应用可基本分为:数据上报类、移动跟踪类、下行控制类。
 
1)数据上报类应用
 
其应用特征是NB-IoT终端产品主动发起业务,进行数据上报,主要应用在实现检测功能的传感器网络中。根据实际应用,数据的上报形式可分为周期型上报和突发型上报:
 
周期型数据上报主要应用于对某事物/设备/环境的长期检测,以保证设备的长期稳定运行,比较典型的应用有智能抄表(水、电、汽、热)、空气检测、智慧农业等。
 
突发型数据上报主要应用在通过检测某一件事情的发生,从而根据该事情进行判断并执行某一项针对性动作,比较典型的应用有智慧停车,通过地磁传感器检测车辆是否停在车位,以实现开始计费;火情检测,通过烟雾传感器检测烟雾状况,从而判断是否有火情发生,并进行及时报警。
 
2)移动跟踪类应用
 
其应用特征是通过NB-IoT网络实现NB-IoT终端产品移动和位置跟踪,比较典型的应用为共享单车。
 
3)下行控制类应用
 
其应用特征是用户通过NB-IoT网络实现对NB-IoT终端产品实现远程操作,比较典型的应用为智慧路灯、白色家电。
 
3、目前应用上的一些缺陷

NB-IoT技术的海量连接、深度覆盖、低功耗优势明显,但目前也存在部分的缺陷,如NB-IoT网络在使用基站定位应用上的精度差,延时大(延时高达10s,实时性差)、无法支持TCP协议、不支持高速移动态连接应用等;且其功耗低的特点是建立在数据上报的频度上,通过长时间的“罢工”来换取的等。
 
现实中没有一种技术能够适用所有应用场景,需在了解该技术长短处之后,针对场景进行最适合的方案选型可能才是解决之道。
 
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NB-IoT为什么可以实现海量连接?
 
5万用户/小区的海量连接特性,一方面依靠优化的技术,另一方面则是因为低频次、小数据包的应用场景,技术的优化则体现在如下方面:

1、NB-IoT使用窄带技术

NB-IoT 上行载波带宽仅为3.75/15KHz,相比现有 2G 上行200KHz以及4G 180KHz的PRB(物理资源块)带宽,等效功率提升,大大提升信道容量 。
 
2、NB-IoT减小了空口信令开销,提升了频谱使用效率
 
3、NB-IoT基站侧进行了优化

使用了独立的准入拥塞控制,以及终端的上下行信息存储
 
4、NB-IoT的核心网进行了优化

可实现终端上下行信息存储,且下行数据缓存

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NB-IoT为什么可以实现深度覆盖?
 
3GPP 标准组织对NB-IoT协议进行了定义,要求相比现有GSM、宽带 LTE 等网络覆盖要增强 20dB+。(20dB只是大概数字)
 
而根据 3GPP 标准定义,NB-IoT 的上行 MCL 为-164dBm,GSM、宽带LTE网络的上行MCL均为为-144dBm,因此所谓的20dB增益是相比GSM和现有LTE网络而言的,该增益=PSD(功率谱密度)增益+重发增益。

 
那NB-IoT是否拥有比其他制式的无线蜂窝技术高20dB的增益,相较于其他技术,是不是都高20db,上行和下行是否又不同呢?
 
说明:

MCL:Maximum Coupling Loss,最大耦合损失。是指接收端为了能正确地解调发射端发出的信号,整个传输链路上允许的最大路径损耗(dBm)。
 
PSD:power spectral density,功率谱密度。表示每单位频率波携带的功率(W/Hz)。

1、NB-IoT拥有更高的功率谱密度

班妹先带大家了解下NB-IoT、GSM、LTE等几种技术的功率谱密度:
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参考如下图2
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图2

2、更多重传次数带来HARQ增益(重发增益)

相比传统蜂窝制式,NB-IoT支持更多次数的重传。重传次数每翻一倍,速率就会减半,同时带来 3dB 的增益,通俗点讲就是说一遍听不清,就多说几遍,提高听清的概率。
 
NB-IoT重复传输的理论最大增益,可以通过计算公式:重发增益=10*log(重发次数)得到。
标准中定义上行重传次数最大可达 128 次,但考虑边缘场景下的速率以及小区容量,上行重传次数最大一般限为 16 次,对应 9dB 的增益(10*log16=12,实际比理论低了约3dB,损耗约50%)。可参考如下图3:
 
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图3

3、可使用更低的速率

NB-IoT适用于对接收SNR要求均很低的极端覆盖场景,通常常规单次传输是无法达到解调要求的,此时就需要根据实际情况进行多次重复传输以实现数据的正常收发,多次重传获得了重发增益,却也牺牲了传输速率。
 
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   NB-IoT为什么可以实现低功耗?

1、NB-IoT可延长周期定时期

相较于传统的IDLE模式,NB-IoT终端根据应用场景及业务模型,可灵活适配长周期请求定时器RAU/TAU的时间范围,减少唤醒次数,达到省电目的。
TAU(Tracking Area Update)周期请求定时器(T3412)由网络侧在 ATTCH 和 TAU 消息中指定,3GPP协议规定默认为 54min,最大可达 310H。

2、NB-IoT支持PSM(Power Saving Mode)模式

PSM 即低功耗模式,是 3GPP R12 引入的技术,是一种新的比Idle态更省电的省电模式。
 
其原理是允许 UE 在进入空闲态一段时间后,关闭信号的收发和接入层相关功能,类似于部分关机,以减少天线、射频、信令处理等的功耗消耗通俗的讲,在该模式下,NB-IoT终端仍旧注册在网,但不接受信令消息,从而使终端更长时间驻留在深睡眠状态以达到省电的目的。
 
所以,UE 工作在 PSM 期间,不接收任何网络寻呼,对于网络侧来说,UE 此时是不接入数据的。
 
1)PSM模式的退出
 
那UE在何种状态下退出PSM模式,切换到其他模式?
 
只有当 TAU 周期请求定时器(T3412)时间到期、超时,或者 UE 有数据上报业务要处理而主动退出时,才会退出 PSM 模式、进入空闲态,进而进入连接态处理上下行业务。
 
TAU(Tracking Area Update)周期请求定时器(T3412)由网络侧在 ATTCH 和 TAU 消息中指定,3GPP协议规定默认为 54min,最大可达 310H,该定时器时间可按需配置。
 
2)PSM模式的进入
 
如何进入PSM模式?
 
那么 UE 处理完数据之后,什么时候进入 PSM 模式呢?这是由另一个定时器Activer Timer(T3324,激活定时器,0-255 秒)决定的。UE 处理完成数据之后,RRC 连接会被释放、进入空闲态,与此同时启动 Active Timer,此定时器到期、超时后,UE 即进入上述 PSM 模式。如图4所示:
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3、NB-IoT支持eDRX(Extended Discontinuous Reception)模式

eDRX 即非连续接收,是 3GPP R13 引入的新技术。R13 之前已经有 DRX 技术,从字面上即可看出,eDRX 是对原 DRX 技术的增强:支持的寻呼周期可以更长,从而达到节电目的。
 
1)eDRX空闲模式下不连续接收周期时间变长

相较于DRX,eDRX空闲模式不连续接收周期由秒级可扩展到分钟级甚至高达3小时。
 
2)eDRX连接模式下不连续接收周期时间变长

eDRX连接模式下不连续接收时间周期支持5.12s/10.24s(DRX为1.28s/2.56s,即最大为2.56s)。
 
3)eDRX侦听寻呼周期时间变长

eDRX 的寻呼周期由网络侧在 ATTACH 和 TAU 消息中指定(UE 可以指定建议值),可为 20s,40s,80s,…最大可达 40min,相较1.28s/2.56s 等 DRX寻呼周期配置,eDRX 耗电量降低很多。如图5所示:
 
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图5

4、3GPP中DRX、eDRX、PSM几种模式的对比

如下图6,可对比idle、eDRX及PSM模式的空闲模式、不连续接收及侦听呼叫及耗电量对比:
 
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图6

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小结
 
在决定是否选用NB-IoT技术前需先了解自身产品的应用场景、NB-IoT技术优势以及NB-IoT技术是否能解决该应用场景的一些难点。
 
抛开成本问题不谈,NB-IoT的海量连接、深度覆盖、低功耗等优势都是需要前提条件的,了解这些前提条件与应用场景是否相冲突就显的比较重要。

 

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