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[物联网全栈成长-第一阶段学习笔记]1.2 窄带无线,海量物联

概述

本章主要介绍了 NB-IoT 中的一些关键特性,主要包括:超低成本、超大连接、超低功耗和超大覆盖。

NB-IoT 的网络总体架构

  • 终端:属于感知层(物理层),负责数据信息的采集处理,通过 NB-IoT 通信模组进行无线链接,发送数据
  • 基站与 EPC 核心层:同属于网络层,负责数据信息的计入、传输和转发。其中:
    • eNodeB 基站:是低成本站点解决方案,可以在原有 2G 和 4G 基站通过软件或者基带更换进行升级,支持更大容量的连接
    • EPC 核心网:包含了四个主要网元,这四个网元也是 LTE 的网元,其起到了安全接入、连接管理、网络鉴权、流量计费、流量调度等功能。其中:
      • MME(Mobility Management Entity, 移动性管理实体):是 LTE 接入网络的关键控制节点,负责空闲模式下终端设备的定位
      • HSS(Home Subscriber Server,归属用户服务器):是用户归属网络中存储用户信息的核心数据库,用于在归属网络中保存用户的签约信息
      • SGW(Service Gateway,服务网关):负责和无线建立连接,把用户的数据包转发至 PGW
      • PGW(PDN(Packet Data Network) Gateway, PDN 网关):是 3GPP 与 non-3GPP 网络间的用户面数据链路的锚点,负责管理 3GPP 和 non-3GPP 间的数据路由、策略执行和计费等功能
  • 物联网平台:属于平台层,负责进行数据存储和管理;应用层协议栈的适配和终端设备管理;API 能力开发和大数据分析等
  • 第三方应用:属于应用层,负责数据呈现与用户界面的交互

NB-IoT 的基础结构技术

物理层

  • 系统带宽为 180kHz
  • 上行技术:为 SC-FDMA(Single-carrier Frequency-Division Multiple Access,但载波频分多址),是子载波连续的调制解调技术,也是 LTE 上行链路的主流技术。通常上行传输技术包含单载波和多载波两种,NB-IoT 同时提供单载波和多载波传输,其中单载波作为终端必备功能而多载波作为可选功能。单载波和多载波的区别如下:

    • 单载波表示终端设备上行数据传输仅占用一个子载波,拥有更高的功率谱密度增益
    • 多载波表示可以占用多个子载波进行上行数据传输
  • 下行技术:采用 OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, 正交频分多址),是 OFDM 的演进,将 OFDM 和 DFMA 结合。OFDMA 在利用 OFDM 对信道进行子载波化后,再在部分子载波上加载传输数据。NB-IoT 利用 OFDMA 将 180 kHz 带宽分为 12 个 15 kHz 子载波。

  • 相比于 LTE,为了减少复杂性,NB-IoT 还精简了不必要的物理信道。在下行中只有三种物理信道和两种参考信号;而在上行只有两种物理信道和一种参考信号,其中针对物理信道,NB-IoT 降低目标速率,多次传输,采用低阶调制方式以达到增加覆盖、降低成本、降低功耗的目的。

网络层

NB-IoT 构建于蜂窝移动网络,支持基于目前 LTE 制式平滑演进并根据不同运营商的需求支持灵活频段部署。NB-IoT 支持三种不同部署方式,分别是:

  • 独立部署(Stand-alone):可以利用单独频带,适合用于 GSM 频段的重耕
  • 保护带部署(Guard-band):可以利用 LTE 系统中边缘无用频带
  • 带内部署(Inband):可以利用 LTE 载波中间的任何资源块

NB-IoT 的关键特性

NB-IoT 拥有以下四大关键特性:

  • 超低成本:基于华为提供的 Single RAN 解决方案,支持在现有网络设备上进行升级改造,从而降低网络建设和维护成本;并且其芯片专为物联网设计,支持窄带、低速率,采用单天线,半双工,简化信令处理,因此大幅降低了芯片价格;
  • 超低功耗:物联网设备通常只会上行发送数据包,并且可以由自身决定是否发送,因此不需要随时在线等待其他终端请求;针对小包、偶发的物联网应用场景,NB-IoT 设计两种独特的省电模式 PSM(Power Save Model) 和 eDRX(extended Discontinous Reception)。其中:
    • PSM 模式最省电,在 PSM 模式下,终端处于激活态是发送数据包,随后进入寻呼监控态,监控网络侧有无消息下发。此外,为了降低功耗,增加寻呼监控的时长。PSM 模式还在寻呼监控台中插入了空闲态,在寻呼结束之后,终端设备会进入休眠态(最长可达 310 小时),不进行任何通信活动,直到它有上报数据的请求的时刻再唤醒自己进行数据发送。此处注意,在休眠态时,终端设备仍然注册在网,但是信令不可达。因此当设备处理 PSM 省电模式下时,业务平台下发的控制指令并不能实时到达终端。下行的控制指令需要缓存至 IoT 平台中。按照物联网的行为习惯,终端设备通常在 99% 的时间都在休眠状态,因此功耗非常低。
    • eDRX:扩展非连续接收模式,对应还有 DRX,非连续接收。DRX 指的是不连续接收寻呼消息,因为解码寻呼信道的消息会耗费大量能量,因而 DRX 也是节省无线通信终端设备电量的重要方法。而 eDRX 则是在 DRX 上进行扩展,进一步延长终端在空闲模式下的休眠周期。减少接收单元不必要的启动。相对于 PSM 模式而言,大幅增加了下行可达性。
    • 这两种模式应用场景不同,NB-IoT 会根据场景选择合适的模式,例如在智慧水表中会采用 PSM 模式(不需要经常接收下行指令),而在共享单车则会采用 eDRX 模式。并且 NB-IoT 也可以同时使用这两种模式,例如当 PSM 的激活周期大于 eDRX 的周期时,终端设备可以进入 eDRX 周期降低功率;
  • 超强覆盖:针对物联网部署的特点,现有接入技术不足以满足深度覆盖需求。NB-IoT 专门为物联网尤其是 LPWA 连接进行设计。通过时域重传技术和提升功率谱密度,相对 GSM 和 LTE 网络的 MCL(最大耦合损耗) 有 20 dB 的提升,
    • MCL(Max Coupling Loss, 最大耦合损耗):用于衡量信号覆盖范围,数据越大覆盖范围越大,此处意味着 NB-IoT 是 GSM 的 3 倍覆盖范围
    • 功率谱密度提升:NB-IoT 通过 15 kHz 的子载波进行数据传输,相比 180 kHz 带宽传输,可以提升 11 dB 增益;
    • 时域重传技术:引入重复发送编码方式,通过重复发送提升信道条件恶劣时的传输可靠性,能够提升 9dB 的下行增益和 12 dB 的上行增益
  • 超大连接:NB-IoT 的基站是基于物联网的模式进行设计的。和手机的话务模式不同,物联网的话务模式是终端设备很多,但是传输的包很小,并且发送的包对时延要求不敏感。因此基于物联网的话务模型,可以设计更多的用户接入,保持更多上下文,这样可以让 100k 左右的用户同时在一个小区。
  • 总结一下,相比于 2G、3G 和 4G,NB-IoT 有以下关键技术:
    • NB-IoT 因为基于窄带,调度颗粒小很多,上行业务单元调度通常只有 15 kHz。在同样资源情况下,资源的利用率会更高。
    • 同时,通过 PSM 和 eDRx 模式降低了每个设备对基站的资源使用。
    • 另外, NB-IoT 的物理层精简了很多物理信道和信号,减少了空口信令开销
    • 。再者,大量终端处于休眠态,上下文信息需要由基站和核心网维持,所以通过对基站和核心网的优化能够缓存终端上下文信息,并且具备独立的准入拥塞控制,使得一旦有消息接入,终端可以迅速连上基站进入激活态。

eLTE-IoT 中的关键技术

概述

eLTE-IoT 是华为基于 3GPP 标准开发的窄带无线物联解决方案,可以应用在制造,电力,水务和智慧城市等行业。有以下技术特点:

  • 是基于 1GHz 以下的非授权 ISM 频谱(区别于 NB-IoT,后者构建在移动蜂窝网络)
  • 采用灵活且容易不熟的轻量化设备
  • 支持标准物联网协议与企业现有应用平台进行对接

由于上述技术特点,eLTE-IoT 有以下四个关键特性:

  • 可靠连接:eLTE-IoT 基于开放的 ISM 频谱,可以支持中国、美国等不同地方的频段;并且其采用调频技术避免了外部干扰,提高可靠性;还具备强大的收发机制保证可靠连接。
  • 海量物联:主要通过小包数据快传技术实现。提升了上行传输效率、缩短终端发送时间,从而降低了终端功耗
  • 更低功耗:eLTE-IoT 也引入上文中提到的 PSM 和 eDRX 两种省电模式来降低功耗
  • 更广覆盖:eLTE-IoT 通过提升功率谱密度来提升覆盖,并且也有使用时域重传技术提升覆盖范围

eLTE-IoT 的网络架构

eLTE-IoT 网络是一个开放被集成的架构,向上可以与第三方行业应用和平台集成,向下则可以通过串口实现与第三方终端设备集成。eLTE-IoT 的网元设备包括:

  • 业务引擎:eLTE-IoT 网络的核心汇聚节点,主要提供终端设备管理,终端和 AirNode 接入认证鉴权,网络协议处理,数据转发和与第三方物联网应用或平台对接
  • IoT 一体化基站(AirNode):轻量化设计的基站,支持有线传输(光纤/网线)和业务引擎直连,也支持通过外置 3G/4G 无线回传模块进行无线网络回传
  • 用户接入终端 CPE
  • IoT 模组和网管设备:eLTE-IoT 网络采用 eSight 网管来管理各种网元设备,实现设备管理、容灾备份