前陣子關于NB、GPRS的討論文章非?;鸨脽岽蜩F,今天班妹就繼續來跟大家分享下NB-IoT那些基礎知識。
閑話少敘,今日重點:
一、NB-IoT的行業應用
二、NB-IoT為什么可以實現海量連接?
三、NB-IoT為什么可以實現深度覆蓋?
四、NB-IoT為什么可以實現低功耗?
五、小結
NB-IoT的行業應用
1、NB-IoT的基本應用架構模型
NB-IoT終端產品數據交互的基本應用架構模型如圖1:(行業應用不同時,其架構可能稍有不同)
圖1
其數據交互的過程為:
NB-IoT終端產品(模組/芯片)將數據發送至NB-IoT網絡,NB-IoT網絡再將數據傳至IoT平臺,IoT平臺再將數據轉發到業務平臺進行處理;反之亦然,NB-IoT終端與業務平臺的數據交互過程如下:
NB-IoT終端(模組/芯片)<-> NB-IoT蜂窩網絡 <-> IoT平臺 <-> 業務平臺
2、NB-IoT的典型應用舉例
根據不同典型行業的業務特征,其行業應用可基本分為:數據上報類、移動跟蹤類、下行控制類。
1)數據上報類應用
其應用特征是NB-IoT終端產品主動發起業務,進行數據上報,主要應用在實現檢測功能的傳感器網絡中。根據實際應用,數據的上報形式可分為周期型上報和突發型上報:
周期型數據上報主要應用于對某事物/設備/環境的長期檢測,以保證設備的長期穩定運行,比較典型的應用有智能抄表(水、電、汽、熱)、空氣檢測、智慧農業等。
突發型數據上報主要應用在通過檢測某一件事情的發生,從而根據該事情進行判斷并執行某一項針對性動作,比較典型的應用有智慧停車,通過地磁傳感器檢測車輛是否停在車位,以實現開始計費;火情檢測,通過煙霧傳感器檢測煙霧狀況,從而判斷是否有火情發生,并進行及時報警。
2)移動跟蹤類應用
其應用特征是通過NB-IoT網絡實現NB-IoT終端產品移動和位置跟蹤,比較典型的應用為共享單車。
3)下行控制類應用
其應用特征是用戶通過NB-IoT網絡實現對NB-IoT終端產品實現遠程操作,比較典型的應用為智慧路燈、白色家電。
3、目前應用上的一些缺陷
NB-IoT技術的海量連接、深度覆蓋、低功耗優勢明顯,但目前也存在部分的缺陷,如NB-IoT網絡在使用基站定位應用上的精度差,延時大(延時高達10s,實時性差)、無法支持TCP協議、不支持高速移動態連接應用等;且其功耗低的特點是建立在數據上報的頻度上,通過長時間的“罷工”來換取的等。
現實中沒有一種技術能夠適用所有應用場景,需在了解該技術長短處之后,針對場景進行最適合的方案選型可能才是解決之道。
NB-IoT為什么可以實現海量連接?
5萬用戶/小區的海量連接特性,一方面依靠優化的技術,另一方面則是因為低頻次、小數據包的應用場景,技術的優化則體現在如下方面:
1、NB-IoT使用窄帶技術
NB-IoT 上行載波帶寬僅為3.75/15KHz,相比現有 2G 上行200KHz以及4G 180KHz的PRB(物理資源塊)帶寬,等效功率提升,大大提升信道容量 。
2、NB-IoT減小了空口信令開銷,提升了頻譜使用效率
3、NB-IoT基站側進行了優化
使用了獨立的準入擁塞控制,以及終端的上下行信息存儲
4、NB-IoT的核心網進行了優化
可實現終端上下行信息存儲,且下行數據緩存
NB-IoT為什么可以實現深度覆蓋?
3GPP 標準組織對NB-IoT協議進行了定義,要求相比現有GSM、寬帶 LTE 等網絡覆蓋要增強 20dB+。(20dB只是大概數字)
而根據 3GPP 標準定義,NB-IoT 的上行 MCL 為-164dBm,GSM、寬帶LTE網絡的上行MCL均為為-144dBm,因此所謂的20dB增益是相比GSM和現有LTE網絡而言的,該增益=PSD(功率譜密度)增益+重發增益。
那NB-IoT是否擁有比其他制式的無線蜂窩技術高20dB的增益,相較于其他技術,是不是都高20db,上行和下行是否又不同呢?
說明:
MCL:Maximum Coupling Loss,最大耦合損失。是指接收端為了能正確地解調發射端發出的信號,整個傳輸鏈路上允許的最大路徑損耗(dBm)。
PSD:power spectral density,功率譜密度。表示每單位頻率波攜帶的功率(W/Hz)。
1、NB-IoT擁有更高的功率譜密度
班妹先帶大家了解下NB-IoT、GSM、LTE等幾種技術的功率譜密度:
參考如下圖2
圖2
2、更多重傳次數帶來HARQ增益(重發增益)
相比傳統蜂窩制式,NB-IoT支持更多次數的重傳。重傳次數每翻一倍,速率就會減半,同時帶來 3dB 的增益,通俗點講就是說一遍聽不清,就多說幾遍,提高聽清的概率。
NB-IoT重復傳輸的理論最大增益,可以通過計算公式:重發增益=10*log(重發次數)得到。
標準中定義上行重傳次數最大可達 128 次,但考慮邊緣場景下的速率以及小區容量,上行重傳次數最大一般限為 16 次,對應 9dB 的增益(10*log16=12,實際比理論低了約3dB,損耗約50%)??蓞⒖既缦聢D3:
圖3
3、可使用更低的速率
NB-IoT為什么可以實現低功耗?
1、NB-IoT可延長周期定時期
相較于傳統的IDLE模式,NB-IoT終端根據應用場景及業務模型,可靈活適配長周期請求定時器RAU/TAU的時間范圍,減少喚醒次數,達到省電目的。
TAU(Tracking Area Update)周期請求定時器(T3412)由網絡側在 ATTCH 和 TAU 消息中指定,3GPP協議規定默認為 54min,最大可達 310H。
2、NB-IoT支持PSM(Power Saving Mode)模式
PSM 即低功耗模式,是 3GPP R12 引入的技術,是一種新的比Idle態更省電的省電模式。
其原理是允許 UE 在進入空閑態一段時間后,關閉信號的收發和接入層相關功能,類似于部分關機,以減少天線、射頻、信令處理等的功耗消耗通俗的講,在該模式下,NB-IoT終端仍舊注冊在網,但不接受信令消息,從而使終端更長時間駐留在深睡眠狀態以達到省電的目的。
所以,UE 工作在 PSM 期間,不接收任何網絡尋呼,對于網絡側來說,UE 此時是不接入數據的。
1)PSM模式的退出
那UE在何種狀態下退出PSM模式,切換到其他模式?
只有當 TAU 周期請求定時器(T3412)時間到期、超時,或者 UE 有數據上報業務要處理而主動退出時,才會退出 PSM 模式、進入空閑態,進而進入連接態處理上下行業務。
TAU(Tracking Area Update)周期請求定時器(T3412)由網絡側在 ATTCH 和 TAU 消息中指定,3GPP協議規定默認為 54min,最大可達 310H,該定時器時間可按需配置。
2)PSM模式的進入
如何進入PSM模式?
那么 UE 處理完數據之后,什么時候進入 PSM 模式呢?這是由另一個定時器Activer Timer(T3324,激活定時器,0-255 秒)決定的。UE 處理完成數據之后,RRC 連接會被釋放、進入空閑態,與此同時啟動 Active Timer,此定時器到期、超時后,UE 即進入上述 PSM 模式。如圖4所示:
圖4
3、NB-IoT支持eDRX(Extended Discontinuous Reception)模式
eDRX 即非連續接收,是 3GPP R13 引入的新技術。R13 之前已經有 DRX 技術,從字面上即可看出,eDRX 是對原 DRX 技術的增強:支持的尋呼周期可以更長,從而達到節電目的。
1)eDRX空閑模式下不連續接收周期時間變長
相較于DRX,eDRX空閑模式不連續接收周期由秒級可擴展到分鐘級甚至高達3小時。
2)eDRX連接模式下不連續接收周期時間變長
eDRX連接模式下不連續接收時間周期支持5.12s/10.24s(DRX為1.28s/2.56s,即最大為2.56s)。
3)eDRX偵聽尋呼周期時間變長
eDRX 的尋呼周期由網絡側在 ATTACH 和 TAU 消息中指定(UE 可以指定建議值),可為 20s,40s,80s,…最大可達 40min,相較1.28s/2.56s 等 DRX尋呼周期配置,eDRX 耗電量降低很多。如圖5所示:
圖5
4、3GPP中DRX、eDRX、PSM幾種模式的對比
如下圖6,可對比idle、eDRX及PSM模式的空閑模式、不連續接收及偵聽呼叫及耗電量對比:
圖6
小結
在決定是否選用NB-IoT技術前需先了解自身產品的應用場景、NB-IoT技術優勢以及NB-IoT技術是否能解決該應用場景的一些難點。
拋開成本問題不談,NB-IoT的海量連接、深度覆蓋、低功耗等優勢都是需要前提條件的,了解這些前提條件與應用場景是否相沖突就顯的比較重要。
好啦,今天班妹要分享的就這么多,各位好好消化下,如果哪里有不明白的可以和班妹來討論,如果有NB-IoT方面的測試可以聯系我,當然,WiFi吞吐量/eMTC、大尺寸OTA測試的也都可以聯系我~~
聲明:本人是這篇文章的原創作者,如有轉載需要,請注明出處,謝謝
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