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摘要:NB- IoT 网络是基于4G网络演进过来的,所以它在上行和下行的复用技术上还是沿用了4G的OFDMA和SC-FDMA。

本文分享自华为云社区《一文了解NB-IoT四大关键特性以及实现技术》,作者: 万万万 。

在物理层,NB-IoT叫窄带蜂窝物联网,那么它的窄带体现在哪里呢?就是这个180KHz,它仅相当于是4G保护带宽的宽度。我们知道,NB-IoT网络是基于4G网络演进过来的,所以它在上行和下行的复用技术上还是沿用了4G的OFDMA和SC-FDMA。虽然NB-IoT的设计是基于4GLTE的,但是由于初衷不一样,因为4G的设计是为了高速率高带宽的需求,而NB-IoT的设计目的却是低速率。

所以在具体的技术实现上,NB-IoT也精简掉了很多不必要的部分。比如说物理信道和物理信号的部分,为了减少实现的复杂性,NB-IoT在上行只有两种物理信道和一种物理信号,在下行就只有三种物理信道和两种物理信号。进行信道和信号精简的主要目的就在于达到广覆盖,低功耗和低成本的目的。

在接下来的内容当中,将介绍NB-IoT的四大关键特性以及特性当中所包含的实现技术。

关键特性一:超低成本

1.1部署方式

在上文中提到过,NB-IoT的其中一个特点就是它可以直接部署在运营商已有的网络中,以此来达到低成本的目的。NB-IoT一共有三种部署方式,第一种是独立部署,独立部署的意思是NB-IoT可以不依靠现有的LTE网络,完全独立出来。所以这种方式适用于GSM频段的重耕,因为GSM的信道带宽是200KHz,把NB-IoT的180KHz带宽放进去绰绰有余。

图1独立部署

第二种叫做保护带部署,正如上文中描述的,NB-IoT的窄带到底有多窄呢?它窄到可以部署在现有4G频段的保护带宽上面,这样的话原本不用的这一部分资源就可以重新被利用起来了。

图2保护带部署

第三种是带内部署,它可以直接部署在4G的频带内,学过通信的读者应该会知道,在4G网络内,频域和时域被划分为了一个个小的资源块,同时因为NB-IoT的设计是基于4G的,所以它在进行网络设计的时候和4G是完全契合的,4G的每个小资源块的带宽是180KHz,这也就是NB-IoT的系统带宽是180KHz的原因。所以,不管采用哪一种方式部署,NB-IoT都不会依赖任何系统的信号资源。

图3带内部署

以上就是在部署方式上,NB-IoT做到低成本的一个原因。另外需要读者了解的是,现如今由于技术上的限制,NB-IoT还无法部署在LTE系统的带内以及保护带上,所以独立部署仍然为现阶段NB-IoT网络主要的部署方式。

1.2芯片设计

除此之外在芯片的设计上通过对一部分功能进行简化来达到低成本的一个目的。华为通过单天线和半双工和其他的一系列处理设计了专门用于物联网的Boudica150芯片,因为对于NB-IoT来讲,单天线和FDD半双工就已经足够满足物联网的通信需求了,基于这样的设计,对于NB-IoT的模组来说,又降低了非常多的成本。

关键特性二:超低功耗

NB-IoT为了场景需要,设计了两种独特的模式,一种是eDRX另一种是PSM。在描述eDRX模式之前,读者们首先需要了解DRX模式。DRX这种方式,是广泛应用在手机里的一种寻呼方式。可以想一下,如果在最理想的情况下,有人想要给你打电话,以什么样的方式手机才能保证一定能监听到这个寻呼的信息呢?相当于就需要手机每时每刻都在等着被寻呼,就像是在上课的时候聚精会神的同学,一直等着老师点名叫他回答问题。

图4模式工作原理

但是,对于手机来讲,如果每时每刻都要等着被寻呼的话,是非常耗电的。所以,研发人员就研究出了DRX,不连续接收(DiscontinuousReception)的这样一种方法。它的原理如图5-7所示,图上蓝色的脉冲,代表的就是手机在进行寻呼,在每次寻呼之后,手机会休息一下进入IDLE态,进入IDLE态后手机会关闭接收机就相当于是同学们在上课的时候打了个盹。在DRX模式下,手机每次寻呼的间隔,就叫做DRX周期,这个DRX周期可以是1.28s,2.56s,5.12s或者是10.24s。

图5eDRX模式工作原理

但是对于物联网设备来讲,这个模式仍然不能满足它们所需要的低功耗,因为DRX模式是广泛使用在手机上的模式。但是手机的耗电情况同样也是比较高的,就算是只拿手机打电话发短信,也得要一天或者两三天充一次电。但是物联网设备所需要的是几年甚至十几年充一次电。所以基于DRX这种模式,经过不断改良就研究出了eDRX模式,也就是扩展非连续性接收(ExtendedDRX)。

就如同图5-8所描述的,它在DRX的基础上,设计了一个PTW寻呼时间窗口,在每个窗口时间内,物联网设备会寻呼三次,每次寻呼的间隔还是跟之前的DRX周期一样。但是每三次寻呼后,它会进入较长时间的休眠,也就是eDRX周期,这个时间最长可以达到2.92h。但是具体的时长,运营商会根据物联网设备和所需数据的实际情况进行设置,所以说在这一方面也可以体现出该模式的灵活性。

图6PSM模式工作原理

也许,eDRX的这种模式对于有些物联网设备来说功耗仍然不够低,所以就有另一种模式,叫做PSM(PowerSavingMode,省电模式)。简单来说就是把休眠的周期延的更长了,由图5-9可知,休眠态最长可以被延长到310小时,差不多就是13天左右。虽然PSM模式所能达到的休眠时间非常长,但是也是会有一些缺点:在PSM模式下,应用层的业务平台如果给终端下达指令的话,终端是不会接收到这些指令的,这些指令会暂时被保存在物联网平台里,等待终端被唤醒后再被发送出去。也就是说当设备进入PSM模式的休眠态时,平台层所下发的指令无法将设备唤醒,只有当设备到时间之后自己将自己唤醒了之后,平台侧得知该设备已经上线,才能将命令下发。

所以这些不同的模式对应的就是物联网中的不同场景需求,比方说共享单车这一应用场景就应该使用DRX模式,因为如果是eDRX模式的话也许就需要用户站在单车前等了五分钟它才能自动开锁。eDRX模式就可以用在物流监控等场景中,因为货物在运输时并不需要实时去监控,只要隔一段时间去确定一下位置就可以了。PSM模式可以用在远程水表,电表上,因为这些表上的数据没必要每天去抄一次,可能半个月左右去检查一下数据就可以了,所以说NB-IoT低功耗的不同模式是与场景息息相关的。开发者需要根据不同的应用场景灵活地去选择不同的低功耗模式。

关键特性三:超强覆盖

NB-IoT在覆盖范围方面的设计目标是在GPRS的基础上覆盖增强20dB,如果将这个数据换个角度进行呈现,就相当于NB-IoT的覆盖会是GPRS的三倍,并且能够比GPRS多穿透两堵墙。其中NB-IoT达到超强覆盖的原理是什么样的呢?其中上行和下行就要分开来进行描述了。从下行来看,它主要是以重复发送的方式增强传输的可靠性来获得更大的增益。

图7功率谱密度提升

就上行来讲,它主要被分为两方面,其中之一与下行相同,是通过重复发送的方式来扩大增益。另一方面是通过NB-IoT的一个特点:该技术可以采用单子载波进行传输,也就是15KHz的子载波。这一点和4G不一样,4G网络将频谱资源在时域和频域上进行了划分,每次进行传输最少也需要传180KHz。如图5-10所示,在传输功率相同的情况下,数据在窄带下传输的增益更大。以上就是NB-IoT达到广覆盖的原因。

关键特性4:超大连接

最后一个特性是超大连接,那么它的原理又是什么呢?读者们可以想一下,物联网终端的话务模型和手机有什么样的区别呢?其实是在于物联网的终端很多,但是每个终端发送的数据包很小,而且对待时延要求也不敏感。但是对于手机来讲,它在一个基站区域范围内只能拥有有限的用户的原因就在于手机所使用的4G基站需要保证基站范围内的所有用户的通信质量,所以每一个设备都必须以高质量通信进行接入。但是对于物联网设备来讲,它对通信的质量要求并没有那么高,所以这就意味着在相同的基站范围内它就可以接入更多的终端,这样就可以让50k个物联网设备容纳在一个基站范围内,因为其中有大量的设备是处于休眠状态的。

下图为NB-IoT解决方案的总体架构,这个架构可以和物联网架构联系起来。首先在感知层的就是NB-IoT终端,之后在网络层首先是接入网比方说NB-IoT基站再到核心网,之后再到平台层的物联网平台,之后再上传到应用层的各类应用。

图1NB-IoT解决方案架构

基于这个解决方案的总体架构,接下去就是NB-IoT网络的实际应用情况。

图2智能停车解决方案

以上是智能停车的案例图。在停车这件事上,其实停车场管理者也受到了非常多的挑战,停车根据场景不同被分为了路边停车和室内停车两种。在这里所受到的挑战就有由于信号问题,停车位定位比较困难,同时因为通信模组价格高昂而导致每个车检器设备的价格都比较高,同时该设备的功耗也是比较高的。

基于这些问题,华为提供了NB-IoT的网络来进行模组替换。因为使用NB-IoT的模组和基站,在城市当中的其他场景下也可以一同使用,所以可以将整个城市的设备都连入同一个网络内,便于维护和管理。同时因为NB-IoT的特性,它的功耗比较低,所以使用寿命也有效地延长了。

图3共享单车解决方案

除此之外还有共享单车的案例,在使用NB-IoT模组之前,共享单车上的车锁会使用机械锁和GPRS电子锁的方式,但是这两种方式都不是特别好用。因为机械锁的共享单车是没有办法修改密码的,所以当有人知道密码之后就可以无限次的使用这台单车了,这样对企业来讲就会造成非常大的费用流失。使用GPRS的电子锁也是一样,因为GPRS电子锁的成本非常高,同时在充电时的困难程度也比较大,所以用户体验感也不是特别好。

所以华为提供的解决方案就使用了NB-IoT的方式来进行通信,以此来达到低功耗并降低成本的效果。

图4智慧路灯解决方案

除了智能停车和共享单车这两个案例之外,还有智慧路灯和智能抄表这两个案例。那么在这两个案例当中也是一样的,使用NB-IoT的方式给企业或公司所带来的好处就是可以降低他们解决方案的成本并且也能提高使用的效率,同时也能方便他们进行统一管理。

图5智能抄表解决方案

 

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