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一篇文章講清NB-IoT技術(推薦收藏)

作者:王一鳴

來源:物聯江湖(iot521)


一直以來,人們通過相應的終端(電腦、手機、平板等)使用網絡服務,“個人”一直是網絡的用戶主體。個人對網絡質量的要求“高”且“統一”:玩網絡游戲必需要低時延,下載文件或看網絡視頻則期望高帶寬,通話需要聲音清晰,而接收的短信絕不能有遺漏。

對于移動通信網絡,運營商們盡可能地維系著低時延、高帶寬、廣覆蓋、隨取隨用的網絡特性,以保證良好的用戶體驗,以及營造出豐富多姿的移動應用生態。

對于個人通信業務,雖然用戶的要求很高,但整體上對網絡質量的需求是一致的,運營商只需要建立一套網絡質量標準體系來建設、優化網絡,就能滿足大多數人對連接的需要。

隨著網絡中用戶終端(手機、PAD等)數量的增長逐漸趨緩,M2M應用成為了運營商網絡業務的增長發力點,大量的M2M應用終端則成為了網絡的用戶。M2M應用終端(傳感設備、智能終端),本質上就是物聯網終端,它們通過裝配無線通信模組和SIM卡,連接到運營商網絡,從而構建出各類集中化、數字化的行業應用。

不同于個人通信業務,在物聯網終端構建的行業應用中,各領域應用對信息采集、傳遞、計算的質量要求差異很大;系統和終端部署的環境也各不相同,特別是千差萬別的工業環境;此外,企業在構建應用時,還需要考量技術限制(供電問題、終端體積等)和成本控制(包括建設成本和運營成本)。因此,千姿百態的行業應用具有“個性化”的一面,使得連接的需求朝著多樣性的方向發展。

1.物聯網業務需求的差異化,體現在兩個方面

一方面,不同的終端和應用對網絡特性有不同的要求。傳統的網絡特性包括:網絡接入的距離、上下行的網絡帶寬、移動性的支持、還有數據收發的頻率(或稱為周期性)、以及安全性和數據傳輸質量(完整性、穩定性、時效性等)。這幾個方面可濃縮成三個方面,為“接入距離”、“網絡特性”、“網絡品質”。“接入距離”主要分為近距接入和遠距接入兩種。網絡的“特性”和“品質”則是體現需求差異化的主要因素,例如傳感器終端的“網絡特性”可能是:只有向云端發送的“上行數據”,而沒有接收的“下行數據”。

另一方面,網絡還需要“照顧”原本不太被關注的終端特性,以適應各類的行業應用需求:對“能耗”和“成本”的控制。

(1)能耗

個人用戶大多數時間都是處于宜居的環境中,智能終端常伴左右,并且在人類活動的環境中總能找到充電的“電源插頭”,所以這些終端的生產廠家對電池的電量并不敏感。

而物聯網終端的工作環境相比較個人終端的工作環境,則要復雜的多。有些物聯網終端會部署在高溫高壓的工業環境中,有些則遠離城市、放置在人跡罕至的邊遠地區,還有一些可能深嵌地下或落戶在溪流湖泊之中。

很多設備需要電池的長期供電來工作,因為地理位置和工作環境無法向它們提供外部電源,更換電池的成本也異常高昂。所以“低功耗”是保證他們持續工作的一個關鍵需求。在不少應用場景中,一小粒電池的電量需要維持某個終端“一生”的能量供給。

(2)成本

個人使用的終端,不論是電腦還是手機,其功能豐富、計算能力強大、應用廣泛,通信模塊只是其所有電子元件和機械構建中的一小部分,在總的制造成本中占比較低。

個人終端作為較高價值的產品,用戶、廠家對其通信單元的固定成本并不特別敏感。而物聯網終端則不同,許多不具備聯網功能的終端原本只是簡易的傳感器設備,其功能簡單、成本低廉,相對于傳感設備,價格不菲的通信模塊加入其中,就可能引起成本驟升。

在應用場景中大量部署聯網的傳感設備,往往需要企業下決心提高終端的成本投入。而與此矛盾的是:簡單的傳感器終端上傳網絡的數據量通常都很小;它們連接網絡的周期長(網絡的使用頻次低);每一次上傳信息的價值都很低。終端成本和信息價值不成比例,使得企業會在大量部署物聯網終端的決策上猶豫不前。如何降低這些啞終端(單一的傳感器終端)的通信成本,是一個迫在眉睫的難題。

此前提及的能耗問題,如果不妥善解決,也會影響到物聯網應用的運營成本:如果終端耗電過快,就需要不斷地重新部署投放或更換電池。

2.低功耗、低成本是物聯網通信的一大需求

原本的網絡對應用并不敏感,只要提供統一的高質量網絡通道(標準唯一),就可以滿足大多數用戶的需求。不論用戶喜歡使用什么樣的業務,都可以通過高品質的網絡質量來獲得通信服務,網絡能夠滿足個人用戶的大多數要求。

然而隨著行業應用的深入,網絡設計和建設者必須關注到應用、終端的差異性,也就是網絡需要針對終端、應用做出相應的調整和適配。

在此前提到的網絡特性和終端特性中:“距離、品質、特性”和“能耗、成本”,前后兩類特性存在密切的關聯關系:通信基站的信號覆蓋越廣(“距離長”),則基站和終端的功耗越高(“能耗高”);要實現高品質、安全可靠的網絡服務(“品質高”),需要健壯的通信協議實現差錯效驗、身份驗證、重傳機制、以建立端到端的可靠連接,保證的基礎就是通信模塊的配置就不能低(“成本高”)

運營商在推廣M2M服務(物聯網應用)的時候,發現企業對M2M的業務需求,不同與個人用戶的需求。企業希望構建集中化的信息系統,與自身資產建立長久的通信連接,以便于管理和監控。

這些資產,往往分布各地,而且數量巨大;資產上配備的通信設備可能沒有外部供電的條件(即電池供電,而且可能是一次性的,既無法充電也無法更換電池);單一的傳感器終端需要上報的數據量小、周期長;企業需要低廉的通信成本(包括通信資費、裝配通信模塊的成本費用)。

以上這種應用場景在網絡層面具有較強的統一性,所以通信領域的組織、企業期望能夠對現有的通信網絡技術標準進行一系列優化,以滿足此類M2M業務的一致性需求。

2013年,沃達豐與華為攜手開始了新型通信標準的研究,起初他們將該通信技術稱為“NB-M2M(LTE for Machine to Machine)”。

2014年5月份,3GPP的GERAN組成立了新的研究項目:“FS_IoT_LC”,該項目主要研究新型的無線電接入網系統,“NB-M2M”成為了該項目研究方向之一。稍后,高通公司提交了“NB-OFDM”(Narrow Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 窄帶正交頻分復用)的技術方案。

(3GPP,“第三代合作伙伴計劃(3rd Generation Partnership Project)”標準化組織;TSG-GERAN (GSM/EDGE Radio Access Network):負責GSM/EDGE無線接入網技術規范的制定)

2015年5月,“NB-M2M”方案和“NB-OFDM方案”融合成為“NB-CIoT”(Narrow Band Cellular IoT)。該方案的融合之處主要在于:通信上行采用FDMA多址方式,而下行采用OFDM多址方式。

2015年7月,愛立信聯合中興、諾基亞等公司,提出了“NB-LTE”(Narrow Band LTE)的技術方案。

在2015年9月的RAN#69次全會上,經過激烈的討論和協商,各方案的主導者將兩個技術方案(“NB-CIoT”、“NB-LTE”)進行了融合,3GPP對統一后的標準工作進行了立項。該標準作為統一的國際標準,稱為“NB-IoT(Narrow Band Internet of Things,基于蜂窩的窄帶物聯網)”。自此,“NB-M2M”、“NB-OFDM”、“NB-CIoT”、“NB-LTE”都成為了歷史。

2016年6月,NB-IoT的核心標準作為物聯網專有協議,在3GPP Rel-13凍結。同年9月,完成NB-IoT性能部分的標準制定。2017年1月,完成NB-IoT一致性測試部分的標準制定。

在我看來,促成這幾種低功耗蜂窩技術“結盟”的關鍵,并不僅僅是日益增長的商業訴求,還有其它新生的(非授權頻段)低功耗接入技術的威脅。LoRa、SIGFOX、RPMA等新興接入技術的出現,促成了3PGG中相關成員企業和組織的抱團發展。

和其競爭對手一樣,NB-IoT著眼于低功耗、廣域覆蓋的通信應用。終端的通信機制相對簡單,無線通信的耗電量相對較低,適合小數據量、低頻率(低吞吐率)的信息上傳,信號覆蓋的范圍則與普通的移動網絡技術基本一樣,行業內將此類技術統稱為“LPWAN技術”(Low Power Wide Area,低功耗廣域技術)。

NB-IoT針對M2M通信場景對原有的4G網絡進行了技術優化,其對網絡特性和終端特性進行了適當地平衡,以適應物聯網應用的需求。

在“距離、品質、特性”和“能耗、成本”中,保證“距離”上的廣域覆蓋,一定程度地降低“品質”(例如采用半雙工的通信模式,不支持高帶寬的數據傳送),減少“特性”(例如不支持切換,即連接態的移動性管理 )。

網絡特性“縮水”的好處就是:同時也降低了終端的通信“能耗”,并可以通過簡化通信模塊的復雜度來降低“成本”(例如簡化通信鏈路層的處理算法)。

所以說,為了滿足部分物聯網終端的個性要求(低能耗、低成本),網絡做出了“妥協”。NB-IoT是“犧牲”了一些網絡特性,來滿足物聯網中不同以往的應用需要。

1.部署方式


為了便于運營商根據自由網絡的條件靈活運用,NB-IoT可以在不同的無線頻帶上進行部署,分為三種情況:獨立部署(Stand alone)、保護帶部署(Guard band)、帶內部署(In band)。

Stand alone模式:利用獨立的新頻帶或空閑頻段進行部署,運營商所提的“GSM頻段重耕”也屬于此類模式;

Guard band模式:利用LTE系統中邊緣的保護頻段。采用該模式,需要滿足一些額外的技術要求(例如原LTE頻段帶寬要大于5Mbit/s),以避免LTE和NB-IoT之間的信號干擾。

In band模式:利用LTE載波中間的某一段頻段。為了避免干擾,3GPP要求該模式下的信號功率譜密度與LTE信號的功率譜密度不得超過6dB。?

?除了Stand alone模式外,另外兩種部署模式都需要考慮和原LTE系統的兼容性,部署的技術難度相對較高,網絡容量相對較低。

2.覆蓋增強

為了增強信號覆蓋,在NB-IoT的下行無線信道上,網絡系統通過重復向終端發送控制、業務消息(“重傳機制”),再由終端對重復接受的數據進行合并,來提高數據通信的質量。

這樣的方式可以增加信號覆蓋的范圍,但數據重傳勢必將導致時延的增加,從而影響信息傳遞的實時性。在信號覆蓋較弱的地方,雖然NB-IoT能夠保證網絡與終端的連通性,但對部分實時性要求較高的業務就無法保證了。

在NB-IoT的上行信道上,同樣也支持無線信道上的數據重傳。此外,終端信號在更窄的LTE帶寬中發送,可以實現單位頻譜上的信號增強,使PSD(Power Spectrum Density,功率譜密度)增益更大。通過增加功率譜密度,更利于網絡接收端的信號解調,提升了上行無線信號在空中的穿透能力。

通過上行、下行信道的優化設計,NB-IoT信號的“耦合損耗(coupling loss)”最高可以達到164dB。

(備注: 耦合損耗,指能量從一個電路系統傳播到另一個電路系統時發生的能量損耗。這里是指無線信號在空中傳播的能量損耗)

為了進一步利用網絡系統的信號覆蓋能力,NB-IoT還根據信號覆蓋的強度進行了分級(CE Level),并實現“尋呼優化”:引入PTW(尋呼傳輸窗),允許網絡在一個PTW內多次尋呼UE,并根據覆蓋等級調整尋呼次數。

常規覆蓋(Normal Coverage),其MCL(Maximum Coupling Loss,最大耦合損耗)小于144dB,與目前的GPRS覆蓋一致。

擴展覆蓋(Extended Coverage),其MCL介于144dB與154dB之間,相對GPRS覆蓋有10dB的增強

極端覆蓋(Extreme Coverage),其MCL最高可達164dB,相對GPRS覆蓋強度提升了20dB。

3. NB-IoT低功耗的實現

要終端通信模塊低功耗運行,最好的辦法就是盡量地讓其“休眠”。NB-IoT有兩種模式,可以使得通信模塊只在約定的一段很短暫的時間段內,監聽網絡對其的尋呼,其它時間則都處于關閉的狀態。這兩種“省電”模式為:PSM(power saving mode,省電模式)和eDRX(Extended Discontinuous Reception,擴展的不連續接收)

(1) PSM模式

在PSM模式下,終端設備的通信模塊進入空閑狀態一段時間后,會關閉其信號的收發以及接入層的相關功能。當設備處于這種局部關機狀態的時候,即進入了省電模式-PSM。終端以此可以減少通信元器件(天線、射頻等)的能源消耗。

終端進入省電模式期間,網絡是無法訪問到該終端。從語音通話的角度來說,即“無法被叫”。

大多數情況下,采用PSM的終端,超過99%的時間都處于休眠的狀態,主要有兩種方式可以激活他們和網絡的通信:

當終端自身有連接網絡的需求時,它會退出PSM的狀態,并主動與網絡進行通信,上傳業務數據。

在每一個周期性的TAU (Tracking Area Update,跟蹤區更新)中,都有一小段時間處于激活的狀態。在激活狀態中,終端先進入“連接狀態(Connect)”,與通信網絡交互其網絡、業務的數據。在通信完成后,終端不會立刻進入PSM狀態,而是保持一段時間為“空閑狀態(IDLE)”。在空閑狀態狀態下,終端可以接受網絡的尋呼。

在PSM的運行機制中,使用“激活定時器(Active Timer,簡稱AT)”控制空閑狀態的時長,并由網絡和終端在網絡附著(Attach,終端首次登記到網絡)或TAU時協商決定激活定時器的時長。終端在空閑狀態下出現AT超時的時候,便進入了PSM狀態。

根據標準,終端的一個TAU周期最大可達310H(小時);“空閑狀態”的時長最高可達到3.1小時(11160s)。

從技術原理可以看出,PSM適用于那些幾乎沒有下行數據流量的應用。云端應用和終端的交互,主要依賴于終端自主性地與網絡聯系。絕大多數情況下,云端應用是無法實時“聯系“到終端的。

(2) PSM模式

在PSM模式下,網絡只能在每個TAU最開始的時間段內尋呼到終端(在連接狀態后的空閑狀態進行尋呼)。eDRX模式的運行不同于PSM,它引入了eDRX機制,提升了業務下行的可達性。

(備注:DRX(Discontinuous Reception),即不連續接收。eDRX就是擴展的不連續接收。)

eDRX模式,在一個TAU周期內,包含有多個eDRX周期,以便于網絡更實時性地向其建立通信連接(尋呼)。

eDRX的一個TAU包含一個連接狀態周期和一個空閑狀態周期,空閑狀態周期中則包含了多個eDRX尋呼周期,每個eDRX尋呼周期又包含了一個PTW周期和一個PSM周期。PTW和PSM的狀態會周期性地交替出現在一個TAU中,使得終端能夠間歇性地處于待機的狀態,等待網絡對其的呼叫。

?

eDRX模式下,網絡和終端建立通信的方式同樣:終端主動連接網絡;終端在每個eDRX周期中的PTW內,接受網絡對其的尋呼。

在TAU中,最小的eDRX周期為20.48秒,最大周期為2.91小時

在eDRX中,最小的PTW周期為2.56秒,最大周期為40.96秒

在PTW中,最小的DRX周期為1.28秒,最大周期為10.24秒

總體而言,在TAU一致的情況下,eDRX模式相比較PSM模式,其空閑狀態的分布密度更高,終端對尋呼的響應更為及時。eDRX模式適用的業務,一般下行數據傳送的需求相對較多,但允許終端接受消息有一定的延時(例如云端需要不定期地對終端進行配置管理、日志采集等)。根據技術差異,eDRX模式在大多數情況下比PSM模式更耗電。

4. 終端簡化帶來低成本

針對數據傳輸品質要求不高的應用,NB-IoT具有低速率、低帶寬、非實時的網路特性,這些特性使得NB-IoT終端不必向個人用戶終端那樣復雜,簡單的構造、簡化的模組電路依然能夠滿足物聯網通信的需要。

NB-IoT采用半雙工的通信方式,終端不能夠同時發送或接受信號數據,相對全雙工方式的終端,減少了元器件的配置,節省了成本。

業務低速率的數據流量,使得通信模組不需要配置大容量的緩存。低帶寬,則降低了對均衡算法的要求,降低了對均衡器性能的要求。(均衡器主要用于通過計算抵消無線信道干擾)

NB-IoT通信協議棧基于LTE設計,但它系統性地簡化了協議棧,使得通信單元的軟件和硬件也可以相應的降低配置:終端可以使用低成本的專用集成電路來替代高成本的通用計算芯片,來實現協議簡化后的功能。這樣還能夠減少通信單元的整體功耗,延長電池使用壽命。

5.業務在核心網絡中的簡化

在NB-IoT的核心網絡(EPC- Evolved Packet Core,即4G核心網)中,針對物聯網業務的需求特性,蜂窩物聯網(CIoT)定義了兩種優化方案:

CIoT EPS用戶面功能優化(User Plane CIoT EPS optimisation)

CIoT EPS控制面功能優化(Control Plane CIoT EPS optimisation)

(1) 用戶面功能優化

“用戶面功能優化”與原LTE業務的差異并不大,它的主要特性是引入RRC (無線資源控制)的“掛起/恢復(Suspend/Resume)流程”,減少了終端重復進行網絡接入的信令開銷。

當終端和網絡之間沒有數據流量時,網絡將終端置為掛起狀態(Suspend),但在終端和網絡中仍舊保留原有的連接配置數據。

當終端重新發起業務時,原配置數據可以立即恢復通信連接(Resume),以此減去了重新進行RRC重配、安全驗證等流程,降低了無線空口上的信令交互量。

(2) 控制面功能優化

“控制面功能優化”包括兩種實現方式(消息傳遞路徑)。通過這兩種方式,終端不必在無線空口上和網絡建立業務承載,就可以將業務數據直接傳遞到網絡中。

備注:通信系統的特性之一是控制與承載(業務)分離,直觀的來說就是業務的控制消息(建立業務、釋放業務、修改業務)和業務數據本身并不在同一條鏈路上混合傳遞。NB-IoT的控制面功能優化則簡化了這種慣常的信息業務架構。

CP模式的兩種實現方式,即兩種數據傳遞的路徑:

?

A.在核心網內,由MME、SCEF網元負責業務數據的轉接

在該方式中,NB-IoT引入了新的網元:SCEF(Service Capa- bility Exposure Function,服務能力開放平臺)。物聯網終端接受或發送業務數據,是通過無線信令鏈路進行的,而非無線業務鏈路。

當終端需要上傳數據時,業務數據由無線信令消息攜帶,直接傳遞到核心網的網元MME(Mobility Management Entity,4G核心網中的移動性管理實體),再由MME通過新增的SCEF網元轉發到CIoT服務平臺(CIoT Services,也稱為AP-應用服務)。云端向終端發送業務數據的方向則和上傳方向正好相反。

路徑:UE(終端)-MME-SCEF- CIoT Services

B.在核心網內,通過MME與業務面交互業務數據

在該方式中,終端同樣通過無線信令鏈路收發業務數據。對于業務數據的上傳,是由MME設備將終端的業務數據送入核心網的業務面網元SGW,再通過PGW進入互聯網平臺;對于下傳業務數據,則由SGW傳遞給MME,再由MME通過無線信令消息送給終端。業務數據上傳和下傳的路徑也是一致的。

路徑:UE(終端)-MME-SGW-PGW-CIoT Services

按照傳統流程(包括用戶面優化方案),終端需要和網絡先建立SRB(Signaling Radio Bearer)再建立DRB(Data Radio Bearer),才能夠在無線通道上傳輸數據。而采用控制面優化方案(CP模式),只需要建立SRB就可以實現業務數據的收發。

(3)功能優化模式總結

CP方式借鑒了短距通信的一些設計思路,非常適合低頻次、小數據包的上傳業務,類似于短信業務。但網絡中“信令面”的帶寬有限,CP方式所以并不適合傳遞較大的業務數據包。UP模式則可以滿足大數據業務的傳遞。

不論是UP模式,還是CP模式,本質上都是通過無線通信流程的簡化,節省了終端的通信計算和能量消耗,提升了數據傳遞效率。

6.連接態的移動性管理?

最初,NB-IoT的規范是針對靜態的應用場景(如智能抄表)進行設計和制定的,所以在Rel-13版本(2016年6月)中它并不支持連接狀態下的移動性管理,即不支持“無線切換”。在隨后的Rel-14版本中,NB-IoT會支持基站小區間的切換,以保證業務在移動狀態下的連續性。

從NB-IoT的特性中可以看出,其通過“信號增強”、“尋呼優化”加強了通信覆蓋的深度。主要通過三個方面,來“照顧”終端對低耗電、低成本的要求:

1、引入了低功耗的“睡眠”模式(PSM、eDRX);

2、降低了對通信品質要求,簡化了終端設計(半雙工模式、協議棧簡化等);

3、通過兩種功能優化模式(CP模式、UP模式)簡化流程,減少了終端和網絡的交互量。

這些對廣域移動通信技術的“優化”設計,使得NB-IoT更加適合于部分物聯網的場景應用,也就是LPWA(低功耗廣域網)類型的應用。并且由于引入了睡眠模式,降低了通信品質的要求(主要是實時性要求),使得NB-IoT的基站比傳統基站,能夠接入更多的(承載LPWA業務的)終端。

采用NB-IoT的終端可以在滿足低功耗的需求下,用于較高密度部署、低頻次數據采集的應用(包括固定位置的抄表、倉儲和物流管理、城市公共設置的信息采集等),或者是較低密度部署、長距離通信連接的應用(包括農情監控、地質水文監測等)。

當然,作為一種LPWAN技術,NB-IoT有其固有的局限性,它顯然并不適用于要求低時延、高可靠性的業務(車聯網、遠程醫療),而且中等需求的業務(智能穿戴、智能家居)對于它來說也稍顯“吃力”。

在物聯網技術生態中,沒有一種通信接入技術能夠“通吃”所有的應用場景,各種接入技術之間存在一定的互補效應,NB-IoT能夠依靠其技術特性在物聯網領域中占據著一席之地。

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