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NB-IoT详细解读

时间:2018-01-19 来源:m.xf187.com 作者:网络 点击:

2015年9月份,全球通信业对共同形成一个低功耗、广域覆盖(LPWA)的物联网标准达成共识, NB-IoT标准应运而生。而今年,随着NB-IoT即将完成测试,正式进入商用阶段,业界对于它的关注度和讨论也是逐渐升温。


  一、为什么NB-IoT会出现?
  据预测,2016年全球将会使用64亿个物联网设备每天将有550万个设备连网,而“万物互联”实现的基础之一在于数据的传输,不同的物联网业务对数据传输能力和实时性都有着不同要求。
  根据传输速率的不同,可将物联网业务进行高、中、低速的区分:
  高速率业务:主要使用3G、4G技术,例如车载物联网设备和监控摄像头, 对应的业务特点要求实时的数据传输;
  中等速率业务:主要使用GPRS技术,例如居民小区或超市的储物柜,使用频率高但并非实时使用,对网络传输速度的要求远不及高速率业务;
  低速率业务:业界将低速率业务市场归纳为LPWAN(Low Power Wide Area Network)市场,即低功耗广域网。目前还没有对应的蜂窝技术,多数情况下通过GPRS技术勉力支撑,从而带来了成本高、影响低速率业务普及度低的问题。
  也就是说目前低速率业务市场急需开拓,而低速率业务市场其实是最大的市场,如建筑中的灭火器、科学研究中使用的各种监测器,此类设备在生活中出现的频次很低,但汇集起来总数却很可观,这些数据的收集用于各类用途,比如改善城市设备的配置等等。
  而NB-IoT就是一种新的窄带蜂窝通信LPWAN(低功耗广域网)技术,可以帮助我们解决这个问题。


  二、NB-IoT的优势是什么?
  作为一项应用于低速率业务中的技术,NB-IoT的优势不难想象:
  强链接:在同一基站的情况下,NB-IoT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数。一个扇区能够支持10万个连接,支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。举例来说,受限于带宽,运营商给家庭中每个路由器仅开放8-16个接入口,而一个家庭中往往有多部手机、笔记本、平板电脑,未来要想实现全屋智能、上百种传感设备需要联网就成了一个棘手的难题。而NB-IoT足以轻松满足未来智慧家庭中大量设备联网需求。
  高覆盖:NB-IoT室内覆盖能力强,比LTE提升20dB增益,相当于提升了100倍覆盖区域能力。不仅可以满足农村这样的广覆盖需求,对于厂区、地下车库、井盖这类对深度覆盖有要求的应用同样适用。以井盖监测为例,过去GPRS的方式需要伸出一根天线,车辆来往极易损坏,而NB-IoT只要部署得当,就可以很好的解决这一难题。
  低功耗:低功耗特性是物联网应用一项重要指标,特别对于一些不能经常更换电池的设备和场合,如安置于高山荒野偏远地区中的各类传感监测设备,它们不可能像智能手机一天一充电,长达几年的电池使用寿命是最本质的需求。NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用,因此NB-IoT设备功耗可以做到非常小,设备续航时间可以从过去的几个月大幅提升到几年。
  低成本:与LoRa相比,NB-IoT无需重新建网,射频和天线基本上都是复用的。以中国移动为例,900MHZ里面有一个比较宽的频带,只需要清出来一部分2G的频段,就可以直接进行LTE和NB-IoT的同时部署。低速率、低功耗、低带宽同样给NB-IoT芯片以及模块带来低成本优势。模块预期价格不超过5美元。
  不过,NB-IoT仍有着自身的局限性。在成本方面,NB-IoT模组成本未来有望降至5美元之内,但目前支持蓝牙、Thread、ZigBee三种标准的芯片价格仅在2美元左右,仅支持其中一种标准的芯片价格不到1美元。巨大的价格差距无疑将让企业部署NB-IoT产生顾虑。
  此外,大部分物联网场景如智能门锁、数据监测等并不需要实时无线联网,仅需近场通信或者通过有线方式便可完成。若更换NB-IoT,是否物有所值?


  三、NB-IoT的产业链
  相对于传统产业,物联网的产业生态比较庞大,需要从纵向产业链和横向技术标准两个维度多个环节进行分析。
  对于低功耗广域网络,从纵向来看,目前已形成从“底层芯片—模组—终端—运营商—应用”的完整产业链。


  而其中,芯片在NB-IoT整个产业链中处于基础核心地位,现在几乎所有主流的芯片和模组厂商都有明确的NB-IoT支持计划。
  华为收购公司Neul的芯片实现的比较早,已有测试样片;
  高通的芯片预计会在2016年四季度阶段发布,而且高通的芯片是NB-IoT和eMTC双模的芯片;
  Intel的芯片预计今年四季度会提供第一批的芯片,但是主要是以测试为主,商用芯片也是在明年年初发布;
  MTK的芯片也在研发当中,明年上半年会发布;
  中兴微、大唐的芯片也都在研发当中。
  下面我们就选取华为和高通两家来具体聊聊。
  1、 华为
  作为NB-IoT的积极参与者华为而言,NB-IoT是一个大战略,据说华为所有的部门都积极参与其中。
  其实早在2014年,华为就斥资2500万美元收购了英国领先的蜂窝物联网芯片和解决方案提供商Neul,还计划以Neul为中心,打造一个全球级物联网。
  不出所料,在标准公布后,Neul即将在本月底火速推出NB-IoT商用芯片,这将会是业内第一款正式商用的NB-IoT芯片,而且其芯片价格向短距离通信芯片价格靠近。
  据悉,华为推出的NB-IoT芯片在硬币大小的尺寸内集成了BB和AP、Flash和电池管理,并预留传感器集成功能。其中AP包含三个ARM-M0内核,每个M0内核分别负责应用、安全、通信功能,这样在方便进行功能管理的同时降低成本和功耗,后续推出的芯片还将会集成Soft SIM,进一步降低成本。
  另外,在九月底提供第一批芯片之后,华为还将会和ublox、移远合作提供第一批的商用模组,商用模组大概是在10月中旬或下旬发布。第一批提供的量并不大,明年年初将大规模商用。
  除了芯片以外,华为在NB-IoT领域的布局可谓是全方位覆盖式的。
  在今年的世界移动大会物联网峰会上,华为正式面向全球发布了端到端NB-IoT解决方案,主要包括:Huawei Lite OS与NB-IoT芯片使能的智能化终端方案、平滑演进到NB-IoT的eNodeB基站、可支持Core in a Box或NFV切片灵活部署的IoT Packet Core、基于云化架构并具有大数据能力的IoT联接管理平台等,满足了运营商IoT业务低功耗广域覆盖的核心需求。
  另外在上个月举办的第二届中国NB-IoT产业联盟高峰论坛上,华为的NB-IoT项目负责人许海平更是表示了华为正在建设的开放实验室将更好地为NB-IoT端到端业务服务。“从今年开始,华为在全球设立了七个开放实验室,现已开放了两个,一个是沃达丰,另外一个是华为的上研所。开放实验室主要是搭建整套的端到端NB-IoT环境,提供NB-IoT的芯片和模组,和一些关系比较密切的合作厂商一起来做端到端的对接,包括芯片模组的集成、后端的联接管理平台、业务服务器的对接等。沃达丰的开放实验室主要是针对的欧洲的合作厂商,上海的实验室主要是针对中国区的,九月份还将在韩国成立一个open lab,意大利等国家也会相继推进。”
  2、高通
  高通认为在未来5年里,从物联网的角度来说,LTE依然是发展基础。3GPP Release 13下引入的NB-IoT将继续随着3GPP的发展而演进,大规模物联网(Massive IoT)所需的低成本、低功耗等将依靠LTE NB-IoT技术从蜂窝连接的方面推动其发展,为物联网5G技术发展打好基础。
  高通今年年初推了的MDM 9x07,支持Cat 4,最高支持150Mbps;另外一个是MDM 92071,支持Cat 1的标准;还有去年10月推出的MDM 9206,支持CatM1,后期通过软件升级可以支持NB-IoT。模块OEM厂商预计将于2017年初发布基于MDM 9206、支持Cat M1的模块,而对于Cat NB1的支持预计在此之后不久,通过软件升级的方式实现。
  另外,在目前的Release 13中,NB-IoT不支持VoLTE,不过在未来的Release 14中,高通就会尝试增加语音功能的支持。随着NBIoT不断演进,高通希望它能为适用于5G的物联网标准打下基础。
  讲完了芯片厂商,下面来讲讲运营商。
  从去年开始,包括中国、韩国、欧洲、中东、北美的多家主流运营商已经开展了基于pre-standard 的NB-IoT技术的试点,并开启了端到端的技术和业务验证。
  1、中国电信
  中国电信正在积极跟进NB-IoT技术发展,并正式立项对NB-IoT关键技术、终端和业务开展研发。在具体部署方案上,将基于全覆盖的800M LTE网络部署NB-IoT;基站同时支持LTE和NB-IoT与800MLTE基站共享基带、射频及天馈资源。同时,为了规避可能的频率干扰,并考虑LTE800后续演进的灵活性,优先考虑独立工作模式。
  另外,在今年7月召开的“2016年天翼智能终端交易博览会”上,中国电信联合高通、华为、中兴、英特尔、博世、SAP、IBM、爱立信、深创投、中科院上海微系统所、北邮和东南大学12家单位,共同发起成立“天翼物联产业联盟”。
  2、中国移动
  对于中国移动来说,其公众物联网平台自2014年11月底正式商用,截至今年6月,用户已超过2700万。目前,中国移动正加快推进全球统一标准窄带物联网产业成熟和物联网应用创新,构建物联网开放实验室,促进芯片和模组成熟发展,打造一张低成本、低功耗、广覆盖、高可靠的公共物联网,力争2017年实现商用。为了建设NB-IoT物联网,预计在2016年年底至2017年年中,中移动将会获得FDD牌照,并且允许重耕现有的900MHz、1800MHz频段。
  3、中国联通
  中国联通在2015年7月,建成并开放全球第一个NB-IoT新技术示范点;2016年上半年上海迪斯尼物联网启动商用; 2015年-2016年开展了NB-IoT业务试点及试验,目前正推进重点城市(北京、上海、广州、深圳、银川、长沙、福州)的NB-IoT商用部署,计划在2017年实现规模商用,2018年则将开始全面推进国家范围内的商用部署。
  中国联通部署在900MHz、1800MHz频段,用于NB-IoT和VoLTE。在900 MHz采用DSSS动态频谱解决方案,在1800MHz连续覆盖区域,部署5MHz带宽的LTE,在没有1800MHz连续覆盖的区域,带宽自动缩窄到 3MHz,但中心频点保持不变,两侧空出的频谱,自动部署14个GSM频点。
  从横向来看,产业链每一环节都有NB-IoT、LoRa、Sigfox、ZETA、Ingenu等不同技术标准的厂商存在。
  说到这些,不得不重提下之前的LPWAN,NB-IoT、LoRa、Sigfox、ZETA、Ingenu都是LPWAN的分支。
  像Lora、Sigfox等,属于工作在非授权频段的技术,这类技术大多是非标、自定义实现;而像GSM、CDMA、WCDMA等较成熟的2G/3G蜂窝通信技术是工作在授权频段的技术,这类技术基本都在3GPP(主要制定GSM、WCDMA、LTE及其演进技术的相关标准)或3GPP2(主要制定CDMA相关标准)等国际标准组织进行了标准定义。
  下面我们会选取目前已形成较为完善产业生态的NB-IoT和LoRa两种技术标准,对每一环节的市场集中度进行大体预估,集中度的大小反映在下图对应矩形框的长度,长度越长,集中度越高,长度越短,集中度越小。(集中度越高表示市场垄断率越高)


  在底层芯片领域,众所周知,当前华为海思、高通、英特尔、MTK、中兴微电子、大唐、展讯等厂商已有NB-IoT芯片的研发计划和实施步骤,原有LTE芯片能力的厂商均可参与,没法形成前2-3家垄断大部分市场,不过由于这一领域的厂商数量并不多,因此也不会形成大量市场参与者,市场集中度会保持在50%以下;而在LoRa阵营中,目前射频芯片供应集中在Semtech一家厂商,占据绝大多数市场份额,从而形成大于80%的市场集中度。
  在模组环节,由于具备渠道、技术、规模的优势,很多NB-IoT模组的出货量应该掌握在原来拥有2G/3G/LTE模组产品线的厂商手中,这一群数量相对较多,再加上一些新的厂商进入该领域,故也无法形成较高的市场集中度;在LoRa模组群体中,原有厂商多为中小企业,在LoRa应用越来越多的情况下,还有不少厂商入局,使得整个市场形成相对充分竞争状态,市场集中度较低。
  在终端环节中,由于低功耗广域网络通信技术是大量行业、消费终端所需要的,而终端的种类多种多样,无法形成少数企业拥有大规模终端的市场,因此终端市场极为分散,市场集中度较低。
  在通讯设备和平台环节中,由于华为、爱立信、中兴、诺基亚等通讯设备厂商是NB-IoT标准的核心参与者和推动者,在蜂窝通信市场上,这些主流设备厂商占据绝大多数市场份额,在NB-IoT的商用中,也不可避免占据绝大多数份额,可以说在这一环节的市场集中度较高,可能达到80%以上;而对于LoRa来说,一开始就有大量中小企业参与LoRa基站设备和管理平台的研发和生产,目前具备整体方案提供能力的厂商很多,因此并不能形成高市场集中度,而在国内中兴通讯发起的中国LoRa应用联盟(CLAA)推出的共享模式或在一定程度提升设备和平台的集中度,但仍然不会达到NB-IoT在这一环节的高集中度。
  在运营商环节,主流运营商非常明确会部署并运营NB-IoT网络,也就是说,未来的NB-IoT网络运营仍将集中在三大运营商手里,所以这一领域的市场集中度为100%;而对于LoRa网络运营来说,由于要满足各类政企行业用户多样化的需求,将来可能会出现多种形式的运营商,包括CLAA的跨地域云网络运营商、行业级网络运营商、企业私网运营商等,因此市场集中度非常低。
  至于应用环节,不论是NB-IoT还是LoRa网络,均要面对成千上万多样化的应用需求。这些物联网的应用没法形成如传统通信时代数亿级同质化应用业务,而是碎片化特点突出,即时同一行业中也有千差万别的需求,因此应用环节不会形成高度的市场集中态势。
  总结来看,非常明显的是NB-IoT的产业链上多个环节具有高度市场集中度,可以看出这一领域更多是巨头主导;LoRa产业链上芯片环节形成高度市场集中度,其他环节皆是大量参与者的形态。
  四、NB-IoT市场投资机会
  目前NB-IoT市场炒作非常热,产业链也包含了许多不同的硬件:芯片、模块、终端设备等等,可以说给各个层面的企业及产业资本提供很大的机会,纵观这些投资机会,DR君觉得以下两个创投领域非常值得关注:
  1、传感器
  NB-IoT无疑促进了物联网的产业生态,让传感器可以深入到细分市场,带来巨大的商业机会。全球传感器产业到2020年前后将拥有接近3000亿美元的市场规模,而有券商认为,中国企业将在这个千亿级的传感器市场中占有三分之一的份额,发展空间巨大。
  2、应用
  虽然底层硬件非常重要,但真正让这些装置发挥加值效果,体现数据的价值和利益分享的价值,还是需要为了特定服务目的开发的应用软件,这些更是未来巨大的市场,将为进入该领域的业者和资本提供更大的机会。
  相比面向娱乐和性能的物联网应用,NB-IoT面向低端物联网终端,更适合广泛部署,在以智能抄表、智能停车、智能追踪为代表的智能家居、智能城市、智能生产等领域的应用将会大放异彩。
  人与人通信的移动终端数量增长已看到天花板,而物与物通信才刚刚开启,我们相信未来随着NB-IoT的落地,物联网将得到飞速发展,应用前景将大大广阔,大量的数据势必带来的无穷无尽的价值。
  为了达到涵盖范围延伸(CoverageEnhancement, CE)以满足布建在细胞(Cell)边缘或地下室等信道质量较低的NB-IoT UE,基地台与NB-IoT UE之间透过采用较少数量的子载波(Subcarrier)与将欲传递的数据作重复传送以利于接收端提高正确解出数据的成功率。依照目前规格的规范,在随机存取(Random Access)信道、控制信道与数据信道所传递之讯息的重复传送次数最高可高达128、2,048与2,048次。
  三种运行模式各有发挥 灵活运用频段资源
  涵盖范围延伸(Coverage Enhancement Level, CE Level)共分为三种等级,分别为达到可对抗最大耦合损失(Maximum Coupling Loss, MCL)为144dB、154dB、164dB的讯号能量衰减。基地台与NB-IoT UE间会根据所在的CE Level来选择相对应的讯息重复传送次数。
  另一方面,为了使营运商能灵活地使用LTE频段或非LTE频段来布建NB-IoT系统以及考虑到对LTE系统的兼容性,单一载波带宽被限制为180KHz,相当于一个PRB(Physical Resource Block)的带宽。
  NB-IoT支持在频段内(In-Band)、保护频段(Guard Band)以及独立(Stand-alone)共三种运行模式。In-Band运行是利用LTE载波(Carrier)内的PRB进行数据传输,Guard Band运行是利用LTE载波内的Guard Band来进行数据传输,Stand-alone运行则是使用非LTE频段的载波来进行数据传输。为了提高NB-IoT的市场需求性,三种运行模式的设计具有一致性,但In-Band与Guard Band两种运行模式则需特别考虑到对LTE系统的兼容性。NB-IoT所支持的最大数据速率(Data Rate)在上行(Uplink)为64Kbit/s,下行(Downlink)为28Kbit/s。
  目前正值标准讨论中的阶段,接下来我们将针对物理层与接口访问控制层受影响的信道设计、功能与程序做介绍。由于截稿前,NB-IoT第十三版本的规格尚在RAN大会上等待通过,故以下的介绍以基于规格送审前的数据为主。
  物理层的变更
  NB-IoT在多重存取(Multiple Access)技术的选择上,使用与LTE系统相同之Multiple Access技术,亦即在下行使用正交分频多路存取(OrthogonalFrequency Division Multiple Access, OFDMA),在上行使用单载波分频多重存取(Single CarrierFrequency Division Multiple Access, SC-FDMA),且子载波间距 (SubcarrierSpacing)以及讯框架构(Frame Structure)与LTE系统相同。
  另外,考虑到NB-IoT UE的低成本需求,在上行亦支持单频(Single Tone)传输,使用的Subcarrier Spacing除了原有的15KHz,还新制订了3.75KHz的Subcarrier Spacing,共48个Subcarrier。
  由于带宽最多仅有1个PRB,所以不同物理层通道之间大多为分时多任务(Time Division Multiplexed, TDD),也就是在不同时间上轮流出现。另外,考虑到NB-IoT UE的低成本与低复杂度,Release-13 NB-IoT仅支持分频双工(Frequency Division Duplex, FDD)且为半双工(Half Duplex),亦即上行与下行使用不同的载波,且一NB-IoT UE传送和接收需在不同时间点进行。
  在NB-IoT中,因为带宽大小以及NB-IoT UE能力的限制,舍弃了LTE系统中如实体上行共享信道(Physical UplinkControl Channel, PUCCH)、实体混合自动重传请求或指示通道(Physical HybridARQ Indicator Channel, PHICH)等物理层通道。
  HARQ的实认信息(HARQ-ACK)/否定应答(NACK)将会传送在NB-IoT中新制定的数据信道中,而LTE系统中的周期性信道状态信息(Periodic CSI)回报,也因为考虑到资源有限与NB-IoT UE的电量耗损,在NB-IoT中不予支持。
  原有LTE系统中的其他物理层信道如实体下行控制信道(Physical DownlinkControl Channel, PDCCH)以及传送实体随机存取信道(Physical RandomAccess Channel, PRACH)也都有对应功能的新物理层信道设计,本文将逐一简介。
  调变与编码机制
  NB-IoT中下行使用的调变为正交相位位移键控(QPSK),上行若为多频传输(Multi-ToneTransmission)则使用QPSK,若为单频传输则使用π/2 BPSK或π/4 QPSK,此为考虑到降低峰值功率比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)的需求。
  信道编码方面,为了减少NB-IoT UE译码的复杂度,下行的数据传输是使用尾端位回旋码(Tail BitingConvolutional Coding, TBCC),而上行的数据传输则使用Turbo Coding。
  混合式自动重新传送程序
  在NB-IoT中,由于可用资源有限以及重复传送的行为,若在上行使用同时(Synchronous)的混合式自动重新传送程序(HARQ Process)会使得上行资源运用更加困难,因此在NB-IoT中上行和下行都使用非同时(Asynchronous)的HARQ Process,亦即若需重传则会根据新接收到的下行控制信息(Downlink Control Information, DCI)来做重传。另外,为了减少NB-IoT UE的复杂度,只支持一个HARQ Process,且在下行不支持冗余版本(Redundancy Version, RV),在上行则支持RV 0、RV 2。
  单频传输
  NB-IoT UE在上行可使用单频传输,其中Subcarrier Spacing可为15KHz以及3.75KHz。因为15KHz为3.75KHz的整数倍,所以对LTE系统有较小的干扰。由于下行的Frame Structure与LTE的相同,且为了使上行与下行的时间有清楚的关系,制定Subcarrier Spacing为3.75KHz的Frame Structure中一个符槽(Slot)包含7个符元(Symbol)共2ms长,是LTE系统中一个时槽(Slot)时间长度的4倍。
  NB-IoT系统中的取样频率(Sampling Rate)为1.92MHz,Subcarrier Spacing为3.75KHz的Frame Structure中一个Symbol的时间长度为512 Ts(SamplingDuration)加上循环前缀(Cyclic Prefix, CP)长16Ts,共528Ts。因此,一个Slot包含7个Symbol再加上保护区间(Guard Period)共3840Ts,即2ms长。
  资源单位
  有别于LTE系统中资源分配的基本单位为子讯框(Subframe),NB-IoT在上行中根据Subcarrier的数目分别制订了相对应的资源单位做为资源分配的基本单位,如表1。


  表1NB-IoT上行资源单位的subcarrier数目与slot数目组合。
  其中3.75KHz Subcarrier Spacing只支持单频传输,资源单位的带宽为一个Subcarrier,时间长度是16个Slot,也就是32ms长。15KHz Subcarrier Spacing支持单频传输和多频传输,带宽为1个Subcarrier的资源单位有16个Slot的时间长度,即8ms。带宽为12个Subcarrier的资源单位则有2个Slot的时间长度,即1ms,此资源单位即是LTE系统中的一个Subframe。资源单位的时间长度设计为2的幂次方是为了在排程上可有效的运用资源,较不易产生资源空隙而造成资源浪费。
  表1中NPUSCH Format 1的资源单位是用来传送上行数据的。NPUSCH Format 2是NB-IoT UE用来传送指示NPDSCH有无成功接收的HARQ-ACK/NACK,所使用的Subcarrier的索引(Index)是在由排程对应的NPDSCH的下行配置(Downlink Assignment)中指示,重复传送次数则是由无线资源控制模块(Radio ResourceControl, RRC)参数配置。
  同步讯号
  NPSS(Narrowband Primary Synchronization Signal)为提供NB-IoT UE时间和频率同步的参考讯号,但NPSS中并不带有分区(Sector)ID。NSSS(Narrowband Secondary Synchronization Signal)带有Physical Cell ID。NPSS与NSSS的资源位置避开了LTE系统中的控制区域,其资源位置如图1。


  图1 承载NPSS和NSSS的资源位置


  NPSS的周期是10ms,NSSS的周期是20ms。NB-IoT UE在寻找细胞(Cell Search)时,会先检测NPSS,因此NPSS的设计为短的ZC(Zadoff-Chu)序列,对于最初的讯号检测和初步的同步复杂度较低且有好的效果。
  窄频参考讯号
  NB-IoT下行最多支持两个天线端口(Antenna Port)的参考讯号,资源的位置在时间上与LTE系统的细胞参考讯号(Cell-Specific Reference Signal, CRS)错开,在频率上则与之相同,因此在In-Band Operation若有检测到CRS,可与NRS共同使用来做通道估测,如图2。


  图2 NRS资源位置

  因此,NB-IoT下行仅支持单天线(Single Antenna)和传送分集(Transmit Diversity)这两种传送模式(TransmissionMode)。
  系统信息
  系统信息MIB-NB(Narrowband Master Information Block)承载于周期640ms之周期性出现的NPBCH(Narrowband Physical BroadcastChannel)中,其余系统信息如SIB1-NB(Narrowband System InformationBlock Type1)等则承载于NPDSCH中。SIB1-NB为周期性出现,其余系统信息则由SIB1-NB中所带的排程信息做排程。
  有效下行子讯框
  在NB-IoT中,一般下行数据传输会传送在NPDSCH中,下行控制讯息则是传送在NPDCCH中,而若某一Subframe不为有效下行子讯框(Valid Downlink Subframe),则原先该在此Subframe传送的NPDSCH或NPDCCH会顺延至下一个Valid DownlinkSubframe来传送。任一Subframe若用来传输NPSS、NSSS、NPBCH、SIB1-NB,则不被视为一个Valid Downlink Subframe。
  在In-Band Operation中,ENB可能因将资源做为其他用途而会把一个Subframe设定为非Valid DownlinkSubframe,此信息将会由承载于SIB1-NB中的一个Bitmap来指示。
  Narrowband Physical Downlink Control Channel
  Narrowband Physical Downlink Control Channel(NPDCCH)有别于LTE系统中的PDCCH,并非每个Subframe均有NPDCCH,而是周期性的出现。NPDCCH有三种搜索空间(Search Space),分别用于排程一般数据传输、无线资源控制模块(Random Access)程序相关信息传输,以及呼叫(Paging)信息传输。
  各个Search Space有无线资源控制(RRC)配置相对应的最大重复次数Rmax,其Search Space的出现周期大小即为相对应之Rmax与RRC层配置的一参数之乘积。
  RRC层亦可配置一偏移(Offset)以调整一Search Space的开始时间。在大部分的搜索空间配置中,所占用的资源大小为一PRB,仅有少数配置为占用6个Subcarrier。
  一个DCI中会带有该DCI的重复传送次数,以及DCI传送结束后至其所排程之NPDSCH或NPUSCH所需的延迟时间,NB-IoT UE即可使用此DCI所在之Search Space的开始时间,来推算DCI之结束时间以及排程之数据的开始时间,以进行数据之传送或接收。
  Narrowband Physical Downlink Shared Channel
  Narrowband Physical Downlink Shared Channel(NPDSCH)是用来传送下行数据以及系统信息,NPDSCH所占用的带宽是一整个PRB大小。一个传输块(Transport Block, TB)依据所使用的调变编码(MCS),可能需要使用多于一个Subframe来传输,因此在NPDCCH中接收到的Downlink Assignment中会包含一个TB对应的Subframe数目以及重复传送次数的指示。
  Narrowband Physical Uplink Shared Channel
  Narrowband Physical Uplink Shared Channel(NPUSCH)是用来传送上行数据以及上行控制信息。NPUSCH传输可使用单频或是多频传输,一个TB依据所使用的MCS,可能需要使用多于一个资源单位来传输,因此在NPDCCH中接收到的上行允许(Uplink Grant)中除了指示上行数据传输所使用的资源单位的Subcarrier的Index,也会包含一个TB对应的资源单位数目以及重复传送次数的指示。
  Narrowband Physical Random Access Channel
  有别于LTE中Random AccessPreamble使用ZC序列,NB-IoT中的Random Access Preamble是单频传输(3.75KHzSubcarrier Spacing),且使用的Symbol为一定值。一次的Random AccessPreamble传送包含四个Symbol Group,一个Symbol Group是5个Symbol加上一CP,如图3。


  图3 Radom AccessPreamble Symbol Group


  每个Symbol Group之间会有跳频(FrequencyHopping)。选择传送的Random Access Preamble即是选择起始的Subcarrier。
  协议层的变更
  依据3GPP的规划,RAN2将NB-IoT在协议层规画了两种数据传输模式。分别是控制平面(Control Plane,CP)解决方案与使用者平面(User Plane, UP)解决方案。其中CP解决方案是必要支持,UP解决方案为额外支持的选项。
  .CP解决方案
  NB-IoT UE并不与基地台建立DRB(Data Radio Bearer)而只透过建立的SRB(Signaling Radio Bearer)来传递少量的数据。
  .UP解决方案
  基地台与NB-IoT UE之间新增了一个名叫Suspend-Resume的程序。其目的在于降低NB-IoT UE在RRC联机模式(Connected Mode)与闲置模式(Idle Mode)之间切换时所需要交换的讯息数量,藉此节省NB-IoT UE的能源消耗(Power Consumption)。实际的作法如图4,当基地台在NB-IoT UE不需要RRC联机时下达指令让该装置进入Suspend模式,而该Suspend指令中会夹带一组Resume ID(如图4,步骤11)。
  不同于以往从RRC联机模式至闲置模式的过程,基地台与NB-IoT UE间会尽可能地保留在RRC联机模式下所使用的无线资源分配以及相关安全性配置。当NB-IoT UE欲进行数据传输时,仅需要在Random Access程序中的第三道讯息(RRC ConnectionRequest)夹带基地台配给的Resume ID(如图4,步骤4),基地台即可以在透过此Resume ID来辨识NB-IoT UE,并且跳过相关的配置讯息交换,直接进入数据传输。


  图4 Suspend-Resume程序


  多载波运作模式
  系统可以在一个Cell中同时间于多个载波上提供服务,但单一NB-IoT UE同一时间仅能在一个载波上面传收数据。NB-IoT的载波可以分为两类:提供NPSS、NSSS与承载NPBCH和系统信息的载波称为Anchor Carrier,其余的载波则称为Non-Anchor Carrier。
  NB-IoT UE一律需要从Anchor Carrier上面进行Random Access,基地台会在Random Access的第四道讯息传递Non-Anchor Carrier的排程信息以将NB-IoT UE卸除至Non-Anchor Carrier上进行后续的数据传输,避免Anchor Carrier的无线资源吃紧。
  移动性
  NB-IoT UE的主要应用场景皆属于低移动性,因此为了兼顾NB-IoT的低复杂度与低成本的需求,在Release 13的规格当中将换手(Handover)程序给移除了。取而代之的是当发生NB-IoT UE在不同基地台涵盖范围间移动时,会先进行RRC释放(Release),再重新与新的基地台进行RRC联机。
  .系统信息方块的减少
  由于NB-IoT UE所支持的功能经过大量的简化,相对应地在既有LTE无线通信系统中存在的系统信息方块(SystemInformation Block, SIB),对于NB-IoT UE来讲并不需要。所以SIB的数量大幅减少至仅剩七个,且这些NB-IoT UE所需读取的SIB在基地台端是独立传送(SIB-NB),并非夹带在原有系统之SIB中。NB-IoT共有以下几种SIB-NB。
  SIB1-NB:存取有关之信息与其他系统信息方块排程
  SIB2-NB:无线资源分配信息
  SIB3-NB:Cell Re-selection信息
  SIB4-NB:Intra-frequency的邻近Cell相关信息
  SIB5-NB:Inter-frequency的邻近Cell相关信息
  SIB14-NB:存取禁止(Access Barring)
    SIB16-NB:GPS时间/世界标准时间(Coordinated Universal Time, UTC)信息
  Cell Reselection与闲置模式运作
  对于NB-IoT来讲,Cell Reselection的机制也做了适度的简化,如图5。由于NB-IoT UE并未支持紧急拨号的功能,所以当一NB-IoT UE遇到无法找到Suitable Cell之情况,该NB-IoT UE不会暂时驻扎(Camp)在Acceptable Cell,取而代之的是持续搜寻直到找到Suitable Cell为止。根据3GPP TS 36.304规格的定义,所谓的Suitable Cell为可以提供正常服务的Cell,而Acceptable Cell为仅能提供紧急服务的Cell。


  图5 NB-IoT CellReselection的程序


  逻辑信道与传送信道之对应
  NB-IoT并不支持多媒体广播多播服务(Multimedia Broadcast Multicast Service, MBMS)。所以在逻辑信道至传送信道的对应上,即移除了所有的多播通道(MCCH, MTCH)。其余的广播,数据与控制信道皆获保留。
  排程
  由于NB-IoT UE是被预期为一种低复杂的装置,故在硬件的规格等级与反应时间等能力皆较为低阶。所以基地台针对于NB-IoT UE的数据传输会强制采取跨子讯框(Cross Subframe)的排程方式,以替NB-IoT UE争取更充足的时间做DCI的译码以及传送与接收模式之间的转换。
  随机存取
  基地台会针对各个CE Level去配置对应的NPRACH资源。Random Access程序(如图6)开始之前,NB-IoT UE会藉由量测下行参考讯号来决定所在的CE Level,并使用该CE Level之NPRACH资源。但是当Random Access程序因Preamble传输阶段未能成功时,NB-IoT UE会在更高一个CE Level的NPRACH资源重新进行Random Access程序,直到尝试完所有CE Level的NPRACH资源为止。


  图6 NB-IoT Random Access程序

  反之,但对于曾经进入第三道讯息传输阶段的NB-IoT UE而言,当Random Access程序未能成功时,则是留在同样的CE Level的NPRACH资源重新进行Random Access程序。此设计的原因是假若一个NB-IoT UE可以进入到第三道讯息传输阶段,即代表该NB-IoT UE的CE Level选择洽当,Preamble传输已可以让基地台顺利接收。
  另外,NB-IoT的Random Access程序会在第三道讯息(RRC Connection Request)中进行数据数量以及功率余裕回报(Data Volume and Power Headroom Report, DPR)。NB-IoT UE在进入RRC联机模式之前,藉此通知基地台自己数据传输状态,以让基地台提前做适度的RRC资源分配。
  未来趋向提高数据速率 减少重发以降低功耗
  3GPP从第十版本的规格即开始讨论机器型态通讯,替未来的行动通讯系统挹注进许多全新的挑战。但由于MTC所采用的带宽是MHz等级,仍无法真的落实降低成本的目标。
  延伸到Release 13的NB-IoT,即以使用180KHz带宽的限制去做设计,且为了增加此标准技术的使用普遍性,制定了三种运行模式。因为带宽仅有相当于LTE系统中一个PRB的大小,因此NB-IoT中的物理层通道做了相当大的改变,且为了可与LTE系统一同运作,设计的原则以不影响LTE系统为主。协议层的程序则是将现有LTE系统中的程序做简化,减少所需要交换的讯息量,但也新设计了相关程序以因应NB-IoT中的重复传送行为以及CE Level间的变换等。
  可以预期下一个版本的NB-IoT的设计目标会转向进一步提升数据速率,以因应数据量需求较大的物联网使用情境。目前观察到的方向为增强Release 13中的多载波(Multi-Carrier)运行模式灵活性,使NB-IoT UE可同时在多个Carrier上数据传收。
  另外,NB-IoT利用重复传送的行为达到延伸涵盖范围的目的,却也带来增加能源消耗的缺点。所以在未来会设计较为精准的数据重复传送次数控制程序。例如,若基地台在NB-IoT UE重复传送结束前已成功接收数据,可提前通知NB-IoT UE停止剩余的重复传送次数以节省电力。



(m.xf187.com | 责任编辑:李俊勇)
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本文标签: NB-IoT

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