NB-IoT为物联网产业发展开辟新道路

标签:物联网

访客:20878  发表于:2016-05-13 10:51:55

过去三十年里,移动通信经历了从语音业务到移动宽带数据业务的飞跃式发展,这不仅深刻改变了人们的生活方式,也极大地促进了社会和经济的飞速发展。当前4G LTE网络建设全面开展,5G已提上商用日程。相对于4G,5G的应用场景将更广泛,不仅包括传统的广覆盖、热点覆盖,还包括低功耗大连接场景。4.5G作为衔接4G和5G的重要阶段,在低功耗大连接场景方面进行了提前布局,引入了窄带物联网NB-IoT(Narrow Band-Internet of Things)技术。

NB-IoT为物联网产业发展开辟新道路

一、现阶段物联网产业发展状况

在蜂窝无线通信高速发展了近十余年的今天,人与人的通信发展已接近饱和,通信业亟待发掘新的增长点。物联网被普遍认为是一个拥有巨大潜力的商业蓝海,是电信行业几个值得期待的业务之一。移动通信正在从人和人的连接,向人与物以及物与物的连接迈进,万物互联将是未来的必然趋势。

电信行业憧憬物联网市场已达10年之久,但传统物联网长期存在的碎片化严重阻碍了产业的发展。这些碎片化主要体现在:

技术碎片化:当前对于不同的网络和应用分别有不同的协议标准和操作系统;

应用碎片化:物联网可以应用在各行各业中,需求的多样化导致了终端形态与分布的差异化;

产业碎片化:芯片商、设备商、网络商各自为政,业界没有达成统一的认识。相对于传统的蜂窝网络,物联网本身也存在特有的需求。首先是终端低功耗,现有终端支持2G、3G、4G多种制式,包括话音、短信和数据传输业务,功率损耗大。而大多数物联网终端都需要低功率,防止终端频繁的更换电池。同时,需有较大的覆盖范围,现有蜂窝网络存在盲点和弱点,但物联网中很多潜在可连接的设备存在于偏远地区,离基站较远,现有网络不能满足网络覆盖的要求。此外,单扇区需支持大量终端,物联网未来的应用场景复杂,可连接的终端数量众多,单扇区终端连接数需要很高的要求。最后,终端成本要低,低成本可以实现终端快速部署,促进物联网在各行各业应用,使物理网垂直行业快速发展。

二、NB-IoT或将成为统一物联网产业的契机

2015年9月,3GPP宣布对NB-IoT标准正式立项,并对NB-IoT的能力提出了具体的指标要求:深度覆盖,NB-IoT比现有GPRS网络提升20dB,支持单用户上下行至少160bps,覆盖面积扩大100倍;具备支撑海量连接的能力,一个NB-IOT扇区可支持5万个连接;更低功耗,5Wh的电池可供终端使用10年;时延上更灵活,对某些应用,上行的时延可放宽到10s。NB-IoT基于现有的4G LTE网络系统对物理层和高层做了大量的改进和优化,以满足3GPP的立项目标。

1.NB-IoT物理层方面

与传统的4G LTE网络不同,NB-IoT系统带宽仅200kHz,传输带宽为180kHz,两侧各保留10K的保护带宽。这一方面可以提高系统的功率谱密度,另一方面可以更灵活的选择频点。物理层下行采用12个子载波,每个子载波间隔15kHz。物理层编码、调制和传输模式均有不同程度的简化。为降低终端功耗,减小终端处理的复杂度,下行不支持波束赋型与空分复用等较复杂的传输方式。物理层上行除常规的15kHz子载波间隔外,还增加了3.75kHz的子载波间隔,支持用户上行使用单子载波传输,以提升上行传输的功率谱密度,增加覆盖能力。同时3GPP在物理层上引入了重复传输的机制,通过重复传输的分集增益和合并增益来提升解调门限,这为上下行覆盖增强提供了强有力的支撑。

2.NB-IoT高层方面

3GPP在高层方面主要是对现有的4G网络进行优化,以达到节省开销,降低终端功耗的目的。优化系统信息,通过延长系统信息有效的降低了上行随机接入、小区选择和重选的频次,降低终端功耗。优化空闲态,延长DRX的周期,扩大寻呼窗长,以进一步降低终端功耗,在空闲态情况下采用终端异频负载均衡,平衡小区之间的资源,达到更大的系统连接数。优化接入控制,通过覆盖增强对随机接入过程进行了优化,根据用户覆盖等级的不同调整用户随机接入次数。当终端出现状态异常时,可以优先接入系统,系统将优先进行故障排查定位。优化信令面,为节省业务面开销,支持控制面传输小数据的核心网方案。为进一步降低终端功耗,控制面对PDCP和加密过程进行优化,减小信令交互过程。

3.NB-IoT部署方案

NB-IoT支持三种部署方案:独立载波部署(Stand Alone)、LTE保护带部署(Guard Band),以及LTE带内部署(In Band)。为方便部署,减少实现的复杂度,业界目前主推独立载波部署方案。


NB-IoT为物联网产业发展开辟新道路

图2 NB-IoT的部署方案

4.NB-IoT应用场景

NB-IoT提供了人与物、物与物之间的连接和信息交互,可以应用在多种场景下。针对水表、电表、天然气表等智能家居产品,配备智能终端芯片,可提供随时抄表服务,在该场景下,终端位置较为固定,上行时延不敏感,终端上传的数据量比较小,类似场景还包括智能垃圾桶、智慧农业等。针对智能城市的紧急预警如火灾自动报警场景,在该场景下,终端位置固定,上行时延敏感,类似场景还包括燃气泄漏报警、电梯故障报警、老人急救等。针对移动速率较低的宠物追踪定位场景,在该场景下,移动终端的上行数据量较小,通过GPS定位可以确定终端的位置,类似场景还包括老人/幼儿实时定位等。

物联网市场的飞速发展为运营商带来了崭新的方向,NB-IoT将是一把钥匙,助力运营商打开物联网市场。

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