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admin 2019-10-27 阅读:216

PART 1/“物网(物联网)”的差异化需求

一直以来,人们经过相应的终端(电脑、手机、平板等)运用网络服务,“个人”一直是网络的用户主体。个人对网络质量的要求“高”且“共同”:玩网络游戏必需求低时延,下载文件或看网络视频则希望高带宽,通话需求声响明晰,而接纳的短信绝不能有遗失。

关于移动通讯网络,运营商们尽或许地维系着低时延、高带宽、广掩盖、随取随用的网络特性,以确保杰出的用户体会,以及营造出丰厚多姿的移动运用生态。

关于个人通讯事务,尽管用户的要求很高,但全体上对网络质量的需求是共同的,运营商只需求树立一套网络质量标准体系来建造、优化网络,就能满意大多数人对衔接的需求。

跟着网络中用户终端(手机、PAD等)数量的添加逐步趋缓,M2M运用成为了运营商网络事务的添加发力点,许多的M2M运用终端则成为了网络的用户。M2M运用终端(传感设备、智能终端),本质上便是物联网终端,它们经过安装无线通讯模组和SIM卡,衔接到运营商网络,然后构建出各类集中化、数字化的职业运用。

不同于个人通讯事务,在物联网终端构建的职业运用中,各范畴运用对信息收集、传递、核算的质量要求差异很大;体系和终端布置的环境也各不相同,特别是千差万别的工业环境;此外,企业在构建运用时,还需求考量技能约束(供电问题、终端体积等)和本钱操控(包含建造本钱和运营本钱)。因而,千姿百态的职业运用具有“特性化”的一面,使得衔接的需求朝着多样性的方向开展。

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物联网事务需求的差异化,表现在两个方面

一方面,不同的终端和运用对网络特性有不同的要求。传统的网络特性包含:网络接入的间隔、上下行的网络带宽、移动性的支撑、还有数据收发的频率(或称为周期性)、以及安全性和数据传输质量(完整性、稳定性、时效性等)。

这几个方面可浓缩成三个方面,为“接入间隔”、“网络特性”、“网络质量”。“接入间隔”首要分为近距接入和远距接入两种。网络的“特性”和“质量”则是表现需求差异化的首要因素,例如传感器终端的“网络特性”或许是:只需向云端发送的“上行数据”,而没有接纳的“下行数据”。

另一方面,网络还需求“照料”本来不太被重视的终端特性,以习惯各类的职业运用需求:对“能耗”和“本钱”的操控。

(1)能耗

个人用户大多数时刻都是处于宜居的环境中,智能终端常伴左右,并且在人类活动的环境中总能找到充电的“电源插头”,所以这些终端的生产厂家对电池的电量并不灵敏。

而物联网终端的作业环境相比较个人终端的作业环境,则要杂乱的多。有些物联网终端会布置在高温高压的工业环境中,有些则远离城市、放置在人迹罕至的边远地区,还有一些或许深嵌地下或落户在溪水湖泊之中。

许多设备需求电池的长时刻供电来作业,因为地理方位和作业环境无法向它们供应外部电源,替换电池的本钱也反常昂扬。所以“低功耗”是确保他们继续作业的一个要害需求。在不少运用场景中,一小粒电池的电量需求坚持某个终端“终身”的能量供应。

(2)本钱

个人运用的终端,不管是电脑仍是手机,其功用丰厚、核算才能强壮、运用广泛,通讯模块仅仅其一切电子元件和机械构建中的一小部分,在总的制作本钱中占比较低。

个人终端作为较高价值的产品,用户、厂家对其通讯单元的固定本钱并不特别灵敏。而物联网终端则不同,许多不具备联网功用的终端本来仅仅简易的传感器设备,其功用简略、本钱低价,相关于传感设备,价格不菲的通讯模块参加其间,就或许引起本钱骤升。

在运用场景中许多布置联网的传感设备,往往需求企业下决心进步终端的本钱投入。而与此对立的是:简略的传感器终端上传网络的数据量一般都很小;它们衔接网络的周期长(网络的运用频次低);每一次上传信息的价值都很低。终端本钱和信息价值不成比例,使得企业会在许多布置物联网终端的决议计划上犹豫不前。怎么下降这些哑终端(单一的传感器终端)的通讯本钱,是一个火烧眉毛的难题。

此前提及的能耗问题,假如不妥善解决,也会影响到物联网运用的运营本钱:假如终端耗电过快,就需求不断地从头布置投进或替换电池。

02

低功耗、低本钱是物联网通讯的一大需求

本来的网络对运用并不灵敏,只需供应共同的高质量网络通道(标准仅有),就可以满意大多数用户的需求。不管用户喜爱运用什么样的事务,都可以经过高质量的网络质量来取得通讯服务,网络可以满意个人用户的大多数要求。

但是跟着职业运用的深化,网络规划和建造者有必要重视到运用、终端的差异性,也便是网络需求针对终端、运用做出相应的调整和适配。

在此前说到的网络特性和终端特性中:“间隔、质量、特性”和“能耗、本钱”,前后两类特性存在亲近的相关联络:通讯基站的信号掩盖越广(“间隔长”),则基站和终端的功耗越高(“能耗高”);要完结高质量、安全牢靠的网络服务(“质量高”),需求强健的通讯协议完结过失效验、身份验证、重传机制、以树立端到端的牢靠衔接,确保的根底便是通讯模块的装备就不能低(“本钱高”)

PART2 / NB-IoT开展进程

运营商在推行M2M服务(物联网运用)的时分,发现企业对M2M的事务需求,不同与个人用户的需求。企业希望构建集中化的信息体系,与自身财物树立持久的通讯衔接,以便于办理和监控。

这些财物,往往散布各地,并且数量巨大;财物上装备的通讯设备或许没有外部供电的条件(即电池供电,并且或许是一次性的,既无法充电也无法替换电池);单一的传感器终端需求上报的数据量小、周期长;企业需求低价的通讯本钱(包含通讯资费、安装通讯模块的本钱费用)。

以上这种运用场景在网络层面具有较强的共同性,所以通讯范畴的安排、企业希望可以对现有的通讯网络技能标准进行一系列优化,以满意此类M2M事务的共同性需求。

2013年,沃达丰与华为携手开端了新式通讯标准的研讨,起先他们将该通讯技能称为“NB-M2M(LTE for Machine to Machine)”。

2014年5月份,3GPP的GERAN组成立了新的研讨项目:“FS_IoT_LC”,该项目首要研讨新式的无线电接入网体系,“NB-M2M”成为了该项目研讨方向之一。稍后,高通公司提交了“NB-OFDM”(Narrow Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 窄带正交频分复用)的技能计划。

(3GPP,“第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project)”标准化安排;TSG-GERAN (GSM/EDGE Radio Access Network):担任GSM/EDGE无线接入网技能标准的拟定)

2015年5月,“NB-M2M”计划和“NB-OFDM计划”交融成为“NB-CIoT”(Narrow Band Cellular IoT)。该计划的交融之处首要在于:通讯上行选用FDMA多址方法,而下行选用OFDM多址方法。

2015年7月,爱立信联合中兴、诺基亚等公司,提出了“NB-LTE”(Narrow Band LTE)的技能计划。

在2015年9月的RAN#69次全会上,经过剧烈的评论和洽谈,各计划的主导者将两个技能计划(“NB-CIoT”、“NB-LTE”)进行了交融,3GPP对共同后的标准作业进行了立项。该标准作为共同的国际标准,称为“NB-IoT(Narrow Band Internet of Things,依据蜂窝的窄带物联网)”。自此,“NB-M2M”、“NB-OFDM”、“NB-CIoT”、“NB-LTE”都成为了前史。

2016年6月,NB-IoT的中心标准作为物联网专有协议,在3GPP Rel-13冻住。同年9月,完结NB-IoT功用部分的标准拟定。2017年1月,完结NB-IoT共同性测验部分的标准拟定。


在我看来,促进这几种低功耗蜂窝技能“结盟”的要害,并不仅仅是日益添加的商业诉求,还有其它重生的(非授权频段)低功耗接入技能的要挟。LoRa、SIGFOX、RPMA等新式接入技能的呈现,促进了3PGG中相关成员企业和安排的抱团开展。

PART3/ NB-IoT技能特性

和其竞争对手相同,NB-IoT着眼于低功耗、广域掩盖的通讯运用。终端的通讯机制相对简略,无线通讯的耗电量相对较低,合适小数据量、低频率(低吞吐率)的信息上传,信号掩盖的规模则与一般的移动网络技能根本相同,职业界将此类技能统称为“LPWAN技能”(Low Power Wide Area,低功耗广域技能)。

NB-IoT针对M2M通讯场景对原有的4G网络进行了技能优化,其对网络特性和终端特性进行了适当地平衡,以习惯物联网运用的需求。

在“间隔、质量、特性”和“能耗、本钱”中,确保“间隔”上的广域掩盖,必定程度地下降“质量”(例如选用半双工的通讯形式,不支撑高带宽的数据传送),削减“特性”(例如不支撑切换,即衔接态的移动性办理 )。

网络特性“缩水”的优点便是:一起也下降了终端的通讯“能耗”,并可以经过简化通讯模块的杂乱度来下降“本钱”(例如简化通讯链路层的处理算法)。

所以说,为了满意部分物联网终端的特性要求(低能耗、低本钱),网络做出了“退让”。NB-IoT是“献身”了一些网络特性,来满意物联网中不同以往的运用需求。

01

布置方法


为了便于运营商依据自在网络的条件灵活运用,NB-IoT可以在不同的无线频带进步行布置,分为三种状况:独立布置(Stand alone)、维护带布置(Guard band)、带内布置(In band)。

Stand alone形式:运用独立的新频带或闲暇频段进行布置,运营商所提的“GSM频段重耕”也归于此类形式;

Guard band形式:运用LTE体系中边际的维护频段。选用该形式,需求满意一些额定的技能要求(例如原LTE频段带宽要大于5Mbit/s),以防止LTE和NB-IoT之间的信号搅扰。

In band形式:运用LTE载波中心的某一段频段。为了防止搅扰,3GPP要求该形式下的信号功率谱密度与LTE信号的功率谱密度不得超越6dB。

除了Stand alone形式外,别的两种布置形式都需求考虑和原LTE体系的兼容性,布置的技能难度相对较高,网络容量相对较低。

02

掩盖增强

为了增强信号掩盖,在NB-IoT的下行无线信道上,网络体系经过重复向终端发送操控、事务音讯(“重传机制”),再由终端对重复承受的数据进行兼并,来进步数据通讯的质量。

这样的方法可以添加信号掩盖的规模,但数据重传势必将导致时延的添加,然后影响信息传递的实时性。在信号掩盖较弱的当地,尽管NB-IoT可以确保网络与终端的连通性,但对部分实时性要求较高的事务就无法确保了。

在NB-IoT的上行信道上,相同也支撑无线信道上的数据重传。此外,终端信号在更窄的LTE带宽中发送,可以完结单位频谱上的信号增强,使PSD(Power Spectrum Density,功率谱密度)增益更大。经过添加功率谱密度,更利于网络接纳端的信号解调,提升了上行无线信号在空中的穿透才能。


经过上行、下行信道的优化规划,NB-IoT信号的“耦合损耗(coupling loss)”最高可以到达164dB。

(补白: 耦合损耗,指能量从一个电路体系传到达另一个电路体系时发作的能量损耗。这里是指无线信号在空中传达的能量损耗)

为了进一步运用网络体系的信号掩盖才能,NB-IoT还依据信号掩盖的强度进行了分级(CE Level),并完结“寻呼优化”:引进PTW(寻呼传输窗),答应网络在一个PTW内屡次寻呼UE,并依据掩盖等级调整寻呼次数。

惯例掩盖(Normal Coverage),其MCL(Maximum Coupling Loss,最大耦合损耗)小于144dB,与现在的GPRS掩盖共同。

扩展掩盖(Extended Coverage),其MCL介于144dB与154dB之间,相对GPRS掩盖有10dB的增强

极点掩盖(Extreme Coverage),其MCL最高可达164dB,相对GPRS掩盖强度提升了20dB。

03

NB-IoT低功耗的完结

要终端通讯模块低功耗运转,最好的方法便是尽量地让其“休眠”。NB-IoT有两种形式,可以使得通讯模块只在约好的一段很时刻短的时刻段内,监听网络对其的寻呼,其它时刻则都处于封闭的状况。这两种“省电”形式为:PSM(power saving mode,省电形式)和eDRX(Extended Discontinuous Reception,扩展的不接衔接纳)

(1) PSM形式

在PSM形式下,终端设备的通讯模块进入闲暇状况一段时刻后,会封闭其信号的收发以及接入层的相关功用。当设备处于这种部分关机状况的时分,即进入了省电形式-PSM。终端以此可以削减通讯元器件(天线、射频等)的能源消耗。

终端进入省电形式期间,网络是无法访问到该终端。从语音通话的视点来说,即“无法被叫”。

大多数状况下,选用PSM的终端,超越99%的时刻都处于休眠的状况,首要有两种方法可以激活他们和网络的通讯:

当终端自身有衔接网络的需求时,它会退出PSM的状况,并自动与网络进行通讯,上传事务数据。

在每一个周期性的TAU (Tracking Area Update,盯梢区更新)中,都有一小段时刻处于激活的状况。在激活状况中,终端先进入“衔接状况(Connect)”,与通讯网络交互其网络、事务的数据。在通讯完结后,终端不会马上进入PSM状况,而是坚持一段时刻为“闲暇状况(IDLE)”。在闲暇状况状况下,终端可以承受网络的寻呼。

在PSM的运转机制中,运用“激活定时器(Active Timer,简称AT)”操控闲暇状况的时长,并由网络和终端在网络附着(Attach,终端初次挂号到网络)或TAU时洽谈决议激活定时器的时长。终端在闲暇状况下呈现AT超时的时分,便进入了PSM状况。

依据标准,终端的一个TAU周期最大可达310H(小时);“闲暇状况”的时长最高可到达3.1小时(11160s)。

从技能原理可以看出,PSM适用于那些几乎没有下行数据流量的运用。云端运用和终端的交互,首要依赖于终端自主性地与网络联络。绝大多数状况下,云端运用是无法实时“联络“到终端的。

(2) PSM形式

在PSM形式下,网络只能在每个TAU最开端的时刻段内寻呼到终端(在衔接状况后的闲暇状况进行寻呼)。eDRX形式的运转不同于PSM,它引进了eDRX机制,提升了事务下行的可达性。

(补白:DRX(Discontinuous Reception),即不接衔接纳。eDRX便是扩展的不接衔接纳。)

eDRX形式,在一个TAU周期内,包含有多个eDRX周期,以便于网络更实时性地向其树立通讯衔接(寻呼)。

eDRX的一个TAU包含一个衔接状况周期和一个闲暇状况周期,闲暇状况周期中则包含了多个eDRX寻呼周期,每个eDRX寻呼周期又包含了一个PTW周期和一个PSM周期。PTW和PSM的状况会周期性地替换呈现在一个TAU中,使得终端可以间歇性地处于待机的状况,等候网络对其的呼叫。


eDRX形式下,网络和终端树立通讯的方法相同:终端自动衔接网络;终端在每个eDRX周期中的PTW内,承受网络对其的寻呼。

在TAU中,最小的eDRX周期为20.48秒,最大周期为2.91小时

在eDRX中,最小的PTW周期为2.56秒,最大周期为40.96秒

在PTW中,最小的DRX周期为1.28秒,最大周期为10.24秒

全体而言,在TAU共同的状况下,eDRX形式相比较PSM形式,其闲暇状况的散布密度更高,终端对寻呼的呼应更为及时。eDRX形式适用的事务,一般下行数据传送的需求相对较多,但答应终端承受音讯有必定的延时(例如云端需求不定期地对终端进行装备办理、日志收集等)。依据技能差异,eDRX形式在大多数状况下比PSM形式更耗电。

04

终端简化带来低本钱

针对数据传输质量要求不高的运用,NB-IoT具有低速率、低带宽、非实时的网路特性,这些特性使得NB-IoT终端不用向个人用户终端那样杂乱,简略的结构、简化的模组电路仍然可以满意物联网通讯的需求。

NB-IoT选用半双工的通讯方法,终端不可以一起发送或承受信号数据,相对全双工方法的终端,削减了元器件的装备,节省了本钱。

事务低速率的数据流量,使得通讯模组不需求装备大容量的缓存。低带宽,则下降了对均衡算法的要求,下降了对均衡器功用的要求。(均衡器首要用于经过核算抵消无线信道搅扰)

NB-IoT通讯协议栈依据LTE规划,但它体系性地简化了协议栈,使得通讯单元的软件和硬件也可以相应的下降装备:终端可以运用低本钱的专用集成电路来代替高本钱的通用核算芯片,来完结协议简化后的功用。这样还可以削减通讯单元的全体功耗,延伸电池运用寿命。

05

事务在中心网络中的简化

在NB-IoT的中心网络(EPC- Evolved Packet Core,即4G中心网)中,针对物联网事务的需求特性,蜂窝物联网(CIoT)界说了两种优化计划:

CIoT EPS用户面功用优化(User Plane CIoT EPS optimisation)

CIoT EPS操控面功用优化(Control Plane CIoT EPS optimisation)

(1) 用户面功用优化

“用户面功用优化”与原LTE事务的差异并不大,它的首要特性是引进RRC (无线资源操控)的“挂起/康复(Suspend/Resume)流程”,削减了终端重复进行网络接入的信令开支。

当终端和网络之间没有数据流量时,网络将终端置为挂起状况(Suspend),但在终端和网络中依旧保存原有的衔接装备数据。

当终端从头建议事务时,原装备数据可以当即康复通讯衔接(Resume),以此减去了从头进行RRC重配、安全验证等流程,下降了无线空口上的信令交互量。

(2) 操控面功用优化

“操控面功用优化”包含两种完结方法(音讯传递途径)。经过这两种方法,终端不用在无线空口上和网络树立事务承载,就可以将事务数据直接传递到网络中。

补白:通讯体系的特性之一是操控与承载(事务)别离,直观的来说便是事务的操控音讯(树立事务、开释事务、修正事务)和事务数据自身并不在同一条链路上混合传递。NB-IoT的操控面功用优化则简化了这种惯常的信息事务架构。

CP形式的两种完结方法,即两种数据传递的途径:


A.在中心网内,由MME、SCEF网元担任事务数据的转接

在该方法中,NB-IoT引进了新的网元:SCEF(Service Capa- bility Exposure Function,服务才能敞开渠道)。物联网终端承受或发送事务数据,是经过无线信令链路进行的,而非无线事务链路。

当终端需求上传数据时,事务数据由无线信令音讯带着,直接传递到中心网的网元MME(Mobility Management Entity,4G中心网中的移动性办理实体),再由MME经过新增的SCEF网元转发到CIoT服务渠道(CIoT Services,也称为AP-运用服务)。云端向终端发送事务数据的方向则和上传方向正好相反。

途径:UE(终端)-MME-SCEF- CIoT Services

B.在中心网内,经过MME与事务面交互事务数据

在该方法中,终端相同经过无线信令链路收发事务数据。关于事务数据的上传,是由MME设备将终端的事务数据送入中心网的事务面网元SGW,再经过PGW进入互联网渠道;关于下传事务数据,则由SGW传递给MME,再由MME经过无线信令音讯送给终端。事务数据上传和下传的途径也是共同的。

途径:UE(终端)-MME-SGW-PGW-CIoT Services

依照传统流程(包含用户面优化计划),终端需求和网络先树立SRB(Signaling Radio Bearer)再树立DRB(Data Radio Bearer),才可以在无线通道上传输数据。而选用操控面优化计划(CP形式),只需求树立SRB就可以完结事务数据的收发。

(3)功用优化形式总结

CP方法学习了短距通讯的一些规划思路,十分合适低频次、小数据包的上传事务,类似于短信事务。但网络中“信令面”的带宽有限,CP方法所以并不合适传递较大的事务数据包。UP形式则可以满意大数据事务的传递。

不管是UP形式,仍是CP形式,本质上都是经过无线通讯流程的简化,节省了终端的通讯核算和能量消耗,提升了数据传递功率。

06

衔接态的移动性办理

开始,NB-IoT的标准是针对静态的运用场景(如智能抄表)进行规划和拟定的,所以在Rel-13版别(2016年6月)中它并不支撑衔接状况下的移动性办理,即不支撑“无线切换”。在随后的Rel-14版别中,NB-IoT会支撑基站小区间的切换,以确保事务在移动状况下的接连性。

PART4/ NB-IoT的技能特性总结

从NB-IoT的特性中可以看出,其经过“信号增强”、“寻呼优化”加强了通讯掩盖的深度。首要经过三个方面,来“照料”终端对低耗电、低本钱的要求:

1、引进了低功耗的“睡觉”形式(PSM、eDRX);

2、下降了对通讯质量要求,简化了终端规划(半双工形式、协议栈简化等);

3、经过两种功用优化形式(CP形式、UP形式)简化流程,削减了终端和网络的交互量。

这些对广域移动通讯技能的“优化”规划,使得NB-IoT愈加合适于部分物联网的场景运用,也便是LPWA(低功耗广域网)类型的运用。并且因为引进了睡觉形式,下降了通讯质量的要求(首要是实时性要求),使得NB-IoT的基站比传统基站,可以接入更多的(承载LPWA事务的)终端。

选用NB-IoT的终端可以在满意低功耗的需求下,用于较高密度布置、低频次数据收集的运用(包含固定方位的抄表、仓储和物流办理、城市公共设置的信息收集等),或者是较低密度布置、长间隔通讯衔接的运用(包含农情监控、地质水文监测等)。

当然,作为一种LPWAN技能,NB-IoT有其固有的局限性,它明显并不适用于要求低时延、高牢靠性的事务(车联网、长途医疗),并且中等需求的事务(智能穿戴、智能家居)关于它来说也稍显“费劲”。

在物联网技能生态中,没有一种通讯接入技能可以“通吃”一切的运用场景,各种接入技能之间存在必定的互补效应,NB-IoT可以依托其技能特性在物联网范畴中占有着一席之地。