NB-IoT技术

1、低功耗广域网
      低功耗广域网(Low Power Wide Area Network),简写为LPWAN,是一种远距离低功耗的无线通信网络,多数LPWAN技术可以实现几公里甚至几十公里的网络覆盖。由于其网络覆盖范围广、终端功耗低等特点其更适合于大规模的物联网应用部署。LPWAN的主要技术包括:LoRa、NB-IoT、Sigfox、LTE-M、Weightless-P、RPMA、ZETA等。其中前三种技术在LPWAN技术中最为热门。
      LPWAN技术与蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、802.15.4等无线连接技术相比LPWAN技术距离更远;与蜂窝技术(如GPRS、3G、4G等)相比连接功耗更低。即低功耗广域网“长距离+省电”的特性,解决了物联网传输的需求。

2、窄带物联网
      窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,简称“NB-IoT”)成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络,只消耗大约180kHz的带宽,可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络,以降低部署成本、实现平滑升级。 
      NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术,支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接,也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说NB-IoT设备电池寿命可以提高至少10年,同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。

3、NB-IoT的提出背景
      长期以来,电信运营商的物联网主要依靠成本低廉的GPRS模块,然而LoRa、Sigfox等新技术在成本、功耗和覆盖方面的优势使得GPRS模块的地位受到威胁。于是在2014年3月,3GPP提出新的研究项目,以支持更低复杂度、更低成本、更低功耗、更强覆盖等增强特性。NB-IoT则是这个方向的全新接入技术。

4、NB-IoT的技术特点
      广覆盖:NBiot的广覆盖能力主要以来两个方面技术,一个是功率谱密度增强,一个是时域重复。频率谱密度增强主要应用于上行反向的信号,通过把NBiot上行的信号发射功率通过更窄带宽的载波进行发送,增强单位频谱上发送的信号强度,从而提升信号的覆盖能力和穿透性。时域重复则是在上行和下行方向的通信都有使用,它指同一控制信息或业务数据在空口信道上发送时,进行多次重复发送,在接收端对接收到的重复内容进行合并,从而提高覆盖能力。
      一般而言,通信链路的下行覆盖大于上行覆盖,因为用户终端的发射功率往往受限,而网络侧远端射频模块发射功率理论上容易提升。在链路预算中,计算最大耦合损耗(Maximun Coupling Loss,MCL)时大部分只是计算上行链路。NB-iot根据MCL的数值将覆盖增强等级分为三个等级。常规覆盖MCL<144dB,与现有GPRS覆盖一致;扩展覆盖144dB<MCL<154dB,在原基础上提升10dB;极端覆盖MCL>154dB,在原基础上提升了20dB。
      低功耗:由于通信设备消耗能量与传输数据量或通信速率有关,即单位时间内发出数据包大小决定了功耗大小。一般来说,NB-IoT聚焦于低速率、小数据、对延时不敏感的应用,可以从这些设备的通信特点入手来降低设备功耗。
      NB-IoT在LTE系统的非连续接收(Discontinuous Reception,DRX)基础上进行了优化,采用功耗节省模式(Power Saving Mode,PSM)和增强型非连续接收(Enhanced Discontinuous Reception,eDRX)两种模式。这两种模式都是通过提升深度休眠时间的占比来降低功耗。相比较而言,PSM的省电效果相对较好,eDRX的实时性要好一些。两种模式可以用来适配不同的应用场景,如eDRX模式更适合宠物追踪,PSM模式更适合远程抄表。
      低成本:因为低速率意味数据发的慢不需要缓存,低功耗意味射频设计要求低,低带宽意味不需要各种复杂的均衡算法,上下行信号在频谱上分开则节省双工元器件成本,所以NB-IoT的芯片成本大大降低。具体来说可以体现在窄带系统基带复杂度低;单天线、半双工,RF成本低;上行峰均比低,功放效率高,SOC可内置PA;电源管理简化;简化协议栈,减少片内Flash/RAM。
      大连接:由于NB-IoT是针对对延时不敏感的业务,所以可以允许更多的用户接入,保存更多的用户上下文,可以让5万个终端同时接入一个小区,其中大量终端处于休眠状态,只要保留着连接的上下文信息,一旦有数据发送,终端可以快速进入连接状态。相比GPRS移动网络NBIoT有50~100的上行容量提升。
      授权频谱:NB-IoT沿用LTE系统定义的频段号,NB-IoT Rel-13指定了14个工作频段。一个NB-IoT载波,在频域上占用180kHz传输带宽。
      安全性:NBiot继承了4G网络安全的能力。


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