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LTE的物联网技术,Cat-M与NB-IoT的比较

2022-5-16 13:49| 发布者: 闪电| 查看: 1| 评论: 0

摘要: 第1章LTE网络架构的演进到了4G, 网络架构发生了重大的改变核心网取消了CS(电路域),全IP的EPC(Evolved Packet Core,移动核心网演进)支持各类技术统一接入,实现固网和移动融合(FMC),灵活支持VoIP及基于IMS多 ...

第1章  LTE网络架构的演进

 

到了4G, 网络架构发生了重大的改变

  • 核心网取消了CS(电路域),全IP的EPC(Evolved Packet Core,移动核心网演进)支持各类技术统一接入,实现固网和移动融合(FMC),灵活支持VoIP及基于IMS多媒体业务,实现了网络全IP化;语音、文本、视频全部通过IP域实现。自然,物联网的功能也是有IP域来完成。
  • 接入网取消了RNC,原来RNC功能被分散到了eNodeB和网关(GW)中,eNodeB直接接入EPC,LTE网络结构更加扁平化,降低了用户可感知的时延,大幅提升用户的移动通信体验;

发展到LTE,无论是语音、文本、视频都是IP数据,是一个纯IP的网络。

 

需要说明的是:

在物联网的支持上,LTE并没有对核心网进行改造,以支持不同的业务,在核心网一侧,物联网数据和普通的数据并没有多大的差别。

对物联网的支持,主要体现在空口上,之所以体现在空口山,主要是因为物联网终端的特点所决定的:

而物联网由于器数据量小,终端的功耗低等特征,物理网业务与普通的数据业务数据不太相同。

因此LTE为物联网发展处了特定的、新的空口技术:LTE-M、NB-IoT,以到达最大可能的降低终端的功耗!!!与LoRa物联网接入抗衡!!!

需要明确的是:降低终端的功耗,是LTE-M和NB-IoT的初衷,这与5G对核心网的改造的初衷不同(主要是为了支持各种不同的物联网业务)

 

第2章 LTE-M

(1)概述

LTE-M: LTE-Machine, 用于物联网机器通信的LTE。

他与主流的LTE从技术上来看,并没有什么区别,可以说基本完全相同,仅有一点不同,就是LTE-M的带宽是1.4M,除了与LTE-5M/10M/15/20M在带宽有区别外,其他地方并无大的区别。

关于LTE技术原理的拆解,可以参考《图解通信原理与案例分析-20:4G LTE调制与多路复用技术:QAM正交幅度调制、多载波调制、O-FDM正交频分复用、SC-FDMA频分复用、IQ调制、混频》https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/109561499

这里就不再赘述。

(2)部署方式

作为一个独立小区来部署的,小区的载波带宽为1.4M.

 

第3章  NB-IoT

3.1 NB-IoT概述

 

窄带物联网(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)成为万物互联网络的一个重要分支。

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),是一个可以LoRa竞争的一个低功耗无线广域网技术。

NB-IoT构建于蜂窝网络只消耗大约180kHz的带宽,可直接部署于2G GSM网络、3G UMTS网络或4G LTE网络,以降低部署成本、实现平滑升级

虽然NB-IoT网络可以部署在2G/3G/4G网络中,但并不表明NB-IoT网络是2G/3G/4G小区的一部分,只表明NB-IoT网络的载波频谱利用了已有的2G/3G/4G网络中载波频谱而已,NB-IoT网络本是是独立于2G/3G/4G网络的。这一点需要特别说明!NB-IoT小区是一个简化版的2G/3G/4G网络,有自己独立的协议。

 

3.2 NB-IoT 网络架构

 

NB-IoT RAN与LTE RAN是并列的。

 

 

(1)信息收集终端:收集物联网数据,通过LTE NB-IoT传输给NB-IoT基站。

(2)NB-IoT基站:有多张部署方式,可以独立部署,也可以与LTE普通基站一起部署。

(3)IoT平台:物联网服务平台,提供访问物联网终端数据的能力。

(4)IoT应用:根据采集到的物联网终端数据,实时某种业务应用,如上图中的停车缴费业务。

其中IoT平台和IoT应用不是LTE移动网络的一部分,处于LTE移动网络之外。

 

3.3 NB-IoT的特点

 

  • 承载的数据量小

上下行速率:大于160kbps, 小于250kbps,如此低的速率,也就是发几个消息,无法进行视频或其他大数据传输。

不过,对于用于采集非视频数据的物联网终端而言 ,基本够用了。

 

  • 极大的降低了终端的设计的复杂度

不像我们手机,如果信号不好、移动速度太快手机导致手机在不同基站之间切换、小区边缘不稳定等因素,会导致通话断断续续甚至掉线。

然而对于物联网终端使用NB-IOT大部分场景是(1)静止的,如智能抄表,(2)对延时的要求不高;(3)可以重传而不影响结果;

这样可以降低协议的复杂度,同时降低模块成本。

 

  • 覆盖广,相比传统GSM,一个基站可以提供10倍的面积覆盖

一个NB-IOT基站可以覆盖10km的范围,小县城一个基站就可以覆盖了。

同时NB-IoT比LTE和GPRS基站提升了20dB的增益,能覆盖到地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方,在地下是不可能有信号打电话的,但NB-IOT仍然可以通信!

 

  • 海量连接

200KHz的频率可以提供10万NB-IoT连接,提供的连接越多,那基站就建的少,基站建的少,那就省钱!

 

  • 低功耗

使用AA电池(5号电池)便可以工作十年,无需充电,

NB-IoT引入了eDRX省电技术和PSM省电模式,进一步降低了功耗,延长了电池使用时间。

在PSM模式下,终端仍旧注册在网,但信令不可达,从而使终端更长时间驻留在深睡眠以达到省电的目的。

eDRX省电技术进一步延长终端在空闲模式下的睡眠周期,减少接收单元不必要的启动,相对于PSM,大幅度提升了下行可达性。

 

3.4 NB-IOT的三种频谱部署模式

NB-IoT支持在频段内(In-Band)、保护频段(Guard Band)以及独立(Stand-alone)共三种部署方式。

 

(1)独立部署ST(Stand alone operation)

适合用于重用GSM频段,GSM的信道带宽为200KHz,这刚好为NB-IoT 180KHz带宽辟出空间,且两边还有10KHz的保护间隔。

NB-IoT采用Standalone部署方式时,频率的选择比较灵活,可以在GSM、UMTS、LTE网络的频谱内部署。

  • GSM网络中独立部署

 

使用GSM频谱时频率规划方式如图,其中在NB-IoT基站与GSM基站比例为1:1时,保护带为100khz;当比例达到1:3或1:4时,保护带为100kHz;当比例达到1:3或1:4时,保护带为200kHz。

  • LTE网络独立部署

 

使用LTE频谱时频率规划方式如图,

在NB-IoT基站与LTE基站比例为1:1时,LTE频谱保护带需满足:

1.4MHZ空余160kHz,

3MHz空余150kHZ,

5MHZ空余250kHZ,

10MHz空余500kHz,

15MHz空余750kHz,

20MHz空余1MHz。

当比例达到1:3或1:4时,LTE频谱保护带需满足:

5MHz以上带宽使用LTE内置保护带即可,

5MHz以下带宽需要200kHz保护带宽。

  • NB-IoT在UMTS中部署

 

使用UMTS频谱时频率规划方式如图,NB-IoT使用频点的中心频率与UMTS中心频率需相隔2.6MHz。

 

(2)保护带部署GB(Guard band operation)

 

不占LTE资源,利用LTE边缘保护频带中未使用的180KHz带宽的资源块。

该部署方式中,LTE载波需保持在10MHz以上,需严格滤波,LTE保护带需预留500kHz带宽,包括NB-IoT带宽180kHz,向右保护带宽200kHz,向左保护带宽100kHz

 

(3)带内部署IB(In-band operation)

3GPP协议规定 Inband部署方式要求LTE系统带宽为3MHz及以上带宽。

Inband部署方式占用LTE的1个资源块(PRB), LTE会预留这些PRB资源给NB-IoT使用,LTE网络自身不再使用这些预留的资源。

这个预留的PRB子载波,有自己独立的物理层帧结构。

 

三种部署方式的比较:

下面从频谱、带宽、兼容性、覆盖、容量、时延、终端能耗、产业情况等方面来对三种部署方式进行比较。

 

 

3.5 NB-IoT终端芯片厂家

华为海思、Qualcomm、Intel、RDA、简约纳、MTK、TI、SEQUANS、MARVELL、NODRIC、中兴微等。


 

3.6 NB-IoT关键技术

(1)LTE NB-IoT与普通的LTE的比较

 

 

简而言之:

LTE NB-IoT是在180K(12个PBB)带宽的基础上部署的一个简化版、优化版的LTE NB-IoT小区,

简化:是针对LTE而言的

优化:是针对物联网而言的。

对于独立部署和保护带部署的NB-IoT小区,基站一侧,可以对其独立调度。

而对于带内部署NB-IoT,基站一侧,可以对其,可以与LTE小区一起调度。

 

(2)NB IoT的无线资源

180K带宽:即12个15K的子载波,相当于LTE的一个PRB资源。

 


(3)DRX(Discontinuous Reception),即不连续接收。eDRX是扩展不连续接收。

eDRX/PSM功耗示例

如图所示,DRX的是不连续的去接受信号,大部分时间休息。

举个例子,

连续接收就是一个保安一天24小时不能离开工作岗位,眼睛要认真的瞪着门口看有没有异常发生。

不连续接收是保安一个小时只花十分钟去看门,其他时间喝茶休息。

 

(4)PSM(Power Saving Mode),即省电模式。

很多物联网终端大部分时间是没有事情可以做的,抄表发一个表字就完了,干完活就可以睡大觉了。设备进入休眠状态。

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