【物联网学习笔记——人人学IoT系列】三、窄带无线，海量物联
目录
- 1. NB-IoT
- 1.1 NB-IoT背景知识
- 1.2 NB-IoT的网络总体架构
- 2. NB-IoT中的Niubility技术
- 2.1 NB-IoT物理层
- 2.1.1 NB-IoT上行技术
- 2.1.2 NB-IoT下行技术
- 2.1.2 NB-IoT的物理信道
- 2.2 NB-IoT网络
- 2.3 NB-IoT关键特性
- 2.3.1 超低成本特性
- 2.3.2 超低功耗特性
- 2.3.3 超强覆盖特性
- 2.3.3.1 最大耦合损耗
- 2.3.3.2 功率谱密度提升
- 2.3.3.3 重复发送
- 2.3.4 超大连接特性
- 2.3.4.1 关键技术1>上行业务调度单元小
- 2.3.4.2 关键技术2>PSM/eDRX降低设备对基站的资源使用
- 2.3.4.3 关键技术3>减小空口信令开销
- 2.3.4.4 关键技术34>基站、核心网优化
- 3. eLTE-IoT中的execllent技术
- 3.1 eLTE-IoT解决方案
- 3.2 eLTE-IoT的应用
- 3.2.1 eLTE-IoT在制造行业的应用
- 3.2.2 eLTE-IoT在电力行业的应用
- 3.3 eLTE-IoT解决方案的特性
- 3.3.1 可靠连接
- 3.3.2 海量物联
- 3.3.3 更低功耗
- 3.3.4 更广覆盖
- 3.4 eLTE-IoT网络架构
- 3.4.1 网络架构
- 3.4.2 网元设备
- 4. 总结
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【物联网学习笔记——人人学IoT系列】一、初识物联网
【物联网学习笔记——人人学IoT系列】二、IoT平台，能力开放
在物联网这个名词广为人知的背后，离不开LPWA（低功耗广域网）技术的支撑，在低功耗广域网技术里，NB-IoT又尤为受世人关注。
本篇主要了解NB-IoT这项通信技术。
1. NB-IoT
1.1 NB-IoT背景知识
“NB”的全称是Narrow Band，表明NB-IoT是一项基于窄带的通信技术。其次，NB-IoT与前面提到的同为LPWA的SigFox和LoRa有所不同，NB-IoT是构建于电信运营商的蜂窝移动网络，所以，NB-IoT的研究和标准化工作是3GPP标准组织进行的。
NB-IoT的标准演进
- 最初，华为与vodafone合作研究基于窄带的机器间通讯技术：NB-M2M(Narrow Band-Machine to Machine)；
- 在2015年5月份，这项通讯技术与高通公司当时研究的基于窄带正交频分复用的NB-OFDM进行技术融合，形成NB-CIoT;
- 在2015年9月，NB-CIoT与爱立信公司研究的基于窄带和LTE制式的NB-LTE进行技术融合，形成我们现在认识的NB-IoT；在2015年9月，NB-IoT在3GPP上正式立项；
- 到2016年6月份，核心标准冻结，这也是3GPP史上冻结最快的一项通信协议。
目前，全球多数运营商选择NB-IoT作为蜂窝物联网演进的第一步，其在全球正在飞速发展。
1.2 NB-IoT的网络总体架构
NB-IoT的总体架构与之前学习的物联网层次架构划分是类似的：
NB-IoT终端属于感知层，负责数据信息的采集处理，并且通过NB-IoT通信模组进行无线连接，发送数据。
NB-IoT基站与EPC核心网，属于网络层，负责数据信息的接入、传输和转发，其中NB-IoT的eNodeB基站是低成本站点解决方案，可以在原有的2G或者4G的基站上，通过软件或更换基带板进行升级，并且相比之前支持更大容量的连接。
NB-IoT核心网包含了四个主要网元(MME、HSS、S-GW、P-GW)，这四个网元也是LTE的网元
MME是LTE接入网络的关键控制节点，它负责空闲模式的终端设备的定位、传呼过程，包括中继。简单地说，MME是负责信令处理部分。
HSS用户归属网络中存储用户信息的核心数据库，用于在归属网络中保存用户的签约信息。
S-GW负责和无线建立连接，把用户的数据包转发至PGW。
P-GW,PDN网关是3GPP与non-3GPP网络间的用户面数据链路的锚点，负责管理3GPP和non-3GPP间的数据路由，还负责策略执行，计费等功能。
可以说NB-IoT的核心网承载了终端得到安全接入、连接管理、流量调度、网络鉴权、流量计费等功能
为什么NB-IoT这项低功耗广域网技术如此受关注？
2. NB-IoT中的Niubility技术
接着上一节的问题，NB-IoT有哪些关键特性使得它如此受关注呢？
- 超强覆盖
- 超低成本
- 超低功耗
- 超大连接
- SC-FDMA
- OFDMA
这些特定的背后后包含哪些技术呢？我们来看这一节的学习内容：
2.1 NB-IoT物理层
2.1.1 NB-IoT上行技术
通常上行传输有单载波与多载波两种传输技术：
单载波表示终端设备上行数据传输仅占用一个子载波，多载波表示可以占用多个子载波进行上行数据传输。
在相同功率的前提下，单载波比多载波拥有更高的功率谱密度增益。
NB-IoT上行支持单载波和多载波传输，其中单载波作为终端设备的必备功能，而多载波为可选功能。
2.1.2 NB-IoT下行技术
NB-IoT下行技术采用OFDMA，OFDMA是OFDM技术的演进，将OFDM和FDMA技术结合，OFDMA在利用OFDM对信道进行子载波化后，再在部分子载波上加载传输数据，NB-IoT利用OFDMA将180KHz的带宽分为12个子载波，每个子载波15KHz。
2.1.2 NB-IoT的物理信道
对比LTE，为了减少实现的复杂性，NB-IoT精简了不必要的物理信道，在下行只有三种物理信道和两种参考信号，在上行只有两种物理信道和一种参考信号。
2.2 NB-IoT网络
NB-IoT构建于蜂窝移动网络，支持基于目前LTE制式平滑演进，并根据不同运营商的需求，支持灵活的频段部署。
NB-IoT支持3种部署方式：
- 独立部署
独立部署模式可以利用单独的频带，适合用于GSM频段的重耕； - 保护带部署
保护带部署模式可以利用LTE系统中边缘无用频带； - 带内部署
带内部署模式可以利用LTE载波中间的任何资源块。
2.3 NB-IoT关键特性
从NB-IoT独特的物理层基础和它灵活的部署方式，我们发现NB-IoT确实与众不同，与众不同必有独特，那NB-IoT有哪些关键特性呢？
2.3.1 超低成本特性
基于华为提供的Single RAM解决方案，支持在现有网络设备上进行升级改造，从而降低网络建设和维护成本，并且NB-IoT的芯片是专门为物联网设备设计的，只针对窄带、低速率，并针对物联网需求，只支持单天线半双工方式，另外简化了信令处理，大幅降低终端芯片价格。
2.3.2 超低功耗特性
物联网设备的通信需求和手机不同，物联网通常只会做上行发送数据包，而且是否发送数据包是由它自身来决定，不需随时standby，等待其他终端的呼叫。
针对小包、偶发的物联网应用场景，NB-IoT设计两种独特的省电模式PSM与eDRX，其中PSM模式最为省电。
在PSM模式下，终端处于激活态时发送数据包，随后进入寻呼监控态，监控网络侧有无消息下发，此外为了降低功耗，增加寻呼监控的时长，PSM模式在寻呼监控态中插入了空闲态，在寻呼监控之后，终端设备会进入休眠状态，不再进行任何通信活动，等到它有上报数据的请求的时刻，它会唤醒它自己，随后发送数据，处于PSM模式的休眠态时，终端仍旧注册在网，但此时信令不可达。
当终端处于PSM省电模式下时，业务平台下发的控制指令并不能都实时到达终端，下行的控制指令需要先缓存在IoT平台中。
按照物联网终端的行为习惯，终端将会达到99%的时间在休眠状态，使得功耗会非常低，实现了设备超低功耗。
eDRX扩展非连续接收，对应的还有DRX非连续接收。
DRX技术指的是不连续接收寻呼消息，因为解码寻呼信道的消息会耗费大量的能量，因而DRX也是无线通信终端节省电量的重要方法。而eDRX是在DRX基础上进行扩展，进一步延长终端在空闲模式下的休眠周期，减少接收单元不必要的启动，相对于PSM模式而言则大幅度增加了下行可达性。
对于PSM与eDRX这两种省电模式，NB-IoT终端可以分别独立使用，它们的应用场景也有所不同。
例如，在智慧水表的业务，带有NB-IoT的水表会采用PSM模式工作；
共享单车，物流跟踪的业务，NB-IoT的终端则会采用eDRX模式工作。
NB-IoT终端也可以同时使用eDRX和PSM，当PSM的激活期大于eDRX周期的时候，终端设备可以进入eDRX周期，以便能够最大限度的降低功率。
2.3.3 超强覆盖特性
针对物联网的部署特点，现有接入技术不足以满足深度覆盖的要求，NB-IoT专门为物联网特别是LPWA连接进行设计，通过时域重传技术和提升功率谱密度，相比GSM与LTE网络的MCL有20dB增益的提升。
2.3.3.1 最大耦合损耗
最大耦合损耗可以衡量覆盖范围，数值越大覆盖范围越大。
NB-IoT高出的20dB的增益可以比GSM多穿透两堵墙，而这部分增益通过功率谱密度提升与重复发送来实现。
2.3.3.2 功率谱密度提升
NB-IoT通过15KHz的子载波进行数据传输，相比用180KHz带宽传输，可以提升11dB的增益，
2.3.3.3 重复发送
引入重复发送的编码方式，通过重复发送提升信道在条件恶劣时的传输可靠性，能够提升9dB的下行增益和12dB的上行增益
NB-IoT的超强覆盖特性，意味着更少站点可以覆盖更广区域和具备更强穿透性，可穿透楼层到达地下室，这将使隐蔽位置的设备，如水表，以及要求广覆盖的宠物跟踪等业务得到应用。
2.3.4 超大连接特性
NB-IoT的基站是基于物联网的模式进行设计的，物联网的话务模型与手机不同，它的话务模型是终端很多，但是每个终端发送的包小，发送包对时延的要求不敏感。
基于物联网的话务模型，可以设计更多的用户接入，保存更多的用户上下文，这样可以让100K左右的终端同时在一个小区。
2.3.4.1 关键技术1>上行业务调度单元小
NB-IoT因为基于窄带，调度颗粒很小，上行业务单元调度通常只有15KHz，在同样的资源情况下，资源的利用率会更高。
2.3.4.2 关键技术2>PSM/eDRX降低设备对基站的资源使用
PSM与eDRX模式降低了每个设备对基站的资源使用。
2.3.4.3 关键技术3>减小空口信令开销
NB-IoT物理层精简了许多物理层信道与信号，减小了空口信令的开销。
2.3.4.4 关键技术34>基站、核心网优化
大量终端处于休眠态，上下文信息需要由基站和核心网维持，所以通过对基站与核心网的优化，能够缓存终端上下文信息，并且具备独立的准入拥塞控制，使得一但有数据发送，终端可以立马可以连上基站迅速进入激活态。
3. eLTE-IoT中的execllent技术
工业物联网市场正在蓬勃发展，工业设备的接入量也在迅速增长，对于工业物联网的建设，目前自建工业物联专网，实现园区产业升级是主流趋势，那么工业物联专网采用什么技术？如何搭建呢？
3.1 eLTE-IoT解决方案
eLTE-IoT解决方案是华为专门为行业物联市场开发的基于3GPP标准的窄带无线物联解决方案。
eLTE-IoT基于1GHz以下的非授权ISM频谱，采用灵活易部署的轻量化设备，并支持标准物联网协议与企业现有应用平台进行对接。
3.2 eLTE-IoT的应用
eLTE-IoT目标市场为企业自建窄带物联网市场，它可以应用在制造、电力、水务、智慧城市等行业。
3.2.1 eLTE-IoT在制造行业的应用
eLTE-IoT能够提供海量的低功耗物联方案，对产线上不计其数的传感器数据进行收集，不论是机械臂的位移还是物料状态甚至是车间温度，都能尽在掌握，让管理者能够实现对生产状态的监控与能效的管理
3.2.2 eLTE-IoT在电力行业的应用
对于电力行业，利用eLTE-IoT实现电力远程抄表，主要的优势是覆盖广、海量连接、易于部署和扩展。
单小区3-5Km的覆盖半径，有效降低站点数量从而降低建网和维护成本提供比传统网络更大的容量，最大支持一千多电表接入，并且小型化设备易部署，星型拓扑结构适配更多场景。
3.3 eLTE-IoT解决方案的特性
3.3.1 可靠连接
eLTE-IoT基于开发的ISM频谱，可以支持中国、欧洲和美洲的三种频段。
eLTE-IoT采用调频技术避免外部干扰提高可靠性，并具备强大的收发机制保证可靠连接。
跳频技术是终端在每个发送机会窗口里，根据伪随机的跳频机制，在系统所配置的信道范围内选取一个信道来发送，从而实现上行跳频，通过跳频，上行数据发送时使用的物理信道不断变化，避免受到持续干扰。
3.3.2 海量物联
eLTE-IoT海量物联主要通过小包数据快传技术实现。为了保证终端发送的业务包在无线传输过程中的可靠性，一般都会进行纠错编码，并且针对传错的包都会进行重传，如果无线链路中发送的包很长，即使其中只错了一两个比特，还是要重传整个包，从而使系统做了很多无效工作，采用小包快传机制，即将无线链路发送的包长控制在较小的范围，一般是几十字节，然后针对每个小包，基站快速反馈其是否成功接收，如果失败则终端重传，否则继续发送。小包快传机制，控制了发包长度，减少了数据包发送过程中的被干扰的概率，同时快速反馈接收结果，从而提升了上行的传输效率，缩短了终端的发送时间，也进而降低了终端功耗。
3.3.3 更低功耗
eLTE-IoT也引入了NB-IoT中采用的节能技术PSM模式与DRX模式
3.3.4 更广覆盖
eLTE-IoT还通过提升功率谱密度来提升覆盖
同时eLTE-IoT也采用了时域重传技术来提升覆盖。
可以说eLTE-IoT是NB-IoT技术在ISM频谱上的适配增强
3.4 eLTE-IoT网络架构
NB-IoT构建于蜂窝移动网络，而eLTE-IoT构建于免授权的ISM频谱。
3.4.1 网络架构
3.4.2 网元设备
4. 总结
站在巨人的肩上
【1】华为云学院 人人学IoT