NB-IoT从原理到实践 学习笔记 part1-8

PART A 四大特性篇

 

第一讲 NB-IoT基本介绍

 

Narrow Band Internet of Things

5G	LTE-V
Wifi、UWB	LPWA，eMTC
BT、Zigbee	NB-IoT，Lora，Sigfox

LPWA: low power wide area

速率划分场景： >1Mbps, 200K - 1Mbps, <200Kbps 

 

NB、eMTC可与现有蜂窝网络融合演进，可靠性高，安全性高；

Lora，独立组网，频段风险高

 

NB-IoT属于LPWA技术的以中国，具备 超强副高、超低功耗、超低成本、超大连接 四大特性；

4G指标是穿透1层墙。

 

 

LET Advanced	LET Cat-1	LET Cat-M	NB-IoT
>10Mbps	<10Mbps	<1Mbps	<100Kbps
n*20MHz	20Mhz	1.4MHz	180Khz

 

第二讲 NB-IoT强覆盖方法

 

 

NB比GSM覆盖增强20dB的方法： 提升功力普密度7dB、重传12dB，多天线增益0-3dB

 

PSD: power spectral Density 发射功率谱密度， = 功率/带宽

带宽越小，PSD越大

制式	功率（mW）	使用带宽（kHz）	PSD（mW/kHz）	增益比值
GSM	2000	200	10	N/A
NB-IoT	200	3.75	53.33	5.33

NB的PSD比GSM增强： 10*lg（5.3）=7dB

 

MCL：最大耦合损耗 Maximun Compling Loss。  164dB。 

 

NB重复发送，获得时间分集增益，并采用低阶调试方式，提高借条性能，增强覆盖。

NB无论什么信道都可以重传，且上行最大128次，下行最大2048次。

方向	信号/信道名称	重复次数	调制方式
↓	NPBCH（窄带物理广播通道）	64	QPSK
↓	NPDCCH（窄带物理下行控制信道）	1，2，4，8... 2048	QPSK
↓	NPDSCH（窄带物理下行共享通道）	1，2，4，8... 2048	QPSK
↑	NPRACH（窄带物理随机接入信道）	1,2,4,8...128	-
↑	NPUSCH（窄带物理上行共享信道）	1,2,4,8...128	ST：QPSK+BPSK MT：QPSK

理论上，重复一遍，覆盖增加3dB，速率和效率也下降一半。

要获取12dB覆盖增益，需要重复24次，边缘速度降为原来的1/24。 

 

无论是3.75kHz，还是15kHz子载波间隔，都可以做到20dB。

15kHz相对于LTE已经有10.7dB的PSD增益，增加到32次重复。

 

3.75kHz的加之：增强覆盖的场景下支持的容量更大。系统容量是15kHz的倍！ 

按照链路预算，NB-IoT比GSM MCL可以大20dB，都转化为覆盖增益。  

 

 

第三讲 NB-IoT非连续接收技术

 

DRX （discontinuous reception），不连续接收

原理：（1）通过设计一套定时器，使得终端和网络具有严格的时间同步，防止出现终端在睡觉，网络不断寻呼。 或者没有按时醒来； （2）终端测和网络侧可以协商睡眠计划。 

三种睡眠场景：   Idle DRX,  Connected DRX,  RRC Inactive Timer

 

Idle DRX： 终端在一个DRX周期内，可以只在相应的阿寻呼无线帧（PF）上的寻呼时刻（PO）先去监听PDCCH是否写有P-RNTI，进而去判断相应的PDSCH上是否有承载寻呼消息。 

 

Connected DRX： 也称C-DRX，连接态DRX，见缝插针。UE周期打开接收机，开始之后的一段时间内持续侦听可能到来的信令，On Duration Timer。然后休眠。 休眠期间不接受PDCCH，不上报CQI/PMI/RI，不发送SRS，从而省电。  

OnDuration Timer; Inactive Timer;  DL DRX-ReTX Timer;  UL DRX-ReTx Timer

 

RRC Inactive Timer: 主动让终端去休息。在eNodeB L2 MAC检测到DRB上下行都没有数据接收发送之后，启动计时器，在当该计时器满足UE不活动计时器配置值之后，L2层上报L3层发器释放（L3层在S1口会向核心网发送S1AP_UE_CONTEXT_REL_REQ消息，且消息内携带的原因值为user-inactivity）。 LET网络一般全网开启定时器 =10s。 

对于同事开启了C-DRX和Inactive状态的终端，使用时间能提升近50%。 

 

 

第四讲  NB-IoT进一步降低功耗方法

 

目标：AA（5000mAh）电池，使用寿命>10年。

PSM，power saving mode.  在Idle状态下再增加一个新的PSM状态（属于Idle的子状态），在该状态下，终端射频关闭，相当于关机状态，但是核心网测还是保留用户上下文，用户进入空闲态/连接态时，无须再附着/PDN建立。 

协议：24.301 power saving mode ;   23.682 UE power saving mode

激活定时器： T3324，  Period TAU（Extend T3412）

Attach/TAU ---> Active Timer T3324(idle) ---> PSM ---> UL tx ---> T3324 ---> PSM ---> ... Attach/TAU

        | -----------------------------------------------------T3412 ----------------------------------------|

电压	激活态	Paging监听态	空闲态	PSM
3.6V	120mA	30mA	1mA	0.005mA

物联网业务特征99%状态再休眠状态。

eDRX: Rel-13新增功能， 支持更长周期的寻呼监听。 传统的2.56s寻呼间隔对IoT终端的电量消耗太大，在下行数据发送频率小时，通过核心网和终端的协商配合，终端跳过大部分的寻呼监听，从而达到省电目的。 终端和核心网通过Attach和TAU流程来协商eDRX的长度，最高可达2.92h。   

 

DRX（24h）	eDRX（24h）
24mAh	1.5mAh

eDRX的耗电时DRX的1/16 ！    总体资源一定的前提下，任何性能提升都是有代价的。eDRX可能更适合宠物追踪，PSM可能更适合智能抄表。

UE可以同时请求激活PSM和eDRX，由MME决定仅PSM，仅eDRX，或者两个都生效。 

 

Atatch/TAU --->  PO -(eDRX)--> PO --->  PSM  --->  Attach/TAU

        | ------------- T3324-----------| 

        | ---------------------------T3412-------------------------|

 

技术比喻：DRX午睡，eDEX周末，PSM年假。 

 

 

第五讲  NB-IoT低成本1

 

蓝牙，蓝牙，Zigbee 1-2美元，针对于此，NB-IoT降低成本思路： 硬件剪裁（FDD半双工、硬件减少）+ 软件简化（简化物理层及协议栈）

关于双工的介绍，是通信系统最核心的标签。

TDD：时分双工（TD-LTE、TDS、WINMAX），优点：效率高；   缺点：复杂，干扰大，需同步，覆盖弱；

FDD：频分双工（FDD-LTE，WCDMA，CDMA2000，GSM）实现简单，效率低

NB-IoT支持FDD半双工，终端无法同时收发上下行，上下行传输在不同的载波频段上进行；

移动LTE采用TD-LTE，无法和NB复用，所以使用GSM复用。  

硬件架构：

Cat-4：            Baseband + Memory + IMS + 2RX + 1TX + RF + FD + 2ANT

NB/Cat-0/M： Baseband + Memory +        + 1RX + 1TX + RF + HD + 1ANT

 

简化：IMS协议栈，取消语音支持。但支持短信业务。 （eMTC支持语音）

 

 

第六讲  NB-IoT低成本2

 

NB-IoT终端工作带宽仅为传统LTE的1个PRB带宽（180kHz），使得NB不需要复杂的均衡算法。
具体体现：

• 通道简化：去除了PHICH，PCFICH，PUCCH，SRS等信道，下行取消了 PCFICH

• 简化盲检次数到4次（LET是44次....并且终端1ms做盲检）

• 减少最大TBS（Transport Block），降低峰值速率；下行最大680 bits， 上行最大1000 bits （NPDSCH，NPUSCH）

• 简调制解码：仅支持QPSK，BPSK，不支持LTE的16QAM，64QAM，编码下行仅支持TBCC。 另外AMC算法取消或者简化。

 

新空口协议栈，阉割芯片运算能力：

 

PHY层： 去除了PHICH，PCFICH，PUCCH信道，下行取消了 PCFICH

MAC层：仅支持单进程HARQ（HARQ重传没有得到NACK/或者ACK反馈之前终端必须等待）

                SR、SRS、CQI上报取消。

                不支持非竞争性随机接入；

                开环功耗控制；

RLC层：不支持RLC UM（VoLTE不支持）、TM模式

PDCP：大面积简化，RoHC压缩舍弃，控制面PDCP取消

RRC层：没有monility，NB不支持切换，新增PSM，eDRX

 

术语：

PHICH ：Physical Hybrid ARQ Indicator Channel，物理混合自动重传指示信道。PHICH用于对PUSCH传输的数据回应HARQ ACK/NACK。每个TTI中的每个上行TB对应一个PHICH，也就是说，当UE在某小区配置了上行空分复用时，需要2个PHICH。

PCFICH：物理控制格式指示信道（Physical Control Format Indicator Channel，PCFICH）：该信道用于指示一个子帧中用于传输PDCCH的OFDM符号数，该信道属于下行物理信道。

PUCCH，Physical Uplink Control CHannel，物理上行链路控制信道，主要携带ACK/NACk, CQI, PMI和RI。

 

部署和产业应用：

NB无需重新健忘，射频和天线基本复用，移动CMCC 900MHz将2G请出来，部署给NB。

 

 

第七讲  NB-IoT大连接

 

NB每个小区可达50K连接数，比现有无线多达50-100倍的接入用户数。站间距在2km内。

3GPP容量模型： TR45.820

2/3/4G通讯连接数在1K左右，LET典型用户数设计在400个。 差异原因在于NB主要用户在休眠，最大休眠时间在31*320小时=413天。

NB信令优化：
           UE  --------------------   eNodeB

1. RRCConnectionRequest  →

2. RRCConnectionSetup ←

3. RRCConeectionSetupComplete →

4. DownlinkDataTransfer ←

5. RRCConnectionRelease →