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【干貨分享】NB-IoT協議和模組應用雜談

2019-05-09 11:00 媒體投稿

導讀:近兩年隨著物聯網的高速發展,NB-IoT在IT行業內也被推上了風口浪尖。NB-IoT技術是基于LTE的R13實現的,因此和現有的移動網絡很容易兼容,在物聯網通信中占據著越來越重要的地位,因此三大運營商都在加緊NB-IoT的網絡部署。

什么是NB-IoT

NB-IoT是一種無線蜂窩網絡通信協議,是Narrow Band Internet of Things的縮寫,意思是窄帶物聯網,是一種低功耗廣覆蓋物聯網技術(LPWA),窄帶只指使用的帶寬為180KHz,工作在運營商的授權頻段內,技術主要貢獻者為華為和高通。

近兩年隨著物聯網的高速發展,NB-IoT在IT行業內也被推上了風口浪尖。NB-IoT技術是基于LTE的R13實現的,因此和現有的移動網絡很容易兼容,在物聯網通信中占據著越來越重要的地位,因此三大運營商都在加緊NB-IoT的網絡部署。

NB-IoT協議的本質是什么

當某種資源是有限的、多個個體都需要時,為了更合理的利用資源往往會建立各種各樣的規則,在通信中,信息交互所需的傳輸介質、傳輸時間等都是有限的,且是各通信方爭搶的,此時就需要建立一套通信協議即通信規則,各通信參與方為了信息交互共同遵守這種約定,以此達到在有限的資源范圍內信息交互高有效性和高可靠性的平衡,實現資源的最優利用。

NB-IoT協議就是充分利用好寶貴的無線頻譜資源和時間資源、滿足LPWA需要而設計的一套無線蜂窩網絡通信規則,其作用就是為信息交互制定了一套語法、語義和時序,簡單的說就是規定了通信參與方用什么語言交流,說的話代表什么意思、以及誰說誰聽、說多長時間的規則。

NB-IoT的演進過程

2013年初,華為聯合相關廠商、運營商開始蜂窩物聯網的研究,命名為LTE-M;

2014年5月,由華為、沃達豐、中國移動、Orange、TelecomItaly等公司主導的工作組SI在3GPPGERAN立項,LTE-M演進為CellularIoT,簡稱CIoT;

2015年5月,華為和高通共同宣布一項融合解決方案,融合之后的方案叫NB-CIoT;

2015年8月,在GERANSI階段最后一次會議上,愛立信聯合中興、諾基亞、三星、Intel等提出NB-LTE的概念;

2015年9月,RAN#68上NB-CIoT和NB-LTE兩個技術方案進行融合行成NB-IoT;

2016年6月16日,NB-IoT的3GPP標準核心部分正式凍結,標志著商用階段正式開始。

NB-IoT的技術特點

LPWA終端設備應用時,往往存在用戶數量多且密集分布、外接電源困難、所處位置較隱蔽、成本敏感等特點,為了應對這些需求,NB-IoT網絡的設計具有如下特點:

  超低功耗:加入PSM功能,處于此模式的終端耗流在3uA左右,即便使用干電池也能驅動模組工作10年之久;

  海量連接:單小區180KHz的帶寬可支持10萬用戶接入,是LTE連接數的數千倍;

  深度覆蓋:NB-IoT支持0、1、2三個CE Level(覆蓋增強等級),分別對應可以對抗144dB、154dB、164dB的信號衰減,相比GSM和LTE提高了20dB,覆蓋面積提升了100倍,同等條件下NB-IoT能提供更深的覆蓋;

  超低成本:通過簡化協議、去掉對物聯網應用意義不大的功能等方式降低終端的制造難度和成本,目前已降至3美元以內,未來可降至1美元以內;

  低速率:LPWA應用時多傳輸控制類參數,數據量小、通信頻次低、時延不敏感,因此NB-IoT網絡將業務時延放寬到了10s;

  上行為主:與傳統蜂窩網絡以&ldquo;人&rdquo;的連接不同,物聯網以&ldquo;物&rdquo;的應用多以上行數據為主,因此NB-IoT的流量模型是以上行為主的;

  半雙工:NB-IoT采用的是FDD模式,通信時采用的是半雙工,半雙工所需的元件成本更低,且可降低電量功耗,進一步壓縮了終端的成本和耗電量;

  ST/MT兩種模式: Single Tone(單頻)模式下,可以同時為更多的用戶提供業務傳輸服務,能提供上行15kbps左右的傳輸速率;Multiple Tone(多頻)模式下能充分利用頻譜資源,提升用戶傳輸速率,能為用戶提供上行62kbps左右的傳輸速率;NB-IoT上行支持3.75kHz和15kHz兩種子載波空間,其中MT模式下必須為15kHz;

  不支持小區切換:物聯網的應用場景中,終端多為靜止狀態,通過去除復雜的切換功能能進一步降低能耗、減少終端復雜度;

  三種部署方式:獨立部署占用200kHz帶寬,適用于重耕GSM頻段,GSM的信道帶寬為200KHz,這剛好為NB-IoT 180KHz帶寬辟出空間,且兩邊各有10KHz的保護間隔;LTE帶內部署占用180KHz帶寬,可利用LTE載波中間的任何資源塊實現;LTE保護帶部署占用180KHz帶寬,利用LTE邊緣保護頻帶中未使用的180KHz帶寬的資源塊進行部署。

總而言之,NB-IoT是&ldquo;懶&rdquo;、&ldquo;簡&rdquo;、&ldquo;慢&rdquo;、&ldquo;廉&rdquo;、&ldquo;多&rdquo;為特點的LPWA通信協議技術。

NB-IoT的網絡架構

終端與基站之間為無線傳輸,單小區總帶寬為180KHz,上行采用3.75KHz子載波時最大支持48個終端同時上傳數據,采用15KHz子載波時最大支持12個終端同時上傳數據,支持最多600個左右的終端處于激活態(不進行數據交互),支持10萬個終端在網絡中注冊(終端處于PSM態)。

為避免終端并發數過高導致擁塞,高并發可能導致用戶數據傳輸延遲甚至丟失,因此應盡量避免高并發產生,需要增加錯峰機制,比如數據交互時刻采用北京時間加隨機數等方式。

NAT IP老化是什么

IPV4的地址總共是32位,因此其最多能產生2的32次方個地址,即最多42.9億多一點的IP數量,總量本就不多,有些IP段又是特殊用途不能開放,再加上前期分配時IP地址浪費嚴重,因此上世紀90年代前后開始意識到IP地址將要被分配完的問題,為了減緩IP地址不足的問題,NAT(Network Address Translation,網絡地址轉換)應運而生,其基本思想是區分公網和局域網,預留三段公網不能使用的IP地址在局域網內使用,局域網網內終端收發數據采用預留的IP地址,局域網內的終端與公網通信時,在局域網的出口處將源IP更改為公網IP,并記錄對應關系,當公網訪問局域網內的終端時,根據對應關系將目的地址更改為對應終端的私網地址即可,此機制一個局域網僅需少量的IP甚至是一個IP就可以實現局域網內的終端與公網進行通信。

但這種機制的缺點也很明顯,首先是公網地址設備不能主動與局域網內的終端進行數據交互,需要局域網內的用戶先發起一次通信生成公網IP與私網IP對應關系后才能相互通信;其次由于互聯網的數據交互非常頻繁,因此IP對應關系記錄表很容易積累的非常大導致無法存儲,所以實際應用時,多使用動態NAT機制,當規定時長內公網設備與局域網設備沒有再進行數據交互,此IP對應關系表將會被刪除,導致公網不能主動發數據到終端。

對抗NAT IP對應關系表老化問題的方式就分為兩種,①開通GRE隧道,使用專用APN;②終端在IP對應關系表老化前發一次數據到公網,即發送心跳包。使用GRE隧道卡的方式終端只需關閉PSM和eDRX即可,使用心跳包則有可能導致高并發,兩種方式終端均無法進入PSM態,功耗會增加,尤其是心跳包的形式,功耗增加尤為明顯。

在實際應用中,如有條件,可采用終端平時處于休眠模式,需要接收公網設備的數據時,先觸發終端發一條數據到公網,然后再接收公網設備發過來的數據,此種業務邏輯即可保證收到下行數據,又能使終端在無數據收發時處于PSM的超低功耗狀態。

國內運營商擁有的可使用的NB-IoT頻段

NB-IoT與LTE、Lora的技術對比

Lora是非授權頻段使用的通信協議,其在覆蓋范圍、功耗、連接數量、傳輸速率等方面與NB-IoT相當,是目前廣泛使用的一種長距離通信協議之一。

由于Lora發展的較早,且得到了很多設備廠商和歐美運營商的支持,由于其在非授權頻段工作,可以私有化部署,不通過運營商的網絡進行連接,所以曾經有段時間在使用范圍上領先過,但由于部署基站成本高、頻譜易受干擾,加上工信部出臺的《微功率短距離無線電發射設備技術要求》規定在470MHz~510MHz不允許組網,至使Lora的發展困難重重(我國的Lora應用大多部署在470MHz~510MHz),目前NB-IoT的優勢越來越明顯。

 

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