【我的物联网成长记6】由浅入深了解NB-IoT【华为云技术分享】

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【摘要】 什么是NB-IoT?NB-IoT有什么优势?NB-IoT能做什么?本文将会从NB-IoT技术的发展历程,技术特点,通信协议,应用场景等方面为您全方面解读NB-IoT技术,了解NB-IoT的独特魅力。

相信很多接触过物联网的人都听过NB-IoT的名字,但NB-IoT到底是什么,它和物联网又是什么关系呢?本文接下来就会为您回答这些疑问,由浅入深,一步步带您走进NB-IoT。

物联网顾名思义,就是各种物(设备)连入网络,而根据应用场景不同,不同设备对网络速率的要求也不同。根据专家预测,2020年将会有30亿的设备接入物联网,其中约70%的设备对网络速率的要求不高,但对覆盖范围、功耗以及成本都有较高的要求。

针对这一类设备,LPWAN这个概念就被提出来了。LPWAN(Low Power Wide Area Network,低功耗广域网),是一种技术概念,包括了很多技术标准,比较主流的有NB-IoT,SigFox,LoRa等技术。

至此,我们本文的主角,NB-IoT正式登场了。上文的三种技术中,SigFox和LoRa均属于私有技术,需要独立建网,而NB-IoT则是国际标准,基于现有技术演进,更容易推广和建设。

NB-IoT,全称是Narrow Band Internet of Things,窄带物联网,它的原型是2014年5月华为和沃达丰联合提出的NB M2M技术,随后在2015年5月与高通提出的NB OFDMA技术融合成为NB-CIOT技术,之后又于2015年9月与爱立信公司提出的NB-LTE技术融合,形成了我们现在认识的NB-IoT,并在3GPP上正式立项。至2016年6月,NB-IoT 核心标准冻结,但相关特性仍在持续演进中。

NB-IoT技术的物理层规格如下:

  • 系统带宽:180kHZ
  • 上行技术:SC-FDMA(Single-carrier Frequency-Division Multiple Access,单载波频分多址),是LTE上行链路的主流技术。
  • 下行技术:OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,正交频分多址),也是LTE中采用的通信技术。

相对LTE技术,为了减少实现的复杂性,NB-IoT精简了不必要的物理信道,下行只有三种物理信道和两种参考信号,上行只有两种物理信道和一种参考信号。

从NB-IoT的物理层规格我们可以看出来,NB-IoT技术与LTE技术有很多相似之处,因此,NB-IoT网络的部署支持基于当前LTE制式的平滑演进,也就是当前的LTE网络可以直接改造升级为支持NB-IoT技术;并且根据不同运营商的需求,支持灵活的频段部署:

  1. 独立部署于单独的频带内,例如再利用GSM的频带。
  2. 部署在LTE边缘的无用频带中。
  3. 部署在LTE的频带内,与LTE共用频带。

----------NB-IoT的特点----------

NB-IoT技术有四大特点:超低功耗,超低成本,超强覆盖,超大连接。

超低功耗

物联网设备和传统通信设备不同,大部分物联网设备不需要随时在线,它们仅在自己需要发送数据包时连入网络即可,其余时间如果一直保持在线只会增加功耗,并无实际价值。针对物联网设备的这种行为特征,NB-IoT技术设计了三种不同的省电模式:

注:图中y轴表示设备功耗。

  • PSM模式:该模式的终端非业务期间深度休眠,不接收下行数据,只有终端主动发送上行数据时可接收物联网平台缓存的下行数据,适合对下行数据无时延要求的业务。
  • DRX模式:该模式的终端基本处于在线状态,物联网平台的下行数据随时可达终端设备,在每个DRX周期(例如1.28秒、2.56秒,5.12秒 或者10.24秒),终端都会检测一次是否有下行业务到达,适用于对时延有高要求的业务。
  • eDRX模式:eDRX模式是基于DRX拓展的省电模式,该模式下的终端在每个eDRX周期内,只有在设置的寻呼时间窗口内,终端可接收物联网平台的下行数据,其余时间处于休眠状态,不接收下行数据。对下行业务时延有较高要求,物联网平台可根据设备是否处于休眠状态缓存消息或者立即下发消息。

设备可以根据自己的业务特点选用最合适的省电模式,达到功耗最小化的目的,实现真正的超长待机,大大延长电池寿命。

超低成本

网络方面,NB-IoT网络支持在现有LTE网络的基础上进行升级改造,大大降低了网络建设与维护成本。

终端方面,NB-IoT芯片专为物联网设计,采用了多种技术降低成本,包括但不限于:

  • 仅支持180kHz窄带宽,基带复杂度低。
  • 针对NB-IoT网络上低速率的特点,降低采样率,缓存Flash/RAM要求小。
  • 仅支持单天线,半双工的工作方式,RF成本低。
  • 简化信令处理的协议栈,减少Flash/RAM的使用。

从下图中我们可以看到,相对于传统芯片,NB-IoT芯片对各组件要求更少,成本更低。

低廉的建设成本使得NB-IoT网络能够快速普及,便宜的模组价格便于设备生产商大批量采购和使用,大大加速了物联网产业的发展。

超强覆盖

首先让我们来了解一个概念,MCL(Maximum Coupling Loss,最大耦合损耗)。MCL是传送数据时设备和基站的天线端口之间的最大总信道损耗,MCL值越大,链接越强大,信号覆盖范围越广。

NB-IoT通过时域重传技术和提升功率谱密度,相比GSM提升了20dB的MCL,覆盖距离达到了GSM的三倍,穿透能力相当于比GSM能多穿透两堵墙。其中时域重传技术是指在信息传输过程中反复重传相同消息,可以增强信道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。提升功率谱密度则是指将180kHZ的带宽分为12个15kHZ的子载波,并使用子载波进行传输,比起直接使用180kHZ的带宽进行传输能够提升11dB的增益。

这两种技术的结合使用让NB-IoT网络具有了超大的覆盖范围和超强的穿透能力,设备不管在哪儿都能稳定接入网络,真正地把物联接了起来。

超大连接

NB-IoT设备联网的方式和其他移动设备类似,终端设备通过基站接入核心网,再连接至业务平台。

但物联网设备的话务模型和传统移动设备不同,物联网设备数量多,且大部分设备发送包小,对时延不敏感。基于物联网的话务模型,NB-IoT网络要允许更多的设备同时接入,达到现有无线技术的50~100倍。

为了达到超大连接的目标,NB-IoT采用了以下关键技术:

  1. NB-IoT使用15kHZ的子载波进行传输,调度粒度小,在同样资源的情况下,资源的利用率会比LTE等宽带技术高很多。
  2. NB-IoT的省电技术减少了设备与基站间的通信,不仅为设备省了电,还降低了每个设备对基站的资源使用。
  3. NB-IoT物理层精简了很多物理信道和信号,减少了空口令开销。
  4. NB-IoT基于物联网话务模型优化了基站和核心网,拥有独立的准入拥塞控制、终端上下文信息存储能力和下行数据缓存机制,使终端设备能够安心休眠,并在激活后能快速接入核心网。

根据仿真测试,现在NB-IoT网络单小区基站可接入约5万个终端设备,这样的超大连接能力使物联网能够做到真正的“万”物互联。

----------NB-IoT与通信协议----------

NB-IoT是一种通信技术,使用NB-IoT网络和物联网平台进行通信的设备一般还要遵守某种通信协议,相当于两个人打电话,声音通过电波传播,但这两个人使用的语言必须是对方能理解的语言通话才能成立。

当前NB-IoT设备和物联网平台通信的主流通信协议是CoAP和LWM2M协议。

由于大部分物联网设备都是资源受限型设备,它们的物理资源和网络资源都非常有限,直接使用现有的TCP和HTTP协议进行通信对它们来说要求实在是太高了。为此,CoAP(Constrained Application Protocol,受限制的应用协议)被设计出来了,它运行于UDP协议之上,它最大的特点就是小巧,最小的数据包仅4字节。CoAP是一个完整的二进制应用层协议,它借鉴了HTTP协议的设计并简化了协议包格式,降低了开发者的学习成本。

LWM2M(Lightweight Machine-To-Machine,轻量级M2M)协议是由由OMA(Open Mobile Alliance)提出并定义的基于CoAP协议的物联网通信协议。LWM2M协议在CoAP协议的基础上定义了接口、对象等规范,使得物联网设备和物联网平台之间的通信更加简洁和规范。

----------NB-IoT的应用场景----------

了解了NB-IoT的技术特点后,相信很多人都能想到,NB-IoT的这些特点正是建设规模庞大的智慧城市方案的重点诉求,事实上,智慧城市也正是NB-IoT技术的主要应用场景之一。

以智能水务场景为例,通过将传统水表替换成基于NB-IoT的智能水表,可实现智能抄表,减少人工抄表的成本和不确定性;通过将管道监测设备(水压计等)替换成基于NB-IoT的智能监测设备,可做到异常及时上报,减少漏损。因为NB-IoT的超强覆盖和超大连接特点,设备更新换代时无需因为担心信号问题而改造安装环境,也不用担心连接数问题而减少部署数量,可以做到简单的一对一置换;且因为NB-IoT的超低成本和超低功耗,使得大批量置换成为可能,也无需担心供电问题,内置电池的寿命可长达数年。

类似于智能水务场景的还有智能烟感、智能气表等场景,此处不再赘述。

智慧路灯是智慧城市中的另一个重要场景,在这个场景中,通过NB-IoT技术可以实现每个路灯的单独监控和单独控制,实现实时获取路灯状态、远程配置及控制路灯等场景,大幅节约运行与维护成本。

除了智慧城市场景,NB-IoT还可应用于很多其他场景,如共享设备、智能物流、智能农业、可穿戴设备等等,可谓前景广阔。

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>>【我的物联网成长记3】设备如何进行选型?

作者:我是卤蛋

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