NB-IoT: как он работает? Часть 1 +8



Устройства в стандарте NB-IoT могут работать до 10 лет от одной обычной батарейки. За счет чего? Мы собрали все самое главное об этой технологии. В этой статье расскажем о ее особенностях с точки зрения архитектуры сети радиодоступа, а во второй части — об изменениях в ядре сети, которые происходят при NB-IoT.

image

Технология NB-IoT многое унаследовала от LTE — начиная с физической структуры радиосигнала и заканчивая архитектурой. Все невозможно перечислить в одной статье, поэтому попробуем сфокусироваться на основных особенностях, ради которых и создавалась эта технология. Итак:

В чем отличия NB-IoT с точки зрения архитектуры сети радиодоступа?

Сначала вспомним важное об LTE:

Для LTE сигнала используется принцип разделения каналов OFDM с разнесением поднесущих на 15кГц. В DL (Downlink, направление от БС) используется OFDMA, а в UL (Uplink, направление на БС) используется SC-FDMA. Вся несущая в LTE разделена на ресурсные блоки (Resource block, RB), каждый из которых состоит из 12 поднесущих и общей шириной занимаемой полосы в 12х15кГц = 180кГц (рис.1). Каждый ресурсный блок разделен на 12х7=84 ресурсных элемента (Resource element, RE).

image

Рис.1. Resource block, Resource element

Для достижения большой пропускной способности соты применяются высокие порядки модуляции QAM256 для DL и QAM64 в UL. Вдобавок с этой же целью применятся технологии MIMO2x2 и MIMO4x4.

Особенности радиосигнала NB-IoT:

Самое важное в NB-IoT — возможность работы при более низких уровнях сигнала и при высоком уровне шумов, а также экономия батареи. Также NB-IoT предназначен для передачи коротких сообщений, и от него не требуется передача аудио-видео контента, больших файлов и прочего.

Исходя из этого, на физическом уровне есть определенные особенности, которые помогают обеспечить необходимых характеристик:

  1. общая полоса для NB-IoT ограничена в один RB шириной в 180кГц;
  2. радиотракт пользовательского устройства имеет всего одну антенну, приемник и передатчик;
  3. передача и прием разнесены по времени, т.е. это по сути полудуплексный режим;
  4. возможность передавать в направлении UL на одной поднесущей;
  5. используемые типы модуляции ограничены BPSK и QPSK;
  6. переповторы передаваемого сигнала (coverage enhancement).

Ниже мы остановимся на некоторых из них подробнее.

Использование узкой полосы частот в один RB, одной антенны и полудуплексного режима передачи позволяет упростить устройство и достичь:

  • снижения требования к процессорной мощности;
  • снижения энергопотребления;
  • уменьшения габаритов;
  • удешевления устройства.

Назначение радиочастот:

Для NB-IoT могут использоваться практически все те же диапазоны частот, что и для 2G/3G/4G в «низких» band. Это B20 (800МГц), B8(900МГц), B3(1800МГц). Более «высокие» частоты смысла использовать нет из-за большего затухания сигнала.

Есть три способа выделения частотного ресурса для NB-IoT:

1. Stand-alone.

Выделенный частотный канал шириной в 200кГц. Этот вариант наиболее эффективный для работы NB-IoT, но и наиболее затратный. Дело в том, что в этом случае может понадобиться от 300 до 600 кГц очень ценного спектра вместе с защитными интервалами. В этом случае взаимные интерференции с другими технологиями минимальны (Рис.2).

image

Рис. 2. Варианты размещения NB-IoT в режиме stand-alone.

2. In-band

В этом случае для NB-IoT выделяются ресурсы внутри существующей LTE несущей, но NB-IoT несущая имеет повышенную мощность на 6дБ по сравнению с ресурсными блоками LTE. Этот вариант хорошо подходит для экономии частотного ресурса, но при этом есть проблема взаимного влияния с LTE-сетью (Рис.3).

image

Рис. 3. Размещение NB-IoT в режиме in-band.

3. Guard-Band

В этом случае NB-IoT запускается в так называемом защитном интервале. Например, в полосе LTE10МГц, по 500 кГц свободного спектра, используемого в качестве защитного интервала. Так же как и в режиме in-band для большей дальности NB-IoT-несущяя имеет повышенную мощность на 6-9дБ по сравнению с ресурсными блоками LTE (Рис.4). Этот вариант использования позволяет одновременно сэкономить частотный ресурс и уменьшить взаимное влияние с LTE сетью, хотя в этом случае ухудшаются параметры внеполосных излучений для LTE.

image

Рис. 4. Размещение NB-IoT в режиме guard-band.

Возможность передавать в направлении UL на одной поднесущей:

Если в LTE абоненту выделяются блоки ресурсных групп, состоящие из одного или нескольких RB, то в NB-IoT минимальной единицей является RE — ими нарезаются порции радиоресурса абоненту. Поэтому появилась возможность устройству передавать сигнал в UL на одной поднесущей в 15кГц. При этом сейчас для NB-IoT уже стандартизовано разделение RB на 48 поднесущих по 3.75кГц в направлении UL. Длительность ресурсных элементов при этом увеличивается в четыре раза, а соответственно и таймслота до 2 мс, поэтому информационная емкость их не меняется (Рис. 5).

image

Рис.5. Resource element.

Передача сигнала в узкой полосе на одной поднесущей 15кГц, а тем более в 3.75кГц, позволяет значительно увеличить спектральную плотность сигнала, а соответственно отношение сигнал/шум, что очень важно для абонентских устройств, имеющих гораздо менее мощные передатчики, чем у базовой станции. Тем более, что в NB-IoT, так же, как и в LTE, мощность абонентских устройств ограничена в 23дБм (200мВт).

В то же время, если радиоусловия позволяют, для уменьшения времени активного режима передачи, а соответственно экономии батареи, возможна передача на нескольких поднесущих одновременно. Передача на одной поднесущей имеет название режима передачи single-tone, а на нескольких — multi-tone (это 3, 6 или 12 поднесущих по 15 кГц). На рис.6 показано формирование из ресурсных элементов различных вариаций ресурсного юнита (Resource unit, RU).

image

Рис.6. Resource units (RU).

RU — это очередной более крупный кирпичик, из которого образуются транспортные блоки (Transport block, TB), назначаемые пользователю. В одном TB может быть от одного до десяти RU. При это в зависимости от качества сигнала каждый TB может содержать разное количество полезной информации в зависимости от применяемой модуляционно-кодирующей схемы (Modulation coding scheme, MCS). Размер TB в NB-IoT, конечно же, гораздо меньше, чем в LTE и составляет 680бит в DL и 1000бит в UL (Rel.13 3GPP). А также в этом стандарте всего один процесс HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request), поэтому следующий TB может быть передан только после подтверждения приема предыдущего TB. В релизе 14 3GPP размеры транспортных блоков увеличены до 2536 бит и Dual-HARQ, что позволяет передавать два транспортных блока подряд.

Coverage enhancement:

Еще одна особенность NB-IoT — функционал coverage enhancement, который достигается последовательными переповторами передаваемого сигнала. Этот механизм не следует путать с повторной передачей пакета при неуспешном приеме, в случае coverage enhancement решение об успешности принятого сигнала происходит после приема всех повторенных сообщений (Рис.7). Повторятся могут все физические каналы NPDCCH, NPDSCH, NPRACH и NPUSCH (здесь N приставка Narrowband).

image

Рис. 7. Переповторы в NB-IoT

Стандартом определены три ступени, называемые coverage level 0, 1 и 2. Количество повторов может варьироваться в широких пределах и задается индивидуально для каждого типа физического канала и его формата. Например, стандартом специфицированы значения для полезного сигнала в UL до 128 и в DL до 2048. В реальности, конечно, все будет зависеть от настроек сети оптимизированных под режим работы (stand-alone, in-band/guard-band), качества сигнала и других условий. Переповторы позволяют декодировать сигнал при гораздо более низком уровне отношения сигнал/шум теоретически вплоть до 10дБ и ниже.

Все вышеописанное — использование более узкой полосы и функции coverage enhancement — позволяет в итоге достичь пресловутого выигрыша в 20дБ по отношению к GSM.

Скорости передачи в NB-IoT

Вообще сам принцип IoT, как уже было сказано выше, не предполагает значительного обмена информации с устройствами, а соответственно, значения эти весьма условны. Во-первых, они достигаются только при хорошем качестве сигнала. Во-вторых, сигнальный обмен, включающий назначение кагала DCI и подтверждение приема ACK, не адаптирован, как в LTE, для получения максимальных скоростей. В-третьих, если устройство передает всего одно-два коротких сообщения, то в этом случае не совсем однозначно, что понимать под скоростью передачи. Но не сказать о скоростях здесь нельзя. Для примера на рис.8 приведена расчетная скорость в DL для пользователя.

image

Рис.8. Скорость передачи в DL.

Из рисунка видно, что в NB-IoT, в отличии от LTE, пользовательское устройство не может занять весь доступный радио-ресурс. И оставшуюся часть радио-ресурса БС может использовать для связи с другими устройствами. Аналогичная ситуация в UL (рис. 9).

image

Рис.9. Скорость передачи в UL.

Так, использование Dual-HARQ и увеличенный размер самих транспортных блоков до 2536 бит (релиз 14 3GPP), позволяют увеличить скорость передачи в DL и в UL выше 100кбит/с.
Это все — если говорить об основных особенностях с точки зрения архитектуры радиодоступа, не уходя далеко в сторону. Надеемся, было полезно. Уже скоро — в следующем посте — расскажем, как поменялось ядро сети (Core Network) при NB-IoT. Будем признательны за обратную связь.

Автор:
Эксперт отдела архитектуры сети радиодоступа МТС Ильнур Фаузиев
ilnurf

Вы можете помочь и перевести немного средств на развитие сайта



Комментарии (28):

  1. sim-dev
    /#19393914

    Вот не понимаю восторга про «10 лет от батарейки» — можно к бабке не ходить, через 10 лет ВСЕ ЭТИ (может, и вообще все, а не только эти) технологии устареют безнадежно, и никакого смысла в них не будет.
    Как говорил Остап Бендер «Мне не нужна вечная игла для примуса, я не собираюсь жить вечно».

    • vasiaplaton
      /#19394376

      Ну 10 то действительно многовато, но 5 вполне нормально. Допустим у вас есть 10 датчиков температуры с точностью +-0.5 градусов. Через 5 лет вы переходите на новую технологию умного дома и покупаете небольшую приставочку прослойку между новым и старым умным домом. Большая точность вам не нужна, вас все устраивает. Вот как может устареть датчик температуры, влажности? А когда не будет переходничков так уже и технологии очень много лет будет. Да и вообще я так сходу могу назвать много вещей в доме которым 5-7 лет. И они не разряжаются(калькуляторы и т.д.)

    • khim
      /#19394400

      Это только живущим «внутри пузыря» IT кажется, что 10 лет — это много. А я недавно наблюдал как дяденька, когда ему нужно было перевести деньги, вытащил из кармана Digipass и перевёл их. Сколько лет тому девайсу было не знаю, но с учётом того, что они уж лет 5 сняты с производства… думаю немало. И совершенно неясно почему такой же, но с беспроводным подключением должен служить меньше.

    • Serge78rus
      /#19394512

      Обычно промышленные системы и проектируются на расчетный срок службы 10 лет. Ведь IoT — это не только игрушки, вроде умных домов, но и вполне «взрослые» распределенные системы мониторинга.

    • Makc_K
      /#19395064

      У нас на поддержке есть промышленное оборудование телеметрии, которое работает с середины 2000-х.

    • BalinTomsk
      /#19395660

      У меня до сиx пор отлично работают розетки-переключатели на технологии X10 — а ее разработали в 1975 году!

      Кстати, в этом году заменил ртутный терморегулятор на EcoBee (Amazon). А его (ртутник) задизайнили наверное лет 200 назад, и он еще бы лет 500 проработал.

    • sim-dev
      /#19403662

      Все это, конечно, здорово, и даже местами правильно, НО! Если какой-то девайс будет работать 10 или больше лет без проблем с совместимостью и т.п. — кому производитель будет впаривать новинки? Ведь они обязательно появятся сразу после того, как вы/он/кто-то выбьет финансирование под эту технологию! Вся эта нефтегазохимия через 10 лет исчезнет, т.к. нефть и газ — это прошлый век, Илон не одобряет. И куда тыкать датчики? В умные дома? В чайники с кофеварками? Так чайники и кофеварки ОБЯЗАНЫ устаревать за два-три года, как и автомобили, и все остальное…
      Так что 10 лет для IoT (и вообще IT) — это значительно больше реальной продолжительности жизни.

      Хотя, конечно, сарказма так никто и не видит в моих словах…

      • khim
        /#19404052

        Вся эта нефтегазохимия через 10 лет исчезнет, т.к. нефть и газ — это прошлый век, Илон не одобряет.
        Больше шансов на то, что через 10 лет Илон исчезнет, чем нефтегазохимия.

        Так чайники и кофеварки ОБЯЗАНЫ устаревать за два-три года, как и автомобили, и все остальное…
        А почему, собственно? Потому что промышленности так хочется? Ну так мало ли кому чего хочется. Кастрюли и телевизоры поколениями служат, а почему кофеварки не могут? «Запланированное устаревание» — это, конечно, проблема… но решаемая.

  2. lenz1986
    /#19394502

    NB iot конечно прикольно, но ждать к сожалению видимо еще очень долго его. Тестовый модем у меня лежит, а вот симку я смогу получить при самом хорошем раскладе не ранее чем через пару тройку лет ( а сейчас это просто прикольная железка. А все потому что город у меня маленький и вероятность что оператор так просто включит поддержку почти нулевая (

    • Makc_K
      /#19395074

      ) надо ехать в Беларусь (Белоруссию). Там NB-IoT уже несколько лет в промышленной эксплуатации.

      • lenz1986
        /#19395116

        потестить то можно и скататься, а смысл, я тупо не буду заморачиваться с модемом который я в дальнейшем юзать не смогу. НБ-иот интересное решение, но пока придется лорой довольствоваться

        • Makc_K
          /#19395122

          пока придется лорой довольствоваться

          эти технологии не во всех сценариях взаимозаменяемы

          • lenz1986
            /#19395136

            Я это понимаю… но как грится на безрыбье… Ну не будет у меня в ближайшие года нб-иота. Население города всего 70к, а опсосы только в миллионниках еще тесты ставят

            • Makc_K
              /#19395158

              А обычный мобильный интернет? Или даже CSD?

              • lenz1986
                /#19395168

                а тут батарейка… Нб-иот кушает мало ) и работает долго ) а гсм как бы долго не работал уже не то. Правда я еще и от лоры особенных результатов не добился. Ведь говоря про 10-ки лет почемуто все умалчивают что железка просыпается раз в сутки, выплевывает в эфир и засыпает еще на сутки…

                • Makc_K
                  /#19395176

                  А надо ли круглые сутки модем на связи держать? Тут ни NB-Iot, ни лора чудесным образом не спасут.

                  • lenz1986
                    /#19395206

                    а тут особо разницы нет, в любом случае добиться от железки хотя бы год сложно, смотря от какой батарейки питать конечно, ну и смотря с какой частотой опрашивать.
                    Но делать железку размером с системник и питающуюся от камазовского аккумулятора не хочется )
                    P.S. в моем случае модем рвал все коннекты и уходил в дип слип, питание совсем отключать ему нельзя, при первом включении сжирает просто огромное количество энергии

                    • Makc_K
                      /#19395220

                      Всё зависит от задачи железки. Если она висит себе в ебенях труднодоступном месте без розетки, что-то там контролирует, а если случилась беда — стучит хозяину. Тут можно и год и больше от одного источника (смотря какой источник). У нас, например, 6 батарей тионил-хлорид, по 13 Ач в параллели с двумя выходами на связь в сутки живут (по расчётам) около 3-х лет. В реальности, их, конечно гоняют в хвост и гриву, но при адекватном использовании больше года точно есть.

                      • lenz1986
                        /#19395242

                        Ну да так и есть. НО решение выходит в разы затратнее по батареям тем же нежели чем NB-iot. А по большому счету на каждую задачу нужно подбирать свою технологию.

                        • Makc_K
                          /#19395264

                          ) но тут остаётся выбирать. Либо клёвый энергосберегающий NB-IoT, которого нет, либо прожорливый GSM, который есть.

                      • pdkdrp
                        /#19400244

                        А сколько в Дж/сеанс получается? Мне производитель в нормальных единицах так и не смог сказать чего ожидать, длинный список технологий, диапазонов и стеков это, конечно, плюс, а вот как практически важные значения получить без сложных экспериментов?

                        • lenz1986
                          /#19400366

                          В дж не считал. Я смотрю с помощью Енерджи студии от техаса, включив железку и посмотрев сколько студия прогнозирует. Меньше всего ЛОра кушает. Еще меньше блютус, но тут дальность мизер. Нб иот не известно. Тут скорее надо смотреть от практической задачи, и исходить из временных интервалов передачи и объема информации.

            • Sagittarius67
              /#19397216

              Если в городе есть, например, LTE 1800, то для оператора запустить NB-IoT ничего не стоит — только активировать функцию и настроить параметры. Так что, счастье не за горами. Только, боюсь, устройства будут продаваться уже подключёнными к операторской платформе. Не получится подключить своё устройство.

              • lenz1986
                /#19397368

                Тут если честно еще много не понятного, как будет подключение происходить, сколько запросов в сутки будут давать. Понятно что оператору включить по желанию легко, но будет ли у него желание, пока клиентов нет. А привести клиентов оператору сложновато (
                А технологию в целом пощупать хочется.

                • Makc_K
                  /#19398046

                  ОПСОСы, продвигают свои IOT системы а-ля «Умный дом», по крайней мере Мегафон и Ростелеком точно.

    • lenz1986
      /#19395630

      модуль одна из меньших проблем… есть у меня такой… только потестить низя )

  3. WizIO
    /#19404648

    где часть 2