NB-IoT的關(guān)鍵技術(shù)

1、NB-IoT的關(guān)鍵技術(shù)NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)：深度覆蓋如圖所示，F(xiàn)-OFDM 一方面保留了 OFDM（正交頻分復(fù)用技術(shù)，Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing）靈活分配資源的優(yōu)點(diǎn)，另一方面，借助AMC技 術(shù)和多用戶調(diào)度機(jī)制，可以大大提高邊緣速率。NB-IoT采用F-OFDM濾波技術(shù)，有效抑制帶外泄漏，減少相鄰信道之間的 干擾，更容易實(shí)現(xiàn)窄帶PSD增強(qiáng)，如圖2.3所示。NB-IoT比LTE增加了 20dB，相當(dāng)于發(fā)射功率增加了 100倍，因此覆蓋能力 提升了 100倍，就算在地下室、地下管道、地下車庫等信號難以到達(dá)的地方也能 使信號覆蓋的到15。圖2.3

2、 FilterOFDM窄帶技術(shù)PSD增益圖NB-IoT具有較高的發(fā)射功率譜密度載波頻寬。去掉保護(hù)頻帶后，其200KHz 的有效帶寬為180KHz，相當(dāng)于LTE系統(tǒng)1RB下行子載波間隔的15KHz。它與 現(xiàn)有的LTE系統(tǒng)兼容，支持兩個(gè)子載波間隔：15KHz和3.75KHz。上行15KHz 間隔子載波支持一起工作，稱為多音，也可以作為單個(gè)子載波，即單音；上行鏈 路3.75KHz間隔子載波不支持多個(gè)捆綁，僅支持單音16。其示意圖如圖2.4所示。心 UO-V9-5U 仍180 kHz(DUWMn 巨圖2.4 NB-IoT發(fā)射功率譜密度載波頻寬圖Stand alone模式：43dBm/180KHz，功率

3、譜密度比LTE（10MHz頻寬）增強(qiáng) 17dB；In band 模式：35dBm/180KHz，功率譜密度比LTE（10MHz頻寬）增強(qiáng)9dB17。 上行 23dBm/15KHz Single tone，功率譜密度比 LTE 增強(qiáng) 10.8dB； 23dBm/3.75KHz， 功率譜密度比LTE增強(qiáng)16.8dB。其示意圖如圖2.5所示。Single ToneUL PSDI175 KH2 136 times. u. . 丁Multiple-Tone15 KHz jNxl5 KHz180 KHzUL BW LTENB4oT w. Flexible BW圖2.5 NB-IoT頻寬與UL PSD示意圖

4、支持重傳（Repetition），更多的重傳帶來HARQ增益，以較低的速率交換較 高的覆蓋增益；下行鏈路的最大重傳次數(shù)為2048次，上行鏈路的最大重傳次數(shù) 為128次18。其關(guān)系圖如圖2.6所示。RepetitionRepetition Gain 二 10log l-iepetition Times912 dB Gin (DL E Times and UL J6Tirnes Repetition)LTE Adu-aiwed 4ub-framC1 nwj 圖2.6 NB-IoT重傳次數(shù)與HARQ增益關(guān)系圖NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)：海量連接NB-IoT采用無用戶連接（CP方案），為所有網(wǎng)絡(luò)引入新的承載

5、架構(gòu)，并重 新設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流，顯著減少40%以上的空中接口信令開銷，并使分組物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù) 容量翻倍。窄帶物聯(lián)網(wǎng)基于物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的特點(diǎn)，在沒有TA傳輸?shù)那闆r下，在 空中接口維護(hù)服務(wù)中，上行鏈路控制信道不會成為瓶頸，使得用戶數(shù)量可以顯著 增加。組接入（FFS）:引入組接入技術(shù)以減少RACH擁塞，并且組中的用戶與隨 機(jī)接入資源通過時(shí)分復(fù)用，從而減少了對大量用戶接入的隨機(jī)接入資源的需求， 并減少了網(wǎng)絡(luò)擁塞，從而確保了更多的UE接入。實(shí)現(xiàn)大量用戶同時(shí)在線。NB-IoT 可在一個(gè)單元中支持50,000個(gè)連接，支持低延遲靈敏度，超低設(shè)備成本，低設(shè) 備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。通過擁塞和過載控制，Rel11采用了一種雙層

6、控制機(jī)制，結(jié)合ACB （接入類 禁止）和EAB （擴(kuò)展接入禁止）來應(yīng)對突發(fā)的大規(guī)模接入擁塞19。終端從系統(tǒng) 廣播信息中獲取接入級別限制信息，并根據(jù)自身的接入級別確定是否發(fā)起隨機(jī)接 入，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)當(dāng)前的擁塞狀態(tài)拒絕或允許終端接入。其。接入示意圖如圖 2.7所示。留)匆力p 頑 11milirmSG14憩卜日日rinq日Hmajp、ini inmH.iiihi / UE RACH母 、/ preamble5啟1E3bRamrtgriil wPaging K一mdcabor of eab paranieier 、mc?diiiGation(SIBl4) ai XiAccess Class (AC)

7、One out often 0.-.91 randomly allocated mabile 叩pu 劇 in ns stored in device (USIM)圖2.7 UE接入流程圖NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)：低成本NB-IoT的低速率、低功耗、低帶寬帶來了極低的成本優(yōu)勢。NB-IoT采用新 的物理層方法降低了設(shè)備復(fù)雜性。低數(shù)據(jù)速率使得芯片減小了高速緩存，并降低 了電路和DSP配置的復(fù)雜性。低帶寬，使得芯片不需要復(fù)雜的均衡算法，降低 了復(fù)雜度和設(shè)備復(fù)雜性以及設(shè)備成本，綜合下來，單個(gè)NB-IoT的造價(jià)可低于5 美元。NB-IoT新硬件結(jié)構(gòu)，其裁剪掉了其他非必需的硬件結(jié)構(gòu)，采用單天線、半 雙工、降

8、低了 RF成本；低采樣率，對緩存Flash/RAM要求?。?8 kByte）；低功 率（23dBm）對RF設(shè)計(jì)要求低，PA單元可以與基帶集成在SOC。集成對比圖 如圖2.8所示。口液 r1 iwccwiBiHaiT 1Paging|GSRLMewstT岫FIRCCli iiv.IIu ipadi(kjRLPA- Jgi F9S：WSg|L kWW M3Fmn RJCCH 1 RJSCH、蚯J圖2.8 NB-IoT與LTE基帶芯片的對比NB-IoT定義了一系列簡化的解決方案，包括簡化的協(xié)議棧、簡化的RF。與 普通LTE相比，簡化了基帶處理復(fù)雜性，基帶復(fù)雜度降低了大約10%，RF降低 了大約65%

9、。并且通過新的空中接口協(xié)議減少芯片的計(jì)算開銷，并重新設(shè)計(jì)物 理層信道，減少了基本信道的計(jì)算開銷，過減少芯片協(xié)議棧處理流程的開銷來優(yōu) 化協(xié)議棧。如表2.1所示。表2.1 NB-IoT功能裁剪參照表Release 8Release 8Release 12Release 13Release 13CategoryCategory4Category1Category 0Cat-M1(eMTC)Cat-M2(NB-IoT)Downlink peak rate150Mbps10 Mbps1Mbps1 Mbps200 kbpsUplinkpeak rate50 Mbps5 Mbps1Mbps1 Mbps200

10、 kbpsNumber of antennas22111DuplexFullFullHalfHalf duplexHalfduplex duplexUE receive20 MHz 20 MHzbandwidthUEtransmit23 dBm 23 dBmpowerModem10080%complexity %duplexduplex20 MHz1.4 MHz200kHz23 dBm20 dBm23 dBm40%20%15%關(guān)鍵技術(shù)：超低功耗NB-IoT聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率的應(yīng)用場合，因此NB-IoT設(shè)備功率消耗可以 做到非常小，NB-IoT終端模塊的使用時(shí)間可長達(dá)10年。NB-IoT模塊的

11、工作模 式主要有，Active、Idle、PSM三種模式。如表2.2所示。表2.2 NB-IoT 工作模式說明NB- IoT 模 塊 工 作 狀 態(tài)功能狀態(tài)Active模塊處于活動(dòng)狀態(tài)；所有功能正?？捎?，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接 收。模塊在此模式下可切換到Idle模式或PSM模式。Idle模塊處于淺睡眠狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)處于連接狀態(tài)，可接受尋呼消息。模 塊在此模式下可切換至Active模式或者PSM模式。PSM該模塊僅適用于RTC，網(wǎng)絡(luò)處于非連接狀態(tài)，并且不接受尋呼消 息。當(dāng)DTE（數(shù)據(jù)終端設(shè)備）主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)或定時(shí)器T3412（與 定期更新有關(guān)）超時(shí)時(shí)，模塊將被喚醒。模塊在PSM下的最大耗流為5uA。PS

12、M的主要目的是降低模塊閑時(shí)功耗，延長電池的使用壽命。下圖2.9顯示了模塊在不同模式下的功耗示意圖。圖2.9 NB-IoT功耗參考示意圖模塊進(jìn)入PSM的過程如下：當(dāng)模塊與網(wǎng)絡(luò)建立連接或跟蹤區(qū)域更新（TAU） 時(shí)，它將應(yīng)用于在請求消息中輸入PSM。網(wǎng)絡(luò)在響應(yīng)消息中配置T3324定時(shí)器 值返回模塊，并啟動(dòng)可達(dá)定時(shí)器。當(dāng)T3324計(jì)時(shí)器到期時(shí)，模塊進(jìn)入PSM。當(dāng) 模塊連接到緊急服務(wù)或使用公共數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，模塊無法申請進(jìn)入PSM。 當(dāng)模塊處于PSM模式時(shí)，將關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)，包括搜索單元消息，單元重選等。 但是，T3412定時(shí)器（與定期TAU更新有關(guān)）繼續(xù)運(yùn)行。模塊退出PSM模式有兩種方式：一種類型的DTE主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，另一種是 當(dāng)T3412定時(shí)器到期時(shí)，TAU啟動(dòng)，模塊退出PSM。如果周期性TAU為10分 鐘，則設(shè)備每周上傳一次數(shù)據(jù)，因此可以使用兩個(gè)5號電池，使模塊工作