NB-IoT：它是如何工作的？

标准NB-IoT中的设备可以使用一节普通电池工作长达10年。由于什么？我们收集了有关此技术的所有重要信息。在本文中，我们将从无线接入网络体系结构的角度讨论其特性，在第二部分中讨论在NB-IoT期间发生的网络核心的变化。



NB-IoT技术从LTE继承了很多 - 从无线电信号的物理结构到架构。所有内容都不能列在一篇文章中，因此我们将尝试专注于创建此技术的主要功能。那么：

NB-IoT在无线接入网络架构方面有什么区别？

首先，我们回想一下关于LTE的重要事项：

对于LTE信号，使用具有15kHz的子载波间隔的OFDM信道的划分原理。在DL（下行链路，来自BS的方向）中，使用OFDMA，并且在UL（上行链路，到BS的方向）中，使用SC-FDMA。LTE中的整个载波被划分为资源块（资源块，RB），每个资源块由12个子载波和12x15kHz = 180kHz的占用频带的总宽度组成（图1）。每个资源块被分成12×7 = 84个资源元素（资源元素，RE）。



图1。资源块，资源元素

为了实现高小区吞吐量，QAM256的高调制阶数用于UL中的DL和QAM64。此外，MIMO2x2和MIMO4x4技术将用于相同的目的。

无线电信号NB-IoT的特点：

NB-IoT中最重要的是能够在较低信号电平和高噪声水平下工作，以及节省电池电量。NB-IoT还设计用于传输短消息，并且不需要从其传输音频 - 视频内容，大型文件和其他内容。

在此基础上，在物理层面上，某些特征有助于提供必要的特征：

1. NB-IoT的总频带限制为一个RB 180 kHz宽;

2. 用户设备的无线电路径只有一个天线，接收器和发射器;

3. 发送和接收在时间上分开，即 这基本上是半双工;

4. 在一个子载波上以UL方向发送的能力;

5. 使用的调制类型仅限于BPSK和QPSK;

6. 重复增强发射信号（覆盖增强）。

下面我们将更详细地关注其中一些。

在一个RB，一个天线和半双工传输模式中使用窄带允许您简化设备并实现：

• 降低处理器功率要求;

• 减少能源消耗;

• 尺寸减小;

• 更便宜的设备。

射频分配：

对于NB-IoT，几乎所有与“低”频段中的2G / 3G / 4G相同的频段都可以使用。它们是B20（800MHz），B8（900MHz），B3（1800MHz）。由于信号衰减较大，使用“较高”频率是没有意义的。为NB-IoT分配频率资源

有三种方法：

1。独立。

专用频道宽度为200 kHz。这个选项对NB-IoT的工作最有效，但也是最昂贵的。事实是，在这种情况下，可能需要300至600kHz的非常有价值的频谱以及保护间隔。在这种情况下，与其他技术的相互干扰很小（图2）。



图。2.将NB-IoT置于独立模式的选项。

2.带内

在这种情况下，为现有LTE载波内的NB-IoT分配资源，但是与LTE资源块相比，NB-IoT载波的功率增加了6dB。该选项非常适合于节省频率资源，但存在与LTE网络相互影响的问题（图3）。



图。3.将NB-IoT置于带内模式。

3.护卫队

在这种情况下，NB-IoT以所谓的保护间隔开始。例如，在LTE10MHz频带中，500kHz的自由频谱用作保护间隔。与更长距离的带内模式一样，与LTE资源块相比，NB-IoT载波的功率增加了6-9 dB（图4）。该用例允许您同时节省频率资源并减少与LTE网络的相互影响，尽管在这种情况下LTE的带外发射参数恶化。



图。4.将NB-IoT置于保护频带模式。

在一个子载波上以UL方向传输的能力：

如果在LTE中，由一个或多个RB组成的资源组的块被分配给订户，则在NB-IoT中，最小单元是RE - 无线电资源的部分被切换到订户。因此，设备可以在15kHz的一个子载波上在UL中发送信号。同时，现在对于NB-IoT，在UL方向上将RB划分为在3.75kHz处的48个子载波已经被标准化。在这种情况下，资源元素的持续时间是四倍，因此，时隙最多为2毫秒，因此它们的信息容量不会改变（图5）。



图5。资源要素。

在15kHz的单个子载波上的窄带中的信号传输，甚至在3.75kHz的信号传输，可以显着地增加信号的频谱密度，并因此显着地增加信噪比，这对于具有比基站强大得多的发射机的用户设备非常重要。此外，在NB-IoT以及LTE中，用户设备的功率限制为23dBm（200mW）。

同时，如果无线电条件允许，为了减少有效传输模式的时间，并相应地节省电池，则可以同时在多个子载波上进行传输。一个子载波上的传输具有单音传输模式的名称，并且具有多个 - 多音调（这些是15kHz的3,6或12个子载波）。图6示出了从资源元素（资源单元，RU）形成资源单元的各种变体。



图6。资源单位（RU）。

RU是下一个较大的砖块，从中形成传输块（传输块，TB），分配给用户。在一个TB中可以是一到十个RU。然而，取决于所使用的调制编码方案（MCS），取决于信号的质量，每个TB可以包含不同量的有用信息。当然，NB-IoT中的TB大小比LTE中的小得多，并且在DL中为680比特且在UL（Rel.13 3GPP）中为1000比特。此标准中也只有一个HARQ进程（混合自动重复请求），因此下一个TB只能在确认接收到之前的TB后才能发送。在3GPP的版本14中，传输块大小增加到2536比特和双HARQ，其允许两个传输块连续传输。

覆盖范围增强：

NB-IoT的另一个特征是覆盖增强功能，其通过连续重复发送的信号来实现。在接收不成功的情况下，不应将该机制与分组的重传混淆;在覆盖增强的情况下，在接收到所有重复的消息之后发生接收信号成功的决定（图7）。所有物理信道NPDCCH，NPDSCH，NPRACH和NPUSCH（这里N是窄带前缀）都可以重复。



图。7.在NB-IoT中重复

该标准定义了三个阶段，称为覆盖级别0,1和2.重复次数可以变化很大，并且针对每种类型的物理信道及其格式单独设置。例如，该标准规定UL中有用信号的值最高为128，DL最高为2048.实际上，一切都取决于为操作模式（独立，带内/保护频带）优化的网络设置，信号质量和其他条件。中继器允许您以低得多的信噪比解码信号，理论上高达10 dB及以下。

所有这些 - 使用更窄的带宽和覆盖范围增强 - 使您最终可以实现相对于GSM 20 dB的臭名昭着的增益。

NB-IoT的传输速率

一般而言，如上所述，物联网本身的原理并不意味着与设备进行重要的信息交换，因此，这些值是非常有条件的。首先，它们只有在良好的信号质量下才能实现。其次，信令交换（包括DCI kahal的指定和ACK接收的确认）不适用于LTE，以获得最大速度。第三，如果设备仅发送一个或两个短消息，则在这种情况下，传输速度的含义并不完全明确。但是不要说这里的速度是不可能的。例如，图8示出了用户的DL计算速度。



图8。DL传输速率

该图显示在NB-IoT中，与LTE不同，用户设备不能占用整个可用的无线电资源。并且BS无线电资源的其余部分可用于与其他设备通信。UL的情况类似（图9）。



图9。UL转移率。

因此，双HARQ的使用和传输块本身的增加的大小高达2536比特（版本14 3GPP），允许增加DL中的传输速度和UL中的传输速度高于100kbit / s。
这就是全部 - 如果我们从无线接入架构的角度讨论主要功能，而不是远远不够。希望它有所帮助。很快 - 在下一篇文章中 - 我们将告诉您核心网络（核心网络）如何随NB-IoT而改变。我们希望得到反馈。