NB-IoT的前生 蜂窝物联网进化史

所谓蜂窝物联网,就是蜂窝移动通信网+物联网。蜂窝移动通信网络已经发展30多年了,高高的通信铁塔拔地而起,随处可见,比工业时代的烟囱可多多了,象征着辉煌的信息时代。

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因此,蜂窝移动通信网络的广覆盖性和移动性,成为了物联网的天然搭档。

曾经,我们用2/3G网络来连接物联网设备。

这些物联网应用通常数据流量很小,有些仅需一条短信就可以搞定,主要应用于智能抄表、车队管理追踪、集装箱追踪、垃圾管理等等。

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然而,随着物联网的发展,特别是其它LPWAN技术兴起,我们发现工作于2/3G网络下的物联网越来越不适应时代需求了。

GPRS模块较贵,令人担忧的是,GSM已经运行25年,离关闭退服的日子不远了。而物联网设备的电池寿命可维持10年之久,10年之内,2G网络要是关闭了那可咋整?况且,LTE网络也具备技术优势:频谱效率、时延、数据吞吐率均优于2/3G网络。

我们得面向未来,得为蜂窝物联网考虑下家,寻找4G LTE的解决方案。于是,3GPP 在Rel.13定义了eMTC (LTE Cat M1)和NB-IoT。

3GPP为啥到Rel.13才定义eMTC和NB-IoT呢?是不是反应太慢了点?

话不能这么说,事实上,3GPP很早就意识到了这一点,因为LTE设计之初是为了应付移动宽带业务,在设计上需要专门针对物联网做一些改进。同时,在LTE初期,网络规模还没有达到2/3G覆盖水平,并不能满足物联网广覆盖的需求。

Rel.10和Rel.11解决了“一大”问题

如果没记错,从Rel.10开始,3GPP就开始针对物联网引入新功能。

关于蜂窝物联网的设计原则,总得来说,我们把它称为“一大、一强、三低”。

一大,就是大规模连接,物联网设备连接数量很多;一强,就是覆盖增强;三低,就是低功耗、低成本、低流量。

在Rel.10和Rel.11阶段,3GPP主要在解决“一大”问题。

大量设备同时接入网络,会引起网络过载,从而影响移动宽带业务,比如大规模断电恢复后,大量设备同时接入网络,网络信令负荷直呼受不了。要想LTE网络引入物联网,首先得保证4G主业务——移动宽带不受伤害。

由于很多物联网设备对时延并不敏感,在连接过程中可接受较长时间等待,在Rel. 10引入了初始连接拒绝机制,就是让一些设备先靠边站,等一会再来连接(Extended wait time)。

在Rel. 11还引入了接入等级(access classes)机制,网络为每一个终端设备设置了接入等级,指示哪些设备可以接入。

总得来说,Rel. 10 和Rel. 11阶段,3GPP做了一些应付大规模接入的工作,这确保了LTE在应对物联网时网络的可靠性和稳定性。

接下来,就是解决“三低”问题了。

从Rel. 12开始,3GPP主要着手解决“三低”问题。在这一阶段,主要定义了PSM(Power Saving Mode)省电模式和LTE Cat 0。

LTE Cat 0

比较LTE Cat 1,LTE Cat 0模块的复杂度降低了50%,这主要是通过牺牲部分功能的方式来降低模块硬件复杂度,也降低了成本和功耗。

LTE Cat 0取消了全双工模式,采用半双工,这意味着终端设备无需同时接收和发送数据,也意味着不需要双工滤波器来防止发送和接收信号之间的干扰。

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LTE Cat 0还降低了数据速率,上下行仅为1Mbps,这降低了模块的处理和存储能力,从而降低成本。

PSM

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PSM在数据连接终止或周期性TAU完成后启动。数据连接终止后,终端首先进入空闲模式,并进入不连续接收(DRX)状态,此时,终端监听寻呼(Paging)。

当DRX定时器T3324超时后,终端进入PSM模式。

PSM模式下,终端处于休眠模式,近乎于关机状态,可大幅度省电。在PSM期间,终端不再监听寻呼,但终端还是注册在网络中,因此,要发送数据时不需要重新连接或建立PDN连接。

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所以,PSM适用于那些反应迟钝的,通常由终端主动发起和网络通信的物联网场景,否则,你要是捉急让它办点事,它可能要很久才回应你。当然,我们在网络设计时,也一定要考虑实际应用需求,合理设置空闲模式和PSM模式的时间间隔。

LTE Cat M1(eMTC) 和 LTE Cat NB1(NB-IoT)

3GPP在Rel. 13引入了LTE Cat M1。LTE Cat M1更精简、更低成本、更低功耗,带宽从20MHz降到1.4MHz,终端发射功率更小,可20dBm。

与LTE Cat M1同时到来的是LTE Cat NB1。

如果说eMTC是LTE的瘦身版,那么,NB-IoT就是打了类固醇的LPWAN。

总得来说,NB-IoT让蜂窝物联网从“更低”走向“超低”,从“更大”走向“超大”:超低功耗、超低成本、超低流量、超强覆盖、超大规模连接。

NB-IoT的带宽仅为180KHz,这样它可以部署于空闲的LTE资源块,LTE载波之间的空闲频谱(保护带)或独立部署(空闲的GSM载波)。

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与LTE Cat 0 和Cat M1不同的是,NB-IoT是一个新的空口技术。

关于LTE Cat 1、Cat 0、Cat M1和Cat NB1之间的区别如下图所示:

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eDRX

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Rel. 13还引入了eDRX(增强型非连续接收),就是延长了原来DRX的时间,减少了终端的DRX次数和频率,以达到省电的目的。之前DRX的最小间隔为2.56秒,这对于隔很长一段时间才发送数据的物联网设备来说,实在是太频繁了。

eDRX可工作于空闲模式和连接模式。在连接模式下,eDRX把接收间隔扩展至10.24秒;在空闲模式下,eDRX将寻呼监测和TAU更新间隔扩展至超过40分钟。

PSM和eDRX之间的不同之处在于,终端从休眠模式进入可接收模式这个时间间隔的长短。

在PSM模式下,终端需要首先从休眠模式进入激活模式,然后才进入空闲模式。

在eDRX模式下,终端本身就处于空闲模式,可以更快速的进入接收模式,无需额外信令。

比如,某物联网应用需要终端每10分钟要回应一次,假如采用PSM模式,终端不得不每10分钟终止PSM,并进行TAU,需经历这个过程后才能进入空闲模式。

假如采用eDRX,终端每10分钟直接进入接收模式,这样可以更省电和减少信令负荷。

反之,对于那些每天才发一次数据的物联网终端,PSM模式更加省电。

因此,如何配置PSM和eDRX,要根据实际情况来决定。

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