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【干货分享】NB-IoT协议和模组应用杂谈

2019-05-09 11:00 媒体投稿

导读:近两年随着8828彩票的高速发展,NB-IoT在IT行业内也被推上了风口浪尖。NB-IoT技术是基于LTE的R13实现的,因此和现有的移动网络很容易兼容,在8828彩票通信中占据着越来越重要的地位,因此三大运营商都在加紧NB-IoT的网络部署。

什么是NB-IoT

NB-IoT是一种无线蜂窝网络通信协议,是Narrow Band Internet of Things的缩写,意思是窄带8828彩票,是一种低功耗广覆盖8828彩票技术(LPWA),窄带只指使用的带宽为180KHz,工作在运营商的授权频段内,技术主要贡献者为华为和高通。

近两年随着8828彩票的高速发展,NB-IoT在IT行业内也被推上了风口浪尖。NB-IoT技术是基于LTE的R13实现的,因此和现有的移动网络很容易兼容,在8828彩票通信中占据着越来越重要的地位,因此三大运营商都在加紧NB-IoT的网络部署。

NB-IoT协议的本质是什么

当某种资源是有限的、多个个体都需要时,为了更合理的利用资源往往会建立各种各样的规则,在通信中,信息交互所需的传输介质、传输时间等都是有限的,且是各通信方争抢的,此时就需要建立一套通信协议即通信规则,各通信参与方为了信息交互共同遵守这种约定,以此达到在有限的资源范围内信息交互高有效性和高可靠性的平衡,实现资源的最优利用。

NB-IoT协议就是充分利用好宝贵的无线频谱资源和时间资源、满足LPWA需要而设计的一套无线蜂窝网络通信规则,其作用就是为信息交互制定了一套语法、语义和时序,简单的说就是规定了通信参与方用什么语言交流,说的话代表什么意思、以及谁说谁听、说多长时间的规则。

NB-IoT的演进过程

2013年初,华为联合相关厂商、运营商开始蜂窝8828彩票的研究,命名为LTE-M;

2014年5月,由华为、沃达丰、中国移动、Orange、TelecomItaly等公司主导的工作组SI在3GPPGERAN立项,LTE-M演进为CellularIoT,简称CIoT;

2015年5月,华为和高通共同宣布一项融合解决方案,融合之后的方案叫NB-CIoT;

2015年8月,在GERANSI阶段最后一次会议上,爱立信联合中兴、诺基亚、三星、Intel等提出NB-LTE的概念;

2015年9月,RAN#68上NB-CIoT和NB-LTE两个技术方案进行融合行成NB-IoT;

2016年6月16日,NB-IoT的3GPP标准核心部分正式冻结,标志着商用阶段正式开始。

NB-IoT的技术特点

LPWA终端设备应用时,往往存在用户数量多且密集分布、外接电源困难、所处位置较隐蔽、成本敏感等特点,为了应对这些需求,NB-IoT网络的设计具有如下特点:

  超低功耗:加入PSM功能,处于此模式的终端耗流在3uA左右,即便使用干电池也能驱动模组工作10年之久;

  海量连接:单小区180KHz的带宽可支持10万用户接入,是LTE连接数的数千倍;

  深度覆盖:NB-IoT支持0、1、2三个CE Level(覆盖增强等级),分别对应可以对抗144dB、154dB、164dB的信号衰减,相比GSM和LTE提高了20dB,覆盖面积提升了100倍,同等条件下NB-IoT能提供更深的覆盖;

  超低成本:通过简化协议、去掉对8828彩票应用意义不大的功能等方式降低终端的制造难度和成本,目前已降至3美元以内,未来可降至1美元以内;

  低速率:LPWA应用时多传输控制类参数,数据量小、通信频次低、时延不敏感,因此NB-IoT网络将业务时延放宽到了10s;

  上行为主:与传统蜂窝网络以“人”的连接不同,8828彩票以“物”的应用多以上行数据为主,因此NB-IoT的流量模型是以上行为主的;

  半双工:NB-IoT采用的是FDD模式,通信时采用的是半双工,半双工所需的元件成本更低,且可降低电量功耗,进一步压缩了终端的成本和耗电量;

  ST/MT两种模式: Single Tone(单频)模式下,可以同时为更多的用户提供业务传输服务,能提供上行15kbps左右的传输速率;Multiple Tone(多频)模式下能充分利用频谱资源,提升用户传输速率,能为用户提供上行62kbps左右的传输速率;NB-IoT上行支持3.75kHz和15kHz两种子载波空间,其中MT模式下必须为15kHz;

  不支持小区切换:8828彩票的应用场景中,终端多为静止状态,通过去除复杂的切换功能能进一步降低能耗、减少终端复杂度;

  三种部署方式:独立部署占用200kHz带宽,适用于重耕GSM频段,GSM的信道带宽为200KHz,这刚好为NB-IoT 180KHz带宽辟出空间,且两边各有10KHz的保护间隔;LTE带内部署占用180KHz带宽,可利用LTE载波中间的任何资源块实现;LTE保护带部署占用180KHz带宽,利用LTE边缘保护频带中未使用的180KHz带宽的资源块进行部署。

总而言之,NB-IoT是“懒”、“简”、“慢”、“廉”、“多”为特点的LPWA通信协议技术。

NB-IoT的网络架构

终端与基站之间为无线传输,单小区总带宽为180KHz,上行采用3.75KHz子载波时最大支持48个终端同时上传数据,采用15KHz子载波时最大支持12个终端同时上传数据,支持最多600个左右的终端处于激活态(不进行数据交互),支持10万个终端在网络中注册(终端处于PSM态)。

为避免终端并发数过高导致拥塞,高并发可能导致用户数据传输延迟甚至丢失,因此应尽量避免高并发产生,需要增加错峰机制,比如数据交互时刻采用北京时间加随机数等方式。

NAT IP老化是什么

IPV4的地址总共是32位,因此其最多能产生2的32次方个地址,即最多42.9亿多一点的IP数量,总量本就不多,有些IP段又是特殊用途不能开放,再加上前期分配时IP地址浪费严重,因此上世纪90年代前后开始意识到IP地址将要被分配完的问题,为了减缓IP地址不足的问题,NAT(Network Address Translation,网络地址转换)应运而生,其基本思想是区分公网和局域网,预留三段公网不能使用的IP地址在局域网内使用,局域网网内终端收发数据采用预留的IP地址,局域网内的终端与公网通信时,在局域网的出口处将源IP更改为公网IP,并记录对应关系,当公网访问局域网内的终端时,根据对应关系将目的地址更改为对应终端的私网地址即可,此机制一个局域网仅需少量的IP甚至是一个IP就可以实现局域网内的终端与公网进行通信。

但这种机制的缺点也很明显,首先是公网地址设备不能主动与局域网内的终端进行数据交互,需要局域网内的用户先发起一次通信生成公网IP与私网IP对应关系后才能相互通信;其次由于互联网的数据交互非常频繁,因此IP对应关系记录表很容易积累的非常大导致无法存储,所以实际应用时,多使用动态NAT机制,当规定时长内公网设备与局域网设备没有再进行数据交互,此IP对应关系表将会被删除,导致公网不能主动发数据到终端。

对抗NAT IP对应关系表老化问题的方式就分为两种,①开通GRE隧道,使用专用APN;②终端在IP对应关系表老化前发一次数据到公网,即发送心跳包。使用GRE隧道卡的方式终端只需关闭PSM和eDRX即可,使用心跳包则有可能导致高并发,两种方式终端均无法进入PSM态,功耗会增加,尤其是心跳包的形式,功耗增加尤为明显。

在实际应用中,如有条件,可采用终端平时处于休眠模式,需要接收公网设备的数据时,先触发终端发一条数据到公网,然后再接收公网设备发过来的数据,此种业务逻辑即可保证收到下行数据,又能使终端在无数据收发时处于PSM的超低功耗状态。

国内运营商拥有的可使用的NB-IoT频段

NB-IoT与LTE、Lora的技术对比

Lora是非授权频段使用的通信协议,其在覆盖范围、功耗、连接数量、传输速率等方面与NB-IoT相当,是目前广泛使用的一种长距离通信协议之一。

由于Lora发展的较早,且得到了很多设备厂商和欧美运营商的支持,由于其在非授权频段工作,可以私有化部署,不通过运营商的网络进行连接,所以曾经有段时间在使用范围上领先过,但由于部署基站成本高、频谱易受干扰,加上工信部出台的《微功率短距离无线电发射设备技术要求》规定在470MHz~510MHz不允许组网,至使Lora的发展困难重重(我国的Lora应用大多部署在470MHz~510MHz),目前NB-IoT的优势越来越明显。