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.
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).
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:
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:
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).
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).
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-несущая 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.
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).
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).
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).
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.
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).
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
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).
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:
- общая полоса для NB-IoT ограничена в один RB шириной в 180кГц;
- радиотракт пользовательского устройства имеет всего одну антенну, приемник и передатчик;
- передача и прием разнесены по времени, т.е. это по сути полудуплексный режим;
- возможность передавать в направлении UL на одной поднесущей;
- используемые типы модуляции ограничены BPSK и QPSK;
- 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).
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).
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-несущая 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.
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).
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).
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).
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.
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).
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
