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4G LTE窄带蜂窝物联网技术演进应解决的四大问题

供稿人:李远东  供稿时间:2016-9-23   关键字:4G  LTE  窄带蜂窝物联网  Cat-M1  Cat-NB1  

0、引言

 

最新的4G LTE窄带IoT(物联网)技术,其发展方向是窄带5GNarrowband 5G。即工作于较窄/很窄物理带宽之上的用于承载物联网业务的第五代移动通信网络或网络切片),而且,为了更好地支撑物联网应用的运行,其应在以下四大方面进行演进、作出改善:减小设备实现的复杂度、提高内置电池的使用寿命、增强网络覆盖能力、部署更高密度的节点设备[1]。下文作详细介绍。

 

1、减小设备实现的复杂度以降低物联网设备的成本

 

移动物联网的普及、渗透将会给诸多传统/垂直行业及应用带来巨大的效益提升。预计将会有很多类型的移动物联网应用具备驱动更高ARPCAverage Revenue Per Connection,由每个无线连接所产生的收益)的潜力,此处的更高是相对于如今以智能手机和平板电脑等为消费终端的移动宽带/移动互联网业务的ARPU(每用户收益)而言。因此,为了能够进行大/超大规模的商用部署,大多数的移动物联网应用场景都有着这样的需求:设备的成本要低得多。例如,与一部智能手机的硬件及业务服务成本相比较,在一天之内要数次测试室内温度的简易传感器在成本上有着很大的差别。从而,业界就应该减小Cat-M1Cat-NB1移动物联网设备实现的复杂度水平(在仍能满足相关物联网应用需求的前提之下),以降低其成本。表1总结了两种新兴4G LTE窄带物联网技术的复杂度差异性。

 

降低4G LTE窄带物联网设备的实现复杂度[1]

 

 

LTE Cat-1

(目前商用)

LTE Cat-M1

LTE Release 13

LTE Cat-NB1

LTE Release 13

峰值数据率

下行:10 Mbps

上行:5 Mbps

下行:1 Mbps

上行:1 Mbps

下行:约20 kbps

上行:约60 kbps

物理带宽

20 MHz

1.4 MHz

200 kHz

发射天线

MIMO

单根天线

单根天线

双工模式

全双工

FDD/TDD

支持半双工

FDD/TDD

半双工

仅支持FDD

发射功率

23 dBm

20 dBm

20 dBm

 

1)峰值数据率方面:Cat-M1Cat-NB1移动物联网设备都将减小峰值数据率(相对于诸如Cat-1等常规的LTE设备)。Cat-M1的上行与下行吞吐均被限制为最高1 Mbps,而Cat-NB1的上行与下行峰值数据率均不得超过10 kbps。当峰值数据率得到降低后,Cat-M1Cat-NB1移动物联网设备就无需具备较大的计算能力与存储能力。

 

2)带宽方面:4G LTE的载波带宽数值在1.4 MHz~20 MHz内可扩展,含有6~100个资源块。对于LTE Cat-M1移动物联网设备,其载波带宽被限制为仅1.4 MHz(构成为:1.08 MHz+带内的两个用于6 RBs的保护带),无需支撑较大的数据率。由于工作带宽减小,就需要相应地增加一个新的控制信道——M-PDCCHMTC Physical Downlink Control Channel,机器类通信物理下行控制信道),而不能再使用传统的控制信道PCFICHPHICHPDCCH(因为它们不适应窄带机制)。LTE Cat-NB1移动物联网设备的载波带宽则被进一步地限制为仅1.4 MHz(构成为:1.08 MHz+带内的单个用于RB的保护带),为此,需要采取能适应窄带工作的NB-IoT同步信道、控制信道与数据信道机制。

 

3)发射天线方面:为了提高频谱效率,4G LTE中引入了面向MIMO(多输入及多输出)与接收分集的多天线技术。但对于4G LTE窄带物联网而言,所需的数据率并不高,但减小实现的复杂度则显得非常重要。因此,Cat-M1Cat-NB1移动物联网设备中,均只内置单根天线,从而减小了芯片中RF(射频)前端的实现复杂度。虽然由此不能进行分集接收从而降低了RF性能,但是,可以通过其他先进的覆盖增强技术来提高接收端的信号灵敏度。

 

4)双工模式方面:由于移动物联网于数据传输方面具备间歇性延迟/时延非敏感这两大天然特性,4G LTE窄带物联网设备就可以通过仅采取半双工通信机制来降低复杂度(尽在给定的时间段内发送或者接收数据)。其中,LTE Cat-M1移动物联网设备可支持采取FDDTDD的半双工,而LTE Cat-NB1移动物联网设备则仅采取FDD这种半双工机制。这就使得移动物联网设备仅进行简单的射频切换,而不用进行复杂得多、成本大得多的全双工通信。

 

5)发射功率方面:最新的4G LTE窄带IoT(物联网)技术,上行发射功率的最大值被降低至20 dBm(也就是100 mW),从而就可以集成PA(功率放大器),有利于降低设备成本。

 

6)与其他方面的简化:在降低最新移动物联网技术的实现复杂度方面,业界还规定,LTE Cat-NB1移动物联网设备对于语音业务(电路语音或者VoLTE)、移动性的支持应是受限的,由于不支持移动性,就无需进行频繁的无线链路测量及上报。

 

2、提高移动物联网设备的能效,以进一步延长内置电池的使用寿命

 

很多的移动物联网终端设备均已内置电池方式供电,而且业界希望充一次电就可以使用尽可能长的时间。由于将被大/超大规模地部署于野外或者环境很危险的地方,终端设备的维护就会产生很大的成本。而且,安放这些移动设备(如资产跟踪器)的工作量也很大。因此,对于最新的4G LTE窄带IoT(物联网)技术而言,最值得得到改善的几处之一就是最大化电池使用寿命。虽然简化设备的实现复杂度可以节能降耗,但是Cat-M1Cat-NB1移动物联网设备均可采取这两种全新的节能技术:PSM(节能模式)及eDRx(扩展型非连续接收)。

 

图1

1  PSMeDRx对于移动物联网终端电池使用寿命的优化[1]

 

PSM是一种新型的低功率模式,将可使得移动物联网设备的休眠时间更长。但是,一旦设备进入PSM模式,其就将变得不可见。因此,PSM的最佳应用场景是由移动物联网设备主动发起与4G/5G网络的通信。此外,PSM还可使能更为高效的低功率模式进入/退出,移动物联网设备于PSM期间仍然保持在网络中的注册,从而就无需在需要退出PSM模式时以额外的周期来建立注册与连接。这些典型的移动物联网应用将可采取PSM模式:智能抄表、传感器、周期性地向网络发送传感数据的物联网设备。

 

eDRx对于电池使用寿命的优化,是通过把连接模式下的网络数据接收时间扩展至10.24秒,并将空闲模式下的寻呼监测及追踪区域更新时间扩展至超过40分钟。eDRx容许网络与移动物联网设备对休眠周期进行同步,从而将可使得后者减小检查是否有网络消息到来的频次。但是,容易增大时延/延迟。因此,eDRx最适合被应用于设备终结型应用(device-terminated applications),适宜的应用场景包括资产跟踪、智能电网等(均可从eDRx的更长休眠周期中获益)。

 

3、增强网络覆盖能力

 

如果网络覆盖得到更为深度的优化,则很多的移动物联网应用将会从中受益(尤其是部署于那些网络覆盖很困难地方的物联网应用,如智能电表)。研究发现,在很多的移动物联网应用场景之中,如果平衡好上行链路频谱效率及延迟/时延,就可在无需提高发射功率的情况下较大程度地增强网络覆盖能力。而由于无需提高发射功率,则又将可延长移动物联网终端电池的使用寿命。

 

可增强移动物联网网络覆盖能力的核心技术包括:

 

1)冗余传输:如果以多个连续的子帧(TTI绑定)来多次发射相同的传送块资源,或者在某段时间内重复地发送相同的数据,可以极大地增强移动物联网终端设备对所接收到的消息进行解码的能力。

 

2PSD(功率谱密度)增强:移动通信基站可通过提高下行发射功率的方式来扩大小区覆盖范围。同样,移动物联网设备在向网络发送数据时,也可以把所有的发射功率集中在相同的工作频段之上(比如Cat-M115 kHz带宽子载波与Cat-NB13.75 kHz带宽子载波),有效提高发射功率密度。

 

3)单载波上行:同样地,Cat-NB1型移动物联网设备于上行方向可采取单载波调制(每个子载波的物理带宽为3.75 kHz或者15 kHz),以进一步地增强网络覆盖能力,与峰值数据率做好平衡(最大不能超过10 kbps)。

 

4)低阶调制技术:不要采取16 QAM调制,而是采取QPSK这种低阶调制技术,从而就将可极大程度地降低SINR(信号与噪声及干扰之比)阈值,与调制效率做好平衡(每个符号传送更少的数据比特)。

 

实际测试表明,当采取了上述关键措施之后,Cat-M1型移动物联网设备的无线链路预算就可增大至155.7 dB(相对于常规4G LTE的提高了15 dB),而Cat-NB1型移动物联网设备的无线链路预算则是进一步增大至164 dB

 

4、优化4G LTE核心网,提高其对于移动物联网设备的支撑效率

 

近乎海量的移动物联网连接数,将会给4G LTE的核心网能力带来巨大的挑战。而且,移动物联网与移动互联网的最大不同之处在于,对于前者而言,网络容量并非决定4G LTE支撑更多移动物联网设备接入的限制性因素(移动物联网数据流量占整个网络数据流量的比例很小)。但是,由于移动物联网业务的开展,4G LTE核心网所需要处理的信令数量就增加了很多。大多数的移动物联网终端设备都是非周期性地发送小数据包(而非大数据包),因此,4G LTE核心网就需要面向移动物联网优化信令处理效率、优化资源管理,主要表现在以下三大方面:

 

1)更高效的信令处理:可以采取一些新的接入控制机制,比如EABExtended Access Barring,延长禁止访问),其可在网络发生拥塞时阻止移动物联网终端设备发出网络接入请求消息,从而避免产生一些不必要的信令。此外,网络也可利用组寻呼及组消息与多个下行设备进行更为高效的通信。

 

2)增强型资源管理:网络可容许一组具有较大数量的移动物联网设备共享相同的资源,从而就可以合并资源管理以及设备管理。例如,应用与智慧城市的智能水表,可以得到集中配置、控制与计费。

 

3)简化型4G LTE核心网(EPC-lite):4G LTE核心网可以专门面向移动物联网数据进行优化,从而提高资源使用效率,且可合并使用MME(移动性管理实体)、S-GW(业务网关)、P-GWPDN网关)——将其融合进单个的EPC-lite(轻便型4G分组核心网)之中。这样,移动通信运营商就可以在提供移动物联网业务时,降低网络建设成本与运维成本。

 

5、总结

 

为了能够顺利、成功地开展移动物联网业务,整个移动通信生态系统都应该参与进来,积极寻求简化移动物联网总体部署、终端设备高效管理。此方面的最新进展是:(1)移动通信硬件设备制造商们正加速移动物联网设备的生产制造与认证;(2)新兴的eUICC(嵌入式用户识别模块)研发计划正火热发展,有望实现蜂窝物联网业务的灵活管理;(3)对于移动物联网软件研发,协议的标准化将会提高数据传输效率,并增强不同供应商所生产设备的互操作性能。例如,oneM2M正在对移动物联网通信协议进行标准化,以期让移动物联网业务能快速上市并具备高可靠的端到端的安全性能。

 

 

参考文献

 

[1] Qualcomm. Paving the path to Narrowband 5G with LTE Internet of Things (IoT) [EB/OL].

https://www.qualcomm.com/media/documents/files/whitepaper-paving-the-path-to-narrowband-5g-with-lte-internet-of-things-iot.pdf, 2016-07-14.

 


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