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NB-IoT有什么优势 NB-IoT系统网络架构是怎样的

时间:2020-05-19浏览:1587

     NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)即基于蜂窝的窄带物联网,主要应用在小数据量、低速率的物联网应用场景,是实现万物互联的突破性技术。那么为什么会有NB-IoT出现,NB-IoT有什么优势呢? NB-IoT系统网络架构是怎样的?


    据市场研究机构Gartner预测,2016年全球将会使用64亿个物联网设备,届时每天将有550万个设备连网,而“万物互联”实现的基础之一在于数据的传输,不同的物联网业务对数据传输能力和实时性都有着不同要求。
 

  根据传输速率的不同,可将物联网业务进行高、中、低速的区分:
 

  • 高速率业务:主要使用3G、4G技术,例如车载物联网设备和监控摄像头, 对应的业务特点要求实时的数据传输;
 

  • 中等速率业务:主要使用GPRS技术,例如居民小区或超市的储物柜,使用频率高但并非实时使用,对网络传输速度的要求远不及高速率业务;
 

  • 低速率业务:业界将低速率业务市场归纳为LPWAN(Low Power Wide Area Network)市场,即低功耗广域网。目前还没有对应的蜂窝技术,多数情况下通过GPRS技术勉力支撑,从而带来了成本高、影响低速率业务普及度低的问题。
 

  也就是说目前低速率业务市场急需开拓,而低速率业务市场其实是最大的市场,如建筑中的灭火器、科学研究中使用的各种监测器,此类设备在生活中出现的频次很低,但汇集起来总数却很可观,这些数据的收集用于各类用途,比如改善城市设备的配置等等。
 

  而NB-IoT就是一种新的窄带蜂窝通信LPWAN(低功耗广域网)技术,可以帮助我们解决这个问题。

 


NB-IoT的优势是什么?

 

  作为一项应用于低速率业务中的技术,NB-IoT的优势不难想象:

 

  • 强链接:在同一基站的情况下,NB-IoT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数。一个扇区能够支持10万个连接,支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。举例来说,受限于带宽,运营商给家庭中每个路由器仅开放8-16个接入口,而一个家庭中往往有多部手机、笔记本、平板电脑,未来要想实现全屋智能、上百种传感设备需要联网就成了一个棘手的难题。而NB-IoT足以轻松满足未来智慧家庭中大量设备联网需求。

 

  • 高覆盖:NB-IoT室内覆盖能力强,比LTE提升20dB增益,相当于提升了100倍覆盖区域能力。不仅可以满足农村这样的广覆盖需求,对于厂区、地下车库、井盖这类对深度覆盖有要求的应用同样适用。以井盖监测为例,过去GPRS的方式需要伸出一根天线,车辆来往极易损坏,而NB-IoT只要部署得当,就可以很好的解决这一难题。

 

  • 低功耗:低功耗特性是物联网应用一项重要指标,特别对于一些不能经常更换电池的设备和场合,如安置于高山荒野偏远地区中的各类传感监测设备,它们不可能像智能手机一天一充电,长达几年的电池使用寿命是最本质的需求。NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用,因此NB-IoT设备功耗可以做到非常小,设备续航时间可以从过去的几个月大幅提升到几年。

 

  • 低成本:与LoRa相比,NB-IoT无需重新建网,射频和天线基本上都是复用的。以中国移动为例,900MHZ里面有一个比较宽的频带,只需要清出来一部分2G的频段,就可以直接进行LTENB-IoT的同时部署。低速率、低功耗、低带宽同样给NB-IoT芯片以及模块带来低成本优势。模块预期价格不超过5美元。


      NB-IoT系统网络架构和LTE系统网络架构相同,都称为演进的分组系统(Evolved Packet SystemEPS)EPS包括3个部分,分别是演进的核心系统(Evolved Packet CoreEPC)、基站(eNodeBeNB)UE

 

  eNB基站负责接入网部分,也称为E-UTRAN,也成为无线接入网。NB-IoT无线接入网整体架构如下图所示:

 

NB-IoT系统网络架构是怎样的?

 

  NB-IoT无线接入网由一个或多个基站(eNB)组成,eNB基站通过Uu接口(空中接口)UE通信,给UE提供用户面(PDCP/RLC/MAC/PHY)和控制面(RRC)的协议终止点。eNB基站之间通过X2接口进行直接互连,解决UE在不同eNB基站之间的切换问题。接入网和核心网之间通过S1接口进行连接,eNB基站通过S1接口连接到EPC

 

  具体来讲,eNB基站通过S1-MME连接到MME,通过S1-U连接到S-GWS1接口支持MME/S-GWeNB基站之间的多对多连接,即一个eNB基站可以和多个MME/S-GW连接,多个eNB基站也可以同时连接到同一个MME/S-GW

 

  整个网络体系架构遵循以下原则:

 

  信令传输和数据传输在逻辑上是独立的。

 

  E-UTRANEPC在功能上实现分离。

 

  RRC连接的移动性管理完全由E-UTRAN控制,核心网对无线资源的处理不可见。

 

  E-UTRAN接口上的功能定义尽量简化,并减少选项。

 

  多个逻辑节点可以在一个物理节点上实现。

 

  S1X2是开放的逻辑接口,应满足不同厂家设备之间的互联互通。

 

  eNB基站通过S1接口连接到MME/S-GW,只是接口上传输的是NB-IoT消息和数据。尽管NB-IoT没有定义小区切换功能,但在两个eNB基站之间依然有X2接口,X2接口可以使UE在进入空闲状态之后快速启动恢复进程。

 

  EPC负责核心网部分,提供全IP连接的承载网络,对所有的基于IP的业务都是开放的,能提供所有基于IP业务的能力集,包括移动性管理实体(Mobility Management EntiyMME)、服务网关(Serving GatewayS-GW)、分组数据网关(PDN GatewayP-GW)、业务能力开放单元(Service Capability Exposure FunctionSCEF)HSS。不再支持政策及收费规则功能(Policy and Charging Rules FuncionPCRF)

 

  其中,MME负责EPC的信令处理,实现移动性控制。S-GW负责EPC的数据处理,实现数据包的路由转发。若支持短信功能,NB-IoT网络将包含移动交换中心(Mobile Switching CenterMSC)服务器和短信中心。

 

NB-IoT为什么能省电?如何实现低功耗?


  NB-IoT比起GPRS来说,最大的特点是低功耗。除了本身NB-IoT的传输速率比较低以外,NB-IoT引入了eDRX省电技术和PSM省电模式,也是省电的主要原因。

 

  在PSM模式下,NB-IoT终端仍旧注册在网,但不接受信令,从而使终端更长时间驻留在深睡眠以达到省电的目的。

 

  另外eDRX省电技术延长终端在空闲模式下的睡眠周期,减少信号接收单元不必要的启动。总的来说,这些措施就是让终端的睡眠时间更多,睡眠质量更好,从而功耗也就更低。


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