鲜枣课堂-NBIOT窄带物联网技术介绍

低成本 低功耗
未来的网络一定是多种网络共存
NB-IoT有什么特点 ？
NB-IoT的特点-物理层结构 上行
下行
频域
多址技术：SC-FDMA 支持2种子载波间隔：
· 3.75KHz（功率谱更大，覆盖更好，PRACH） · 15KHz（速率高，时延小，PUSCH） 支持2种模式： · Single Tone（低速应用，适用15KHz和3.75KHz） · Multi one（高速应用，只适用15KHz）
度
LTE
NB-IoT
制式
LTE NB-IoT
功率 （mW）
200
200
使用带宽 （KHz）
180
15
功率谱密度=功率/带宽 （mW/KHz）
1.11 约12倍
13.33
增益：10*Log(12)=10.79dB
NB-IoT的特点-重传
重传：通过重复发送的编码方式，提升信道条件差时的传输可靠性
D1 D2 D1 D1 D1 D1 D2 D2 D2 D2
MTC-IWF
Tsp
T5c
T5b T5a
GGSN/ P-GW
Gi/SGi Gi/SGi
Services Capability
Server (SCS )
Application 1
Server (AS )
Application 2
Server (AS )
MSC
MME
SGSN
S-GW
Indirect Model 1 Direct Model 2 Hybrid Model 1 + 2
为什么需要 NB-IoT ？
物联网的应用
行业 交通运输 环境保护 公共设施
医疗 制造业 商业金融
家庭
应用场景举例 智能停车、道路收费、车队管理、物流管理、货物跟踪、自动导航
环境监测、动物监测、野生动物跟踪、有害废物跟踪 智能抄表、智能电/水/气网、井盖监控、智能路灯、监控摄像头
医疗设备跟踪、远程医疗诊断、远程监护 工业自动化、流程监控、供应链监控、货品管理 自动售卖机、POS机、ATM、电子标牌、广告灯箱 智能家居、可穿戴、宠物跟踪、儿童/老人监护跟踪、安防监控、智能影音
多址技术：OFDMA 子载波带宽/数量：15KHz/12
时域
1Signal=1个符号( Symbol) 7个符号(Symbol)=1个时隙(Slot) 2个时隙(Slot)=1个子帧(SF) 10个子帧(SF)=1个无线帧(RF) 1024个无线帧=1个系统帧 1024个系统帧=1个超帧 1个时隙(Slot)=0.5ms 1个超帧=(1024*1024*10)ms=10485.76s=2.91h
报告发起者
NB-IOT
2016.6 冻结
NB IoT标准已经冻结，中国目前已经处于规模商用阶段
NB-IoT标准的演进
5G
高性能 移动性
5G Up to 10Gbps DL LTE Cat.11/12 600Mbps DL LTE Cat.9/10 60MHz BW; 450Mbps DL LTE Cat.6 40MHz BW; 300Mbps DL LTE Cat.4 20MHz BW; 150Mbps DL LTE Cat.3 20MHz BW; 100Mbps DL
160000
140000
120000
100000
80000
60000
40000
20000
13000
1500
0
2015年
全球
70000 10000
2020年
190000
35000 2025年
市场规模： 2025年全球物联网市场规模达到19万亿美元 中国物联网市场规模达到3.5万亿美元
物联网无线技术的定位
备注
国际标准 国际标准 私有技术 私有技术
当前趋势下，NB-IoT和eMTC的优势愈加明显
NB-IoT标准的制定
3GPP R13
提出NB OFDMA
2014.7
联合提出NB M2M 2014.5
融合入 NB CIOT 2015.5
提出NB LTE 2015.7
融合入 NB-IOT 工作组
2015.9
与LTE相同 子载波带宽/数量：15KHz/12
NB-IoT的特点
$$
广覆盖
低功耗
大连接
低成本
20dB 增益
10年 电池寿命
窄带功率谱密度提升 重传次数：16次 编码增益
简化协议 , 芯片功耗低 功放效率高 发射/接收时间短
50K 连接数每小区
频谱效率高 小包数据发送特征 终端极低激活比
3GPP定义的物联网架构
IP-SM-GW
SMS -SC/ GMSC/
IWMSC
Tsms
SME
Control plane User plane
HPLMN VPLMN
MTC UE
Application UE
RAN
Um / Uu / LTE-Uu
CDF/ CGF
Rf /Ga
T4
HSS
S6n S6m
MTC AAA
窄带技术：上行等效功率提升，大幅提升信道容量。 空中接口：减少信令开销，提升频谱效率。 基站和核心网技术优化。
NB-IoT的特点-低成本
低成本：芯片结构简化。
180kHz窄带系统，基带复杂度低 。 低采样率，缓存Flash/RAM要求小（28 kByte） 。 单天线，半双工，RF成本低。 协议栈简化（500kByte），减少片内FLASH/RAM 。
空闲状态Idle Stat
没有PSM
传输数据
寻呼
有PSM
传输数据
PSM状态
时间 Wake UP
寻呼
时间
NB-IoT的特点-低功耗
eDRX（Extended DRX）：每个eDRX周期只在寻呼时间窗口（PTW）内监听寻呼信道，其它 时间深度休眠，可在下行业务时延和功耗之间取得平衡。
减少终端监听网络的频度。
速率
100Mbps
WiFi
100kbps
Bluetooth ZigBee
4G , 5G （高成本）
3G 2G
LPWA：
NB-IoT，eMTC LoRa，Sigfox
100bps 1m
100m
10km
覆盖
物联网无线技术的对比
LPWA技术标准对比：
名称
NB-IoT Narrow Band Internet of Things
5G Massive Machine NB-IOT 200kHz BW; 250kbps DL LTE Cat.M 1.4MHz BW; 1Mbps DL LTE Cat.1 20MHz BW; 10Mbps DL
无人驾驶 车载娱乐 视频监控
LTE
智能抄表 资产监控 环境监测
5$ 模组成本
简化射频硬件 简化协议降低成本 减小基带复杂度
NB-IoT的特点-功率谱密度
提升功率谱密度：通过重新定义上下行物理信道的格式、调整规范，使得上下行控制信息和业务 信息可以在相对LTE更窄的带宽中发送，提高增益。
UE
发
射
200mW/15kHz
功
率
谱
密
200mW/180kHz
NB-IoT
1RX
BB 1TX RF
PA
PMU
FLASH RAM
SOC
NB-IoT的部署方式
stand alone operation 独立部署
guard band operation 保护带部署
in-band operation 带内部署
NB-IoT
>100K 保护带200K
LTE 5M带宽
DRX eDRX
DRX周期：2.56s
寻呼
eDRX周期：可达2.92h PTW
时间
寻呼
时间
NB-IoT的特点-低功耗
长周期TAR/RAU：降低周期TAU次数，从而降低功耗。
长周期可达310小时。
正常周期TAU
长周期TAU
NB-IoT的特点-大连接
支持海量接入设计：100K用户容量(每200KHz小区） 。
基于蜂窝的窄带物联网
eMTC enhanced Machine-Type Communication
增强型机器类型通信
LoRa Long Range（长距离）的缩写
Sigfox 发明这标准的一家法国公司同名
特点
低成本、电信级、高可靠性、高安全性 高速率、电信级、高可靠性、高安全性
目前国内无频谱 独立建网、非授权频谱
你好，NB-IoT
——NB-IoT窄带物联网技术总体介绍
鲜枣课堂 出品
目录
Contents
一、NB-IoT的概念 二、NB-IoT的发展背景 三、NB-IoT的特点 四、NB-IoT的架构
什么是NB-IoT？
NB-IoT的概念
NB-IoT （Narrow Band Internet of Things，窄带物联网） NB-IoT 是一种3GPP标准定义的LPWA（Low Power Wide Area，低功耗广域网）解决方案，支持低功 耗设备在广域网的蜂窝数据连接，是物联网领域一项新兴技术 。 简单来说，NB-IoT是一个根据物联网连接特性进行修改优化的“改造版”LTE网络。
9~12dB
覆盖增益 （dB）
25 20 15 10 5
1 12 24
60
100
重复次数
200
NB-IoT的特点-低功耗
PSM（Power Saving Mode）：终端非业务期间深度休眠，关闭射频接收，不接收下行数据。
适合对下行业务时延无要求的场景。 唤醒方式：TAU定时器超时唤醒；终端主动发数据时唤醒。 终端99%的时间处于PSM状态。 PSM状态最长可以达到310小时。
3GPP定义的NB-IoT架构
VPLMN
CIoT UE
CIoT Uu
E-UTRAN
S1
C - SGN
SGd
S6a
T6ai IWKSCEF
S8
HPLMN
SMS-GMSC/ IWMSC/
SMS Router
HSS
T7
SCEF
P - GW
SGi
CIoT Services
谢谢
Cat-4
BB
2RX 1TX
RF
MMMB PA
PMU
FLASH RAM
Cat-0
1RX
BB 1TX
RF
MB PA
PMU
FLASH RAM
BB: 基带 RX/TX： 接收/发送 RF： 射频 MMMB: 多模多频段 MB: 多频段 PMU : 电源管理单元 PA: 功率放大器 SOC: System on Chip
vIMS
人联网 物联网
环境监控
车联网
LTE-M
车联网终端
NB-IoT
IoT终端
NB-IoT 终端
2/3/4G
SGSN/MME
M-GGSN/PGW
智能家居
NB-IoT eNodeB
NB-IoT 基站
SGW
HSS&MME&SGW
vC-SGN NB-IoT 分组核心网
IoT连接管理平台
可穿戴设备
行业应用服务器
适合用于重耕GSM频段
NB-IoT
100K 保护带200K
500K
LTE 10M带宽
利用LTE边缘保护频带中未使 用的180KHz带宽的资源块
Βιβλιοθήκη Baidu
NB-IoT
LTE
利用LTE载波中间的任何资源块
NB-IoT的架构是什么样的 ？
物联网的整体架构
普通用户
HLR/HSS
GGSN/PGW
PCRF/SPR
物联网行业拥有广阔的应用场景
物联网的发展
单位: 亿个
600
500
物的连接数
人的连接数
500
400
300
200
100
29
0
中国
170 全球
100
中国
全球
2015年
2020年
连接数： 2020年全球连接数达到500亿 “物连接数”达到“人连接数”的4倍
单位: 亿人民币
中国
200000
180000