NB-IoT: Wie funktioniert es? Teil 1

Geräte im NB-IoT-Standard können mit einer normalen Batterie bis zu 10 Jahre lang betrieben werden. Aufgrund was? Wir haben alle wichtigen Dinge zu dieser Technologie zusammengestellt. In diesem Artikel werden wir über seine Funktionen in Bezug auf die Architektur des Funkzugangsnetzwerks und im zweiten Teil über die Änderungen im Netzwerkkern sprechen, die während des NB-IoT auftreten.



Die NB-IoT-Technologie hat viel von LTE geerbt - von der physischen Struktur des Funksignals bis zur Architektur. Es ist unmöglich, alles in einem Artikel aufzulisten. Versuchen wir also, uns auf die Hauptfunktionen zu konzentrieren, für die diese Technologie entwickelt wurde. Also:

Was sind die Unterschiede zwischen NB-IoT in Bezug auf die Architektur des Funkzugangsnetzwerks?

Denken Sie zunächst an das Wichtige an LTE:

Für das LTE-Signal wird das OFDM-Kanaltrennungsprinzip mit einem Unterträgerabstand von 15 kHz verwendet. In DL (Downlink, Richtung von BS) wird OFDMA verwendet, und in UL (Uplink, Richtung zu BS) wird SC-FDMA verwendet. Der gesamte Träger in LTE ist in Ressourcenblöcke (Resource Block, RB) unterteilt, die jeweils aus 12 Unterträgern und einer insgesamt belegten Bandbreite von 12 x 15 kHz = 180 kHz bestehen (Abb. 1). Jeder Ressourcenblock ist in 12x7 = 84 Ressourcenelemente (Ressourcenelement, RE) unterteilt.



Abb. 1. Ressourcenblock, Ressourcenelement

Um einen hohen Zellendurchsatz zu erzielen, werden hohe Modulationsordnungen QAM256 für DL und QAM64 in UL angewendet. Darüber hinaus werden die Technologien MIMO2x2 und MIMO4x4 für denselben Zweck verwendet.

Merkmale des NB-IoT-Funksignals :

Das Wichtigste bei NB-IoT ist die Fähigkeit, bei niedrigeren Signalpegeln und hohen Rauschpegeln zu arbeiten und Batterie zu sparen. NB-IoT wurde auch für die Übertragung von Kurznachrichten entwickelt und erfordert keine Übertragung von Audio-Video-Inhalten, großen Dateien und anderen Dingen.

Auf dieser Grundlage gibt es auf der physischen Ebene bestimmte Merkmale, die dazu beitragen, die erforderlichen Eigenschaften bereitzustellen:

1. Die Gesamtbandbreite für NB-IoT ist auf einen RB mit einer Breite von 180 kHz begrenzt.
2. Der Funkweg des Benutzergeräts hat nur eine Antenne, einen Empfänger und einen Sender.
3. Senden und Empfangen sind zeitlich beabstandet, d.h. Dies ist im Wesentlichen ein Halbduplexmodus.
4. die Fähigkeit, auf einem Unterträger in UL-Richtung zu senden;
5. Die verwendeten Modulationstypen sind auf BPSK und QPSK beschränkt.
6. Wiederholungen des übertragenen Signals (Coverage Enhancement).

Im Folgenden werden wir auf einige von ihnen näher eingehen.

Mit einem schmalen Frequenzband von einem RB, einer Antenne und einem Halbduplex-Übertragungsmodus können Sie das Gerät vereinfachen und Folgendes erreichen:

• CPU-Anforderungen reduzieren;
• Verringerung des Energieverbrauchs;
• Downsizing;
• billigere Geräte.

Die Ernennung von Funkfrequenzen:

Für NB-IoT können fast alle gleichen Frequenzbereiche wie für 2G / 3G / 4G im "niedrigen" Band verwendet werden. Dies sind B20 (800 MHz), B8 (900 MHz), B3 (1800 MHz). Aufgrund der höheren Signaldämpfung gibt es keinen Grund, höhere „höhere“ Frequenzen zu verwenden.

Es gibt drei Möglichkeiten, eine Frequenzressource für NB-IoT zuzuweisen:

1. Eigenständig.

Spezieller Frequenzkanal mit einer Breite von 200 kHz. Diese Option ist für NB-IoT am effektivsten, aber auch am teuersten. Tatsache ist, dass Sie in diesem Fall möglicherweise 300 bis 600 kHz eines sehr wertvollen Spektrums zusammen mit Schutzintervallen benötigen. In diesem Fall ist die gegenseitige Beeinflussung anderer Technologien minimal (Abb. 2).



Abb. 2. Platzierungsoptionen für NB-IoT im Standalone-Modus.

2. In-Band

In diesem Fall werden Ressourcen für das NB-IoT innerhalb des vorhandenen LTE-Trägers zugewiesen, aber der NB-IoT-Träger hat eine erhöhte Leistung von 6 dB im Vergleich zu LTE-Ressourcenblöcken. Diese Option eignet sich gut zum Speichern der Frequenzressource, es besteht jedoch das Problem der gegenseitigen Beeinflussung des LTE-Netzwerks (Abb. 3).



Abb. 3. Platzierung von NB-IoT im In-Band-Modus.

3. Schutzband

In diesem Fall wird NB-IoT im sogenannten Guard-Intervall gestartet. Beispielsweise werden im LTE10-MHz-Band 500 kHz freies Spektrum als Schutzintervall verwendet. Wie im In-Band-Modus für eine größere Reichweite hat der NB-IoT-Träger eine erhöhte Leistung von 6 bis 9 dB im Vergleich zu LTE-Ressourcenblöcken (Abb. 4). Mit diesem Anwendungsfall können Sie gleichzeitig die Frequenzressource speichern und die gegenseitige Beeinflussung mit dem LTE-Netz verringern, obwohl in diesem Fall die Außerbandemissionen für LTE beeinträchtigt werden.



Abb. 4. Platzierung von NB-IoT im Schutzbandmodus.

Übertragungsfähigkeit in UL-Richtung auf einem Unterträger:

Wenn Blöcke von Ressourcengruppen, die aus einem oder mehreren RBs bestehen, dem Teilnehmer in LTE zugewiesen werden, ist in NB-IoT die Mindesteinheit RE - sie schneiden Teile der Funkressource an den Teilnehmer ab. Daher wurde es dem Gerät möglich, ein Signal an UL auf einem Unterträger mit 15 kHz zu übertragen. Gleichzeitig ist die Trennung von RB in 48 Unterträger von 3,75 kHz in UL-Richtung für NB-IoT bereits standardisiert. Die Dauer der Ressourcenelemente erhöht sich in diesem Fall um das Vierfache und dementsprechend der Zeitschlitz um bis zu 2 ms, sodass sich ihre Informationskapazität nicht ändert (Abb. 5).



Abb. 5. Ressourcenelement.

Die Signalübertragung in einem schmalen Band auf einem Unterträger von 15 kHz und insbesondere bei 3,75 kHz kann die spektrale Dichte des Signals und dementsprechend das Signal-Rausch-Verhältnis erheblich erhöhen, was für Teilnehmergeräte mit viel weniger leistungsstarken Sendern als die Basisstation sehr wichtig ist. Darüber hinaus ist sowohl in NB-IoT als auch in LTE die Leistung von Teilnehmergeräten auf 23 dBm (200 mW) begrenzt.

Wenn es die Funkbedingungen erlauben, die Zeit des aktiven Übertragungsmodus zu verkürzen und dementsprechend die Batterie zu schonen, ist es gleichzeitig möglich, auf mehreren Unterträgern gleichzeitig zu senden. Die Übertragung auf einem Unterträger wird als Einzeltonübertragungsmodus bezeichnet, und auf mehreren Unterträgern wird sie als Mehrtonübertragungsmodus bezeichnet (dies sind 3, 6 oder 12 Unterträger mit 15 kHz). Abbildung 6 zeigt die Bildung verschiedener Variationen einer Ressourceneinheit (Ressourceneinheit, RU) aus Ressourcenelementen.



Abb. 6. Ressourceneinheiten (RU).

RU - Dies ist ein weiterer größerer Baustein, aus dem die dem Benutzer zugewiesenen Transportblöcke (Transportblock, TB) gebildet werden. Eine TB kann ein bis zehn RU haben. Darüber hinaus kann abhängig von der Qualität des Signals jede TB abhängig vom verwendeten Modulationscodierungsschema (MCS) eine unterschiedliche Menge nützlicher Informationen enthalten. Die TB-Größe in NB-IoT ist natürlich viel kleiner als in LTE und beträgt 680 Bit in DL und 1000 Bit in UL (Rel.13 3GPP). Auch in diesem Standard gibt es nur einen HARQ-Prozess (Hybrid Automatic Repeat Request), sodass die nächste TB nur übertragen werden kann, nachdem der Empfang der vorherigen TB bestätigt wurde. In Release 14 3GPP werden die Transportblockgrößen auf 2536 Bit und Dual-HARQ erhöht, sodass Sie zwei Transportblöcke hintereinander übertragen können.

Deckungsverbesserung:

Ein weiteres Merkmal von NB-IoT ist die Funktion zur Verbesserung der Abdeckung, die durch aufeinanderfolgende Neuübertragungen des übertragenen Signals erreicht wird. Dieser Mechanismus sollte nicht mit der erneuten Übertragung des Pakets bei erfolglosem Empfang verwechselt werden. Im Falle einer Verbesserung der Abdeckung erfolgt die Entscheidung über den Erfolg des empfangenen Signals nach dem Empfang aller wiederholten Nachrichten (Fig. 7). Alle physikalischen Kanäle NPDCCH, NPDSCH, NPRACH und NPUSCH (hier ist N das Schmalbandpräfix) können wiederholt werden.



Abb. 7. Wiederholungen in NB-IoT

Der Standard definiert drei Ebenen, die als Abdeckungsstufen 0, 1 und 2 bezeichnet werden. Die Anzahl der Wiederholungen kann stark variieren und wird für jeden physischen Kanaltyp und sein Format individuell festgelegt. Zum Beispiel spezifiziert der Standard Werte für das Nutzsignal in UL bis 128 und in DL bis 2048. In der Realität hängt natürlich alles von den Netzwerkeinstellungen ab, die für den Betriebsmodus (Standalone, In-Band / Guard-Band), die Signalqualität und optimiert sind andere Bedingungen. Mit Wiederholungen können Sie ein Signal mit einem viel niedrigeren Signal-Rausch-Verhältnis theoretisch bis zu 10 dB und weniger dekodieren.

All dies - die Verwendung eines schmaleren Bandes und die Funktion zur Verbesserung der Abdeckung - ermöglicht es Ihnen, letztendlich den berüchtigten Gewinn von 20 dB in Bezug auf GSM zu erzielen.

Baudraten in NB-IoT

Im Allgemeinen impliziert das IoT-Prinzip selbst, wie oben erwähnt, keinen signifikanten Informationsaustausch mit Geräten, und dementsprechend sind diese Werte sehr willkürlich. Erstens werden sie nur mit guter Signalqualität erreicht. Zweitens ist der Signalaustausch, einschließlich der Ernennung der DCI-Kagala- und ACK-Bestätigung, nicht wie bei LTE angepasst, um maximale Geschwindigkeiten zu erhalten. Drittens, wenn das Gerät nur eine oder zwei Kurznachrichten sendet, ist in diesem Fall nicht ganz klar, was mit der Übertragungsrate gemeint ist. Über die Geschwindigkeit kann man hier jedoch nichts sagen. Zum Beispiel zeigt Fig. 8 die berechnete Geschwindigkeit in DL für den Benutzer.



Abb. 8. Bitrate in DL.

Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass das Benutzergerät in NB-IoT im Gegensatz zu LTE nicht die gesamte verfügbare Funkressource belegen kann. Der Rest der Funkressource BS kann zur Kommunikation mit anderen Geräten verwendet werden. Eine ähnliche Situation in UL (Abb. 9).



Abb. 9. UL-Baudrate.

Durch die Verwendung von Dual-HARQ und die Vergrößerung der Transportblöcke selbst auf bis zu 2536 Bit (Release 14 3GPP) können Sie die Übertragungsgeschwindigkeit in DL und UL über 100 kbit / s erhöhen.
Das ist alles - wenn wir über die Hauptmerkmale aus Sicht der Architektur des Funkzugangs sprechen, ohne weit zur Seite zu gehen. Hoffe es war hilfreich. In Kürze - im nächsten Beitrag - werden wir Ihnen mitteilen, wie sich der Kern des Netzwerks (Core Network) mit NB-IoT verändert hat. Feedback wäre dankbar.

Gepostet von
Experte der Architekturabteilung des MTS-Funkzugangsnetzes Ilnur Fauziev ilnurf