NB-IoT: ¿cómo funciona? Parte 1

Los dispositivos en el estándar NB-IoT pueden funcionar hasta 10 años con una batería normal. ¿Por qué? Hemos compilado todas las cosas más importantes sobre esta tecnología. En este artículo, hablaremos sobre sus características en términos de la arquitectura de la red de acceso de radio, y en la segunda parte, sobre los cambios en el núcleo de la red que ocurren durante NB-IoT.



La tecnología NB-IoT ha heredado mucho de LTE, desde la estructura física de la señal de radio hasta la arquitectura. Es imposible enumerar todo en un artículo, así que tratemos de centrarnos en las características principales para las que se creó esta tecnología. Entonces

¿Cuáles son las diferencias entre NB-IoT en términos de arquitectura de red de acceso de radio?

Primero, recuerde lo importante sobre LTE:

Para la señal LTE, se utiliza el principio de separación de canales OFDM con un espaciado de subportadora de 15 kHz. En DL (enlace descendente, dirección desde BS), se utiliza OFDMA, y en UL (enlace ascendente, dirección a BS) se utiliza SC-FDMA. La portadora completa en LTE se divide en bloques de recursos (bloque de recursos, RB), cada uno de los cuales consta de 12 subportadoras y un ancho de banda ocupado total de 12x15 kHz = 180 kHz (Fig. 1). Cada bloque de recursos se divide en 12x7 = 84 elementos de recursos (Elemento de recurso, RE).



Fig.1. Bloque de recursos, elemento de recursos

Para lograr un alto rendimiento de la celda, se aplican las órdenes de alta modulación QAM256 para DL y QAM64 en UL. Además, las tecnologías MIMO2x2 y MIMO4x4 se utilizan para el mismo propósito.

Características de la señal de radio NB-IoT :

Lo más importante en NB-IoT es la capacidad de trabajar a niveles de señal más bajos y a niveles de ruido altos, así como ahorrar batería. NB-IoT también está diseñado para transmitir mensajes cortos y no requiere la transferencia de contenido de audio y video, archivos grandes y otras cosas.

En base a esto, en el nivel físico hay ciertas características que ayudan a proporcionar las características necesarias:

1. el ancho de banda total para NB-IoT está limitado a un RB con un ancho de 180 kHz;
2. la ruta de radio del dispositivo del usuario tiene solo una antena, receptor y transmisor;
3. la transmisión y la recepción están espaciadas en el tiempo, es decir esto es esencialmente el modo half duplex;
4. la capacidad de transmitir en la dirección UL en una subportadora;
5. Los tipos de modulación utilizados están limitados a BPSK y QPSK;
6. repeticiones de la señal transmitida (mejora de la cobertura).

A continuación nos detendremos en algunos de ellos con más detalle.

El uso de una banda de frecuencia estrecha de un RB, una antena y un modo de transmisión semidúplex le permite simplificar el dispositivo y lograr:

• reducir los requisitos de CPU;
• disminución del consumo de energía;
• reducción de personal;
• dispositivos más baratos

El nombramiento de frecuencias de radio:

Para NB-IoT, se pueden usar casi todos los mismos rangos de frecuencia que para 2G / 3G / 4G en la banda "baja". Estos son B20 (800 MHz), B8 (900 MHz), B3 (1800 MHz). No hay ninguna razón para usar frecuencias "más altas" debido a la mayor atenuación de la señal.

Hay tres formas de asignar un recurso de frecuencia para NB-IoT:

1. Independiente.

Canal de frecuencia dedicado de 200 kHz de ancho. Esta opción es la más efectiva para NB-IoT, pero también la más costosa. El hecho es que en este caso, es posible que necesite de 300 a 600 kHz de un espectro muy valioso junto con intervalos de guarda. En este caso, la interferencia mutua con otras tecnologías es mínima (Fig. 2).



Fig. 2. Opciones de colocación para NB-IoT en modo autónomo.

2. En banda

En este caso, los recursos se asignan para el NB-IoT dentro del operador LTE existente, pero el operador NB-IoT tiene una potencia aumentada de 6 dB en comparación con los bloques de recursos LTE. Esta opción es muy adecuada para guardar el recurso de frecuencia, pero existe un problema de influencia mutua con la red LTE (Fig. 3).



Fig. 3. Colocación de NB-IoT en modo dentro de banda.

3. Banda de guardia

En este caso, NB-IoT se inicia en el llamado intervalo de guarda. Por ejemplo, en la banda LTE10 MHz, se utilizan 500 kHz de espectro libre como intervalo de guarda. Al igual que en el modo dentro de banda para un rango más largo, la portadora NB-IoT tiene una potencia aumentada de 6-9 dB en comparación con los bloques de recursos LTE (Fig. 4). Este caso de uso le permite guardar simultáneamente el recurso de frecuencia y reducir la influencia mutua con la red LTE, aunque en este caso las emisiones fuera de banda para LTE se degradan.



Fig. 4. Colocación de NB-IoT en modo de banda de protección.

Capacidad para transmitir en dirección UL en una subportadora:

Si los grupos de recursos que constan de uno o varios RB se asignan al suscriptor en LTE, entonces la unidad mínima en NB-IoT es RE: cortan porciones del recurso de radio al suscriptor. Por lo tanto, el dispositivo pudo transmitir una señal a UL en una subportadora a 15 kHz. Al mismo tiempo, la separación de RB en 48 subportadoras de 3.75 kHz en la dirección UL ya está estandarizada para NB-IoT. La duración de los elementos de recursos en este caso aumenta cuatro veces y, en consecuencia, el intervalo de tiempo de hasta 2 ms, por lo que su capacidad de información no cambia (Fig. 5).



Fig.5. Elemento de recurso

La transmisión de señal en una banda estrecha en una subportadora de 15 kHz, y aún más a 3,75 kHz, puede aumentar significativamente la densidad espectral de la señal y, en consecuencia, la relación señal / ruido, que es muy importante para los dispositivos de suscriptores que tienen transmisores mucho menos potentes que la estación base. Además, en NB-IoT, así como en LTE, la potencia de los dispositivos de suscriptor está limitada a 23dBm (200mW).

Al mismo tiempo, si las condiciones de radio lo permiten, para reducir el tiempo del modo de transmisión activa y, en consecuencia, ahorrar la batería, es posible transmitir en varias subportadoras al mismo tiempo. La transmisión en una subportadora se llama modo de transmisión de un solo tono, y en varias subportadoras se llama multitono (estas son 3, 6 o 12 subportadoras de 15 kHz). La Figura 6 muestra la formación a partir de elementos de recursos de diversas variaciones de una unidad de recursos (Unidad de recursos, RU).



Fig.6. Unidades de recursos (RU).

RU: este es otro ladrillo más grande, a partir del cual se forman los bloques de transporte (Bloque de transporte, TB), asignados al usuario. Una TB puede tener de una a diez RU. Además, dependiendo de la calidad de la señal, cada TB puede contener una cantidad diferente de información útil dependiendo del esquema de codificación de modulación (MCS) utilizado. El tamaño de TB en NB-IoT, por supuesto, es mucho más pequeño que en LTE y es de 680 bits en DL y 1000 bits en UL (Rel.13 3GPP). Además, en este estándar solo hay un proceso HARQ (Solicitud de repetición automática híbrida), por lo que la siguiente TB solo se puede transmitir después de acusar recibo de la TB anterior. En la versión 14 3GPP, los tamaños de los bloques de transporte se incrementan a 2536 bits y Dual-HARQ, lo que le permite transferir dos bloques de transporte en una fila.

Mejora de cobertura:

Otra característica de NB-IoT es la funcionalidad de mejora de cobertura, que se logra mediante retransmisiones sucesivas de la señal transmitida. Este mecanismo no debe confundirse con la retransmisión del paquete tras una recepción fallida; en el caso de la mejora de la cobertura, la decisión sobre el éxito de la señal recibida se produce después de recibir todos los mensajes repetidos (Fig. 7). Todos los canales físicos NPDCCH, NPDSCH, NPRACH y NPUSCH (aquí N es el prefijo de banda estrecha) pueden repetirse.



Fig. 7. Se repite en NB-IoT

El estándar define tres niveles, llamados niveles de cobertura 0, 1 y 2. El número de repeticiones puede variar ampliamente y se establece individualmente para cada tipo de canal físico y su formato. Por ejemplo, el estándar especifica valores para la señal útil en UL hasta 128 y en DL hasta 2048. En realidad, por supuesto, todo dependerá de la configuración de red optimizada para el modo operativo (independiente, en banda / banda de protección), calidad de señal y Otras condiciones. Las repeticiones le permiten decodificar una señal a un nivel mucho más bajo de relación señal / ruido teóricamente hasta 10dB e inferior.

Todo lo anterior, el uso de una banda más estrecha y la función de mejora de la cobertura, le permite en última instancia alcanzar la notoria ganancia de 20dB en relación con GSM.

Baudios en NB-IoT

En general, el principio de IoT en sí, como se mencionó anteriormente, no implica un intercambio significativo de información con los dispositivos y, en consecuencia, estos valores son muy arbitrarios. En primer lugar, se logran solo con buena calidad de señal. En segundo lugar, el intercambio de señal, incluida la designación del reconocimiento DCI kagala y ACK, no está adaptado, como en LTE, para obtener velocidades máximas. En tercer lugar, si el dispositivo transmite solo uno o dos mensajes cortos, en este caso no está del todo claro qué se entiende por velocidad de transmisión. Pero no se puede decir sobre velocidades aquí. Por ejemplo, la Fig. 8 muestra la velocidad calculada en DL para el usuario.



Fig.8. Velocidad de bits en DL.

De la figura se puede ver que en NB-IoT, a diferencia de LTE, el dispositivo del usuario no puede ocupar todo el recurso de radio disponible. Y el resto del recurso de radio que BS puede usar para comunicarse con otros dispositivos. Una situación similar en UL (Fig. 9).



Fig.9. Velocidad de transmisión UL.

Por lo tanto, el uso de Dual-HARQ y el mayor tamaño de los bloques de transporte de hasta 2536 bits (versión 14 de 3GPP) permiten aumentar la velocidad de transmisión en DL y UL por encima de 100 kbit / s.
Eso es todo, si hablamos de las características principales desde el punto de vista de la arquitectura del acceso por radio, sin irnos lejos. Espero que haya sido útil. Pronto, en la próxima publicación, le diremos cómo ha cambiado el núcleo de la red (Core Network) con NB-IoT. Se agradecería cualquier comentario.

Publicado por
Experto del Departamento de Arquitectura de Redes de Acceso por Radio MTS Ilnur Fauziev ilnurf