NB-IoT: comment ça marche? Partie 1

Les appareils de la norme NB-IoT peuvent fonctionner jusqu'à 10 ans sur une seule batterie ordinaire. À cause de quoi? Nous avons compilé toutes les choses les plus importantes sur cette technologie. Dans cet article, nous parlerons de ses fonctionnalités du point de vue de l'architecture du réseau d'accès radio, et dans la deuxième partie, des changements dans le cœur du réseau qui se produisent lors de NB-IoT.



La technologie NB-IoT a beaucoup hérité du LTE - de la structure physique du signal radio à l'architecture. Il est impossible de tout répertorier dans un seul article, alors essayons de nous concentrer sur les principales fonctionnalités pour lesquelles cette technologie a été créée. Donc:

Quelles sont les différences entre NB-IoT en termes d'architecture de réseau d'accès radio?

Tout d'abord, rappelez-vous la chose importante à propos du LTE:

Pour le signal LTE, le principe de séparation des canaux OFDM avec un espacement de sous-porteuse de 15 kHz est utilisé. En DL (liaison descendante, direction BS), OFDMA est utilisé et en UL (liaison montante, direction BS) SC-FDMA est utilisé. La porteuse entière dans LTE est divisée en blocs de ressources (bloc de ressources, RB), chacun comprenant 12 sous-porteuses et une largeur de bande occupée totale de 12x15 kHz = 180 kHz (Fig. 1). Chaque bloc de ressources est divisé en 12x7 = 84 éléments de ressources (élément de ressource, RE).



Fig.1. Bloc de ressources, élément de ressource

Pour atteindre un débit cellulaire élevé, des ordres de modulation élevés QAM256 pour DL et QAM64 en UL sont appliqués. De plus, les technologies MIMO2x2 et MIMO4x4 sont utilisées dans le même but.

Caractéristiques du signal radio NB-IoT :

La chose la plus importante dans NB-IoT est la capacité de travailler à des niveaux de signal inférieurs et à des niveaux de bruit élevés, ainsi que d'économiser la batterie. NB-IoT est également conçu pour transmettre des messages courts, et il ne nécessite pas le transfert de contenu audio-vidéo, de gros fichiers et d'autres choses.

Sur cette base, au niveau physique, il existe certaines fonctionnalités qui aident à fournir les caractéristiques nécessaires:

1. la bande passante totale pour NB-IoT est limitée à un RB avec une largeur de 180 kHz;
2. le trajet radioélectrique de l'appareil utilisateur ne comporte qu'une seule antenne, un seul récepteur et un seul émetteur;
3. la transmission et la réception sont espacées dans le temps, c'est-à-dire il s'agit essentiellement du mode semi-duplex;
4. la capacité de transmettre dans le sens UL sur une sous-porteuse;
5. Les types de modulation utilisés sont limités à BPSK et QPSK;
6. répétitions du signal transmis (amélioration de la couverture).

Ci-dessous, nous nous attarderons sur certains d'entre eux plus en détail.

L'utilisation d'une bande de fréquences étroite d'un RB, d'une antenne et d'un mode de transmission semi-duplex vous permet de simplifier l'appareil et d'atteindre:

• réduire les exigences du processeur;
• diminution de la consommation d'énergie;
• réduction des effectifs;
• appareils moins chers.

La nomination des radiofréquences:

Pour NB-IoT, presque toutes les mêmes gammes de fréquences peuvent être utilisées que pour 2G / 3G / 4G dans la bande "basse". Ce sont B20 (800 MHz), B8 (900 MHz), B3 (1800 MHz). Il n'y a aucune raison d'utiliser des fréquences plus «élevées» en raison de la plus grande atténuation du signal.

Il existe trois façons d'allouer une ressource de fréquence pour NB-IoT:

1. Autonome.

Canal de fréquence dédié de 200 kHz de large. Cette option est la plus efficace pour NB-IoT, mais aussi la plus chère. Le fait est que dans ce cas, vous pouvez avoir besoin de 300 à 600 kHz d'un spectre très précieux avec des intervalles de garde. Dans ce cas, l'interférence mutuelle avec d'autres technologies est minime (Fig. 2).



Fig. 2. Options de placement pour NB-IoT en mode autonome.

2. Intrabande

Dans ce cas, les ressources sont allouées pour le NB-IoT au sein de la porteuse LTE existante, mais la porteuse NB-IoT a une puissance accrue de 6 dB par rapport aux blocs de ressources LTE. Cette option est bien adaptée pour économiser la ressource en fréquence, mais il y a un problème d'influence mutuelle avec le réseau LTE (Fig. 3).



Fig. 3. Placement de NB-IoT en mode intrabande.

3. Bande de garde

Dans ce cas, NB-IoT est démarré dans le soi-disant intervalle de garde. Par exemple, dans la bande LTE10 MHz, 500 kHz de spectre libre utilisé comme intervalle de garde. Comme dans le mode intrabande pour une plus longue portée, la porteuse NB-IoT a une puissance accrue de 6 à 9 dB par rapport aux blocs de ressources LTE (figure 4). Ce cas d'utilisation vous permet d'économiser simultanément la ressource de fréquence et de réduire l'influence mutuelle avec le réseau LTE, bien que dans ce cas les émissions hors bande du LTE soient dégradées.



Fig. 4. Placement de NB-IoT en mode bande de garde.

Possibilité de transmettre en direction UL sur une sous-porteuse:

Si des blocs de groupes de ressources composés d'un ou de plusieurs RB sont alloués à l'abonné dans LTE, alors dans NB-IoT l'unité minimale est RE - ils coupent des parties de la ressource radio à l'abonné. Par conséquent, il est devenu possible pour l'appareil de transmettre un signal à UL sur une sous-porteuse à 15 kHz. Dans le même temps, la séparation de RB en 48 sous-porteuses de 3,75 kHz dans le sens UL est déjà normalisée pour NB-IoT. La durée des éléments de ressource dans ce cas augmente quatre fois, et par conséquent l'intervalle de temps jusqu'à 2 ms, de sorte que leur capacité d'information ne change pas (Fig. 5).



Fig.5. Élément de ressource.

La transmission du signal dans une bande étroite sur une sous-porteuse de 15 kHz, et plus encore à 3,75 kHz, peut augmenter considérablement la densité spectrale du signal, et donc le rapport signal / bruit, ce qui est très important pour les appareils d'abonnés qui ont des émetteurs beaucoup moins puissants que la station de base. De plus, dans NB-IoT, ainsi que dans LTE, la puissance des appareils d'abonné est limitée à 23 dBm (200 mW).

Dans le même temps, si les conditions radio le permettent, pour réduire la durée du mode de transmission actif, et donc économiser la batterie, il est possible de transmettre simultanément sur plusieurs sous-porteuses. La transmission sur une sous-porteuse est appelée mode de transmission à une seule tonalité, et sur plusieurs sous-porteuses, elle est appelée multitons (ce sont 3, 6 ou 12 sous-porteuses de 15 kHz). La figure 6 montre la formation à partir des éléments de ressource de diverses variations d'une unité de ressource (unité de ressource, EF).



Fig.6. Unités de ressources (EF).

RU - c'est une autre brique plus grande, à partir de laquelle les blocs de transport (bloc de transport, TB) sont formés, attribués à l'utilisateur. Un To peut avoir de un à dix RU. De plus, selon la qualité du signal, chaque To peut contenir une quantité différente d'informations utiles selon le schéma de codage de modulation (MCS) utilisé. La taille TB dans NB-IoT, bien sûr, est beaucoup plus petite que dans LTE et est de 680 bits en DL et de 1000 bits en UL (Rel.13 3GPP). De plus, dans cette norme, il n'y a qu'un seul processus HARQ (demande de répétition automatique hybride), de sorte que le TB suivant ne peut être transmis qu'après accusé de réception du TB précédent. Dans la version 14 3GPP, la taille des blocs de transport est augmentée à 2536 bits et Dual-HARQ, ce qui vous permet de transférer deux blocs de transport d'affilée.

Amélioration de la couverture:

Une autre caractéristique de NB-IoT est la fonctionnalité d'amélioration de la couverture, qui est obtenue par des retransmissions successives du signal transmis. Ce mécanisme ne doit pas être confondu avec la retransmission du paquet en cas d'échec de la réception; dans le cas d'une amélioration de la couverture, la décision sur le succès du signal reçu se produit après la réception de tous les messages répétés (Fig.7). Tous les canaux physiques NPDCCH, NPDSCH, NPRACH et NPUSCH (ici, N est le préfixe à bande étroite) peuvent être répétés.



Fig. 7. Répétitions dans NB-IoT

La norme définit trois niveaux, appelés niveaux de couverture 0, 1 et 2. Le nombre de répétitions peut varier considérablement et est défini individuellement pour chaque type de canal physique et son format. Par exemple, la norme spécifie les valeurs du signal utile en UL jusqu'à 128 et en DL jusqu'à 2048. En réalité, tout dépendra bien sûr des paramètres réseau optimisés pour le mode de fonctionnement (autonome, en bande / bande de garde), de la qualité du signal et autres conditions. Les répétitions vous permettent de décoder un signal à un niveau beaucoup plus bas de rapport signal / bruit théoriquement jusqu'à 10 dB et moins.

Tout ce qui précède - l'utilisation d'une bande plus étroite et la fonction d'amélioration de la couverture - vous permet finalement d'atteindre le gain notoire de 20 dB par rapport au GSM.

Débit en bauds dans NB-IoT

En général, le principe IoT lui-même, comme mentionné ci-dessus, n'implique pas un échange significatif d'informations avec les appareils, et en conséquence, ces valeurs sont très arbitraires. Premièrement, ils ne sont atteints qu'avec une bonne qualité de signal. Deuxièmement, l'échange de signaux, y compris la nomination de l'accusé de réception DCI kagala et ACK, n'est pas adapté, comme dans LTE, pour obtenir des vitesses maximales. Troisièmement, si l'appareil ne transmet qu'un ou deux messages courts, dans ce cas, il n'est pas entièrement clair ce que l'on entend par le taux de transmission. Mais vous ne pouvez pas parler des vitesses ici. Par exemple, la figure 8 montre la vitesse calculée en DL pour l'utilisateur.



Fig.8. Débit binaire en DL.

On peut voir sur la figure que dans NB-IoT, contrairement au LTE, l'appareil utilisateur ne peut pas occuper la totalité de la ressource radio disponible. Et le reste de la ressource radio que BS peut utiliser pour communiquer avec d'autres appareils. Une situation similaire dans UL (Fig. 9).



Fig.9. Vitesse de transmission UL.

Ainsi, l'utilisation de Dual-HARQ et l'augmentation de la taille des blocs de transport eux-mêmes jusqu'à 2536 bits (version 14 3GPP), vous permettent d'augmenter la vitesse de transmission en DL et UL au-dessus de 100 kbit / s.
C'est tout - si nous parlons des principales caractéristiques du point de vue de l'architecture de l'accès radio, sans aller trop loin. J'espère que cela a été utile. Bientôt - dans le prochain article - nous vous expliquerons comment le cœur du réseau (Core Network) a changé avec NB-IoT. Des commentaires seraient appréciés.

Publié par
Expert du département d'architecture du réseau d'accès radio MTS Ilnur Fauziev ilnurf