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NB-IOT详解
 
作者: 黎翔
39 次浏览     评价:  
 2020-3-26
 
编辑推荐:
文章讲述NB-IoT信令流程基于LTE设计,物联网构架,核心网,5G网络部署架构,NB-IoT技术详解希望对您有所帮助
本文来自于csdn,由火龙果软件Delores编辑推荐

NB-IoT一路走来

从2G到4G,移动通信网络不断更新换代…

2G:GSM

2G:GPRS/EDGE

3G:UMTS/HSPA

4G:LTE

到了4G时代,移动通信网络的发展出现了分支。

一边是大流量,一边是小数据。一边是移动宽带,一边是物联网时代。

从2G到4G,移动通信网络都只是为了连接“人”而生。但随着万物互联时代的到来,移动通信网络需面向连接“物”而演进。

为此,3GPP在Release 13制定了NB-IoT标准来应对现阶段的物联网需求,在终端支持上也多了一个与NB-IoT对应的终端等级——cat-NB1。

3GPP在Release 13定义了三种蜂窝物联网标准:EC-GSM、eMTC(LTE-M,对应Cat-M1)和NB-IoT(Cat-NB1)。

GSM是最早的广域M2M无线连接技术,EC-GSM增强了其功能和竞争力。

●UMTS没有衍生出低功耗物联网“变体”。

●LTE-M (Cat-M1)基于LTE技术演进,属于LTE的子集。

●NB-IoT (Cat-NB1)尽管和LTE紧密相关,且可集成于现有的LTE系统之上,但认为是独立的新空口技术。

初识NB-IoT

3GPP是怎样设计NB-IoT的呢?

NB-IoT,甚至说目前低功耗广域网(LPWAN),其设计原则都是基于“妥协”的态度。

首先,比较传统2/3/4G网络,一些物联网主要有三大特点:

① 懒

终端都很懒,大部分时间在睡觉,每天传送的数据量极低,且允许一定的传输延迟(比如,智能水表)。

② 静止

并不是所有的终端都需要移动性,大量的物联网终端长期处于静止状态。

③ 上行为主

与“人”的连接不同,物联网的流量模型不再是以下行为主,可能是以上行为主。

这三大特点支撑了低速率和传输延迟上的技术“妥协”,从而实现覆盖增强、低功耗、低成本的蜂窝物联网。

为了应对日渐强烈的物联网需求,于是国际移动通信标准化组织3GPP决定制订一个新的蜂窝物联网(CIOT:Cellular Internet of Thing)的标准。

这个新标准要实现四个目标:

超强覆盖,相对于原来GPRS系统,增加20dB的信号增益

超低功耗,终端节点要能达到10年的电池寿命

超低成本,终端芯片的目标定价为1美元,模块定价为2美元

超大连接,200kHz小区容量可达100k用户设备

1)减少信令开销

NB-IoT信令流程基于LTE设计,去掉了一些不必要的信令,包括在控制面和用户面均进行了优化。

原LTE信令流程:

NB-IoT信令流程①:

NB-IoT信令流程②:

2)三 & (e-)DRX

eDRX和PSM是NB-IoT的两大省电技术。

DRX(Discontinuous Reception),即不连续接收。

手机(终端)和网络不断传送数据是很费电的。如果没有DRX,即使我们没有用手机上网,手机也需要不断的监听网络(PDCCH子帧),以保持和网络的联系,但是,这导致手机耗电太快。

因此,在LTE系统中设计了DRX,让手机周期性的进入睡眠状态(sleep state),不用时刻监听网络,只在需要的时候,手机从睡眠状态中唤醒进入wake up state后才监听网络,以达到省电的目的。

eDRX意味着扩展DRX周期,意味着终端可睡更长时间,更省电。

PSM(Power Saving Mode),即省电模式。

一些物联网终端本来就很懒,长期睡觉,而在PSM模式下,相当于关机状态,所以更加省电。

其原理是,当终端进入空闲状态,释放RRC连接后,开始启动定时器T3324,当T3324终止后,进入PSM模式,并启动T3412(周期性TAU更新)。在此期间,终端停止检测寻呼和执行任何小区/PLMN选择或MM流程。

此时,网络无法发送数据给终端或寻呼终端,网络与终端几乎失联(终端仍注册在网络中)。

只有当周期性TAU更新定时器超时后,才退出PSM模式。这个定时器可设置最大12.1天,想想这是有多么省电啊!

物联网构架

总的来说,物联网分为三层:感知层、网络层和应用层。感知层负责采集信息,网络层提供安全可靠的连接、交互与共享,应用层对大数据进行分析,提供商业决策。

4.NB-IoT技术详解

4.1 网络

4.1.1 核心网

为了将物联网数据发送给应用,蜂窝物联网(CIoT)在EPS定义了两种优化方案:

CIoT EPS用户面功能优化(User Plane CIoT EPS optimisation)

CIoT EPS控制面功能优化(Control Plane CIoT EPS optimisation)

如上图所示,红线表示CIoT EPS控制面功能优化方案,蓝线表示CIoT EPS用户面功能优化方案。在实际网络部署时,为了减少物理网元的数量,可以将核心网网元(如MME、SGW、PGW)合一不部署,称为CIoT服务网关节点C-SGN,如虚框中所示。从这里可以看出,PGW可以合设,也可以集成到C-SGN中,图中标示的为PGW单独设置。

对于CIoT EPS控制面功能优化,上行数据从eNB(CIoT RAN)传送至MME,在这里传输路径分为两个分支:或者通过SGW传送到PGW再传送到应用服务器,或者通过SCEF(Service Capa- bility Exposure Function)连接到应用服务器(CIoT Services),后者仅支持非IP数据传送。下行数据传送路径一样,只是方向相反。

这一方案无需建立数据无线承载,数据包直接在信令无线承载上发送。因此,这一方案极适合非频发的小数据包传送。

SCEF是专门为NB-IoT设计而新引入的,它用于在控制面上传送非IP数据包,并为鉴权等网络服务提供了一个抽象的接口。

对于CIoT EPS用户面功能优化,物联网数据传送方式和传统数据流量一样,在无线承载上发送数据,由SGW传送到PGW再到应用服务器。因此,这种方案在建立连接时会产生额外开销,不过,它的优势是数据包序列传送更快。

这一方案支持IP数据和非IP数据传送。

4.1.1.1 CP和UP方案传输路径对比:

CP和UP方案协议栈对比:

CP方案的控制面协议栈,UE和eNodeB之间不需要建立DRB承载,没有用户面处理。

CP方案在UE和eNodeB之间不需要启动安全功能,空口数据传输的安全性由NAS层负责。因此空口协议栈中没有PDCP层,RLC层和RRC层直接交互,上行数据在上行RRC消息包含的NAS消息中携带,下行数据在下行RRC消息包含的NAS消息中携带。

UP方案的控制面协议栈,上下行数据通过DRB承载携带,需要启动空口协议栈中PDCP层提供AS层安全模式。

LTE、CP和UP信令流程对比:

CP、UP综合方案对比:从运营商来看,初期以CP方案为主,后续需支持UP方案。

4.1.2 接入网

NB-IoT的接入网构架与LTE一样。

eNB通过S1接口连接到MME/S-GW,只是接口上传送的是NB-IoT消息和数据。尽管NB-IoT没有定义切换,但在两个eNB之间依然有X2接口,X2接口使能UE在进入空闲状态后,快速启动resume流程,接入到其它eNB(resume流程将在本文后面详述)。

4.1.3 频段

NB-IoT沿用LTE定义的频段号,Release 13为NB-IoT指定了14个频段。

4.2 物理层

4.2.1 工作模式

部署方式(Operation Modes)

NB-IoT占用180KHz带宽,这与在LTE帧结构中一个资源块的带宽是一样的。所以,以下三种部署方式成为可能:

1)独立部署(Stand alone operation)

适合用于重耕GSM频段,GSM的信道带宽为200KHz,这刚好为NB-IoT 180KHz带宽辟出空间,且两边还有10KHz的保护间隔。

2)保护带部署(Guard band operation)

利用LTE边缘保护频带中未使用的180KHz带宽的资源块。

3)带内部署(In-band operation)

利用LTE载波中间的任何资源块。

CE Level

CE Level,即覆盖增强等级(Coverage Enhancement Level)。从0到2,CE Level共三个等级,分别对应可对抗144dB、154dB、164dB的信号衰减。基站与NB-IoT终端之间会根据其所在的CE Level来选择相对应的信息重发次数。

双工模式

Release 13 NB-IoT仅支持FDD 半双工type-B模式。

FDD意味着上行和下行在频率上分开,UE不会同时处理接收和发送。

半双工设计意味着只需多一个切换器去改变发送和接收模式,比起全双工所需的元件,成本更低廉,且可降低电池能耗。

在Release 12中,定义了半双工分为type A和type B两种类型,其中type B为Cat.0所用。在type A下,UE在发送上行信号时,其前面一个子帧的下行信号中最后一个Symbol不接收,用来作为保护时隙(Guard Period, GP),而在type B下,UE在发送上行信号时,其前面的子帧和后面的子帧都不接收下行信号,使得保护时隙加长,这对于设备的要求降低,且提高了信号的可靠性。

4.2.2 下行链路

对于下行链路,NB-IoT定义了三种物理信道:

1)NPBCH,窄带物理广播信道。

2)NPDCCH,窄带物理下行控制信道。

3)NPDSCH,窄带物理下行共享信道。

还定义了两种物理信号:

1)NRS,窄带参考信号。

2)NPSS和NSSS,主同步信号和辅同步信号。

相比LTE,NB-IoT的下行物理信道较少,且去掉了PMCH(Physical Multicast channel,物理多播信道),原因是NB-IoT不提供多媒体广播/组播服务。

下图是NB-IoT传输信道和物理信道之间的映射关系。

MIB消息在NPBCH中传输,其余信令消息和数据在NPDSCH上传输,NPDCCH负责控制UE和eNB间的数据传输。

NB-IoT下行调制方式为QPSK。NB-IoT下行最多支持两个天线端口(Antenna Port),AP0和AP1。

和LTE一样,NB-IoT也有PCI(Physical Cell ID,物理小区标识),称为NCellID(Narrowband physical cell ID),一共定义了504个NCellID。

4.3 小区接入

NB-IoT的小区接入流程和LTE差不多:小区搜索取得频率和符号同步、获取SIB信息、启动随机接入流程建立RRC连接。当终端返回RRC_IDLE状态,当需要进行数据发送或收到寻呼时,也会再次启动随机接入流程。

4.3.1 协议栈和信令承载

总的来说,NB-IoT协议栈基于LTE设计,但是根据物联网的需求,去掉了一些不必要的功能,减少了协议栈处理流程的开销。因此,从协议栈的角度看,NB-IoT是新的空口协议。

以无线承载(RB)为例,在LTE系统中,SRB(signalling radio bearers,信令无线承载)会部分复用,SRB0用来传输RRC消息,在逻辑信道CCCH上传输;而SRB1既用来传输RRC消息,也会包含NAS消息,其在逻辑信道DCCH上传输。

LTE中还定义了SRB2,但NB-IoT没有。

此外,NB-IoT还定义一种新的信令无线承载SRB1bis,SRB1bis和SRB1的配置基本一致,除了没有 PDCP,这也意味着在Control Plane CIoT EPS optimisation下只有SRB1bis,因为只有在这种模式才不需要。

▲NB-IoT协议栈

4.3.2 系统信息

NB-IoT经过简化,去掉了一些对物联网不必要的SIB,只保留了8个:

SIBType1-NB:小区接入和选择,其它SIB调度

SIBType2-NB:无线资源分配信息

SIBType3-NB:小区重选信息

SIBType4-NB:Intra-frequency的邻近Cell相关信息

SIBType5-NB:Inter-frequency的邻近Cell相关信息

SIBType14-NB:接入禁止(Access Barring)

SIBType16-NB:GPS时间/世界标准时间信息

需特别说明的是,SIB-NB是独立于LTE系统传送的,并非夹带在原LTE的SIB之中。

4.3.3 小区重选和移动性

由于NB-IoT主要为非频发小数据包流量而设计,所以RRC_CONNECTED中的切换过程并不需要,被移除了。如果需要改变服务小区,NB-IoT终端会进行RRC释放,进入RRC_IDLE状态,再重选至其他小区。

在RRC_IDLE状态,小区重选定义了intra frequency和inter frequency两类小区,inter frequency指的是in-band operation下两个180 kHz载波之间的重选。

NB-IoT的小区重选机制也做了适度的简化,由于NB-IoT 终端不支持紧急拨号功能,所以,当终端重选时无法找到Suitable Cell的情况下,终端不会暂时驻扎(Camp)在Acceptable Cell,而是持续搜寻直到找到Suitable Cell为止。根据3GPP TS 36.304定义,所谓Suitable Cell为可以提供正常服务的小区,而Acceptable Cell为仅能提供紧急服务的小区。

4.3.4 随机接入过程

NB-IoT的RACH过程和LTE一样,只是参数不同。

基于竞争的NB-IOT随机接入过程

基于非竞争的NB-IOT随机接入过程

4.3.5 连接管理

由于NB-IoT并不支持不同技术间的切换,所以RRC状态模式也非常简单。

RRC Connection Establishment

RRC Connection Establishment流程和LTE一样,但内容却不相同。

很多原因都会引起RRC建立,但是,在NB-IoT中,RRCConnectionRequest中的Establishment Cause里没有delayTolerantAccess,因为NB-IOT被预先假设为容忍延迟的。

另外,在Establishment Cause里,UE将说明支持单频或多频的能力。

与LTE不同的是,NB-IoT新增了Suspend-Resume流程。当基站释放连接时,基站会下达指令让NB-IoT终端进入Suspend模式,该Suspend指令带有一组Resume ID,此时,终端进入Suspend模式并存储当前的AS context。

当终端需要再次进行数据传输时,只需要在RRC Connection Resume Request中携带Resume ID(如上图第四步),基站即可通过此Resume ID来识别终端,并跳过相关配置信息交换,直接进入数据传输。

简而言之,在RRC_Connected至RRC_IDLE状态时,NB-IoT终端会尽可能的保留RRC_Connected下所使用的无线资源分配和相关安全性配置,减少两种状态之间切换时所需的信息交换数量,以达到省电的目的。

4.4 Data Transfer

如前文所述,NB-IoT定义了两种数据传输模式:Control Plane CIoT EPS optimisation方案和User Plane CIoT EPS optimisation方案。对于数据发起方,由终端选择决定哪一种方案。对于数据接收方,由MME参考终端习惯,选择决定哪一种方案。

4.4.1 Control Plane CIoT EPS Optimisation

对于Control Plane CIoT EPS Optimisation,终端和基站间的数据交换在RRC级上完成。对于下行,数据包附带在RRCConnectionSetup消息里;对于上行,数据包附带在RRCConnectionSetupComplete消息里。如果数据量过大,RRC不能完成全部传输,将使用DLInformationTransfer和ULInformationTransfer消息继续传送。

这两类消息中包含的是带有NAS消息的byte数组,其对应NB-IoT数据包,因此,对于基站是透明的,UE的RRC也会将它直接转发给上一层。

在这种传输模式下,没有RRC connection reconfiguration流程,数据在RRC connection setup消息里传送,或者在RRC connection setup之后立即RRC connection release并启动resume流程。

4.4.2 User Plane CIoT EPS optimisation

在User Plane CIoT EPS optimisation模式下,数据通过传统的用户面传送,为了降低物联网终端的复杂性,只可以同时配置一个或两个DRB。

此时,有两种情况:

当RRC连接释放时,RRC连接释放会携带携带Resume ID,并启动resume流程,如果resume成功,更新密匙安全建立后,保留了先前RRC_Connected的无线承载也随之建立。

当RRC连接释放时,如果RRC连接释放没有携带携带Resume ID,或者resume请求失败,安全和无线承载建立过程如下图所示:

首先,通过SecurityModeCommand和SecurityModeComplete建立AS级安全。

在SecurityModeCommand消息中,基站使用SRB1和DRB提供加密算法和对SRB1完整性保护。LTE中定义的所有算法都包含在NB-IoT里。

当安全激活后,进入RRC connection reconfiguration流程建立DRBs。

在重配置消息中,基站为UE提供无线承载,包括RLC和逻辑信道配置。PDCP仅配置于DRBs,因为SRB采用默认值。在MAC配置中,将提供BSR、SR、DRX等配置。最后,物理配置提供将数据映射到时隙和频率的参数。

4.4.3 多载波配置

在RRCConnectionReconfiguration消息中,可在上下行设置一个额外的载波,称为非锚定载波(non-anchor carrier)。

基于多载波配置,系统可以在一个小区里同时提供多个载波服务,因此,NB-IoT的载波可以分为两类:提供NPSS、NSSS与承载NPBCH和系统信息的载波称为Anchor Carrier,其余的载波则称为Non-Anchor Carrier。

当提供non-anchor载波时,UE在此载波上接收所有数据,但同步、广播和寻呼等消息只能在Anchor Carrier上接收。

NB-IoT终端一律需要在Anchor Carrier上面Random Access,基站会在Random Access过程中传送Non-Anchor Carrier调度信息,以将终端卸载至Non-Anchor Carrier上进行后续数据传输,避免Anchor Carrier的无线资源吃紧。

另外,单个NB-IoT终端同一时间只能在一个载波上传送数据,不允许同时在Anchor Carrier和Non-Anchor Carrier上传送数据。

NB-IoT的应用

对于远距离高速数据传输,LTE网络以及未来的5G网络可以满足这方面的需求;而对于远距离低速数据传输,特别是非实时低频次数据传输,则是NB-IoT系统的用武之地。

NB-IoT非常适合应用于无线抄表(Metering)、传感跟踪(Sensor Tracking)这些领域,通过物联网技术在这些领域的实施,可以大大降低管理成本,让网络管理者可以随时掌握各种运营数据。

   
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