NBIOT技术及优化.docx
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NBIOT技术及优化
NB-IOT技术及优化
1.NB-IOT关键技术
NB-IOT属于LPWA技术的一种,它具备强覆盖、低成本、小功耗、大连接这四个关键特点。
1.1强覆盖:
较GSM有20db增益,
1、采用提升IOT终端的发射功率谱密度(PSD,Powerspectraldensity);
2、通过重复发送,获得时间分集增益,并采用低阶调制方式,提高解调性能,增强覆盖;
3、天线分集增益,对于1T2R来说,比1T1R会有3db的增益。
20db=7db(功率谱密度提升)+12db(重传增益)+0-3db(多天线增益)
1.2低成本:
NB-IOT基于成本考虑,对FDD-LTE的全双工方式进行阉割,仅支持半双工。
带来的好处当然是终端实现简单,影响是终端无法同时收发上下行,无法同时接收公共信息与用户信息。
◢上行传输和下行传输在不同的载波频段上进行;
◢基站/终端在不同的时间进行信道的发送/接收或者接收/发送;
◢H-FDD与F-FDD的差别在于终端不允许同时进行信号的发送与接收,终端相对全双工FDD终端可以简化,只保留一套收发信机即可,从而节省双工器的成本;
NB-IOT终端工作带宽仅为传统LTE的1个PRB带宽(180K),带宽小使得NB不需要复杂的均衡算法。
带宽变小后,也间接导致原有宽带信道、物理层流程简化。
下面仅粗略讲解,以后单独成系列篇讲解物理层。
下行取消了PCFICH、PHICH后将使得下行数据传输的流程与原LTE形成很大的区别,同样一旦上行取消了PUCCH,那么必然要解决上行控制消息如何反馈的问题,这也将与现网LTE有很大的不同。
❶终端侧RF进行了阉割,主流NB终端支持1根天线(协议规定NRS支持1或者2天线端口)
❷天线模式也就从原来的1T/2R变成了现在的1T/1R,天线本身复杂度,当然也包括天线算法都将有效降低
❸FD全双工阉割为HD半双工,收发器从FDD-LTE的两套减少到只需要一套
❹低采样率,低速率,可以使得缓存Flash/RAM要求小(28kByte)
❺低功耗,意味着RF设计要求低,小PA就能实现
❻直接砍掉IMS协议栈,这也就意味着NB将不支持语音(注意实际上eMTC是可以支持的)
各层均进行优化
❶PHY物理层:
信道重新设计,降低基本信道的运算开销。
比如PHY层取消了PCFICH、PHICH等信道,上行取消了PUCCH和SRS。
❷MAC层:
协议栈优化,减少芯片协议栈处理流程的开销。
◢仅支持单进程HARQ(相比于LTE原有的最多支持8个进程process,NB仅支持单个进程。
);
◢不支持MAC层上行SR、SRS、CQI上报。
没了CQI,LTE中的AMC(自适应调制编码技术)功能不可用
◢不支持非竞争性随机接入功能;
◢功控没有闭环功控了,只有开环功控(如果采用闭环功控,算法会麻烦得多,调度信令开销也会很大)。
❸RLC层:
不支持RLCUM(这意味着没法支持VoLTE类似的语音)、TM模式(在LTE中走TM的系统消息,在NB中也必须走AM);
❹PDCP:
PDCP的功能被大面积简化,原LTE中赋予的安全模式、RoHC压缩等功能直接被阉割掉;
❺在RRC层:
没有了mobility管理(NB将不支持切换);新设计CP、UP方案简化RRC信令开销;增加了PSM、eDRX等功能减少耗电。
1.3小功耗:
PSM技术原理,即在IDLE态下再新增加一个新的状态PSM(idle的子状态),在该状态下,终端射频关闭(进入冬眠状态,而以前的DRX状态是浅睡状态),相当于关机状态(但是核心网侧还保留用户上下文,用户进入空闲态/连接态时无需再附着/PDN建立)。
在PSM状态时,下行不可达,DDN到达MME后,MME通知SGW缓存用户下行数据并延迟触发寻呼;上行有数据/信令需要发送时,触发终端进入连接态。
终端何时进入PSM状态,以及在PSM状态驻留的时长由核心网和终端协商。
如果设备支持PSM(PowerSavingMode),在附着或TAU(TrackingAreaUpdate)过程中,向网络申请一个激活定时器值。
当设备从连接状态转移到空闲后,该定时器开始运行。
当定时器终止,设备进入省电模式。
进入省电模式后设备不再接收寻呼消息,看起来设备和网络失联,但设备仍然注册在网络中。
UE进入PSM模式后,只有在UE需要发送MO数据,或者周期TAU/RAU定时器超时后需要执行周期TAU/RAU时,才会退出PSM模式,TAU最大周期为310小时。
eDRX(ExtendedDRX)DRX状态被分为空闲态和连接态两种,依次类推eDRX也可以分为空闲态eDRX和连接态的eDRX。
不过在PSM中已经解释,IOT终端大部分呆在空闲态,所以咱们这里主要讲解空闲态eDRX的实现原理。
eDRX作为Rel-13中新增的功能,主要思想即为支持更长周期的寻呼监听,从而达到节电目的。
传统的2.56s的寻呼间隔对IOT终端的电量消耗较大,而在下行数据发送频率小时,通过核心网和终端的协商配合,终端跳过大部分的寻呼监听,从而达到省电的目的。
1.4大连接:
每个小区可达50K连接,这意味着在同一基站的情况下,NB-IoT可以比现有无线技术提供50~100倍的接入数。
第一:
NB的话务模型决定。
NB-IoT的基站是基于物联网的模式进行设计的。
它的话务模型是终端很多,但是每个终端发送的包小,发送包对时延的要求不敏感。
基于NB-IoT,基于对业务时延不敏感,可以设计更多的用户接入,保存更多的用户上下文,这样可以让50k左右的终端同时在一个小区,大量终端处于休眠态,但是上下文信息由基站和核心网维持,一旦有数据发送,可以迅速进入激活态。
第二:
上行调度颗粒小,效率高。
2G/3G/4G的调度颗粒较大,NB-IoT因为基于窄带,上行传输有两种带宽3.75KHz和15KHz可供选择,带宽越小,上行调度颗粒小很多,在同样的资源情况下,资源的利用率会更高。
第三:
减小空口信令开销,提升频谱效率。
NB-IoT在做数据传输时所支持的CP方案(实际上NB还支持UP方案,不过目前系统主要支持CP方案)做对比来阐述NB是如何减小空口信令开销的。
CP方案通过在NAS信令传递数据(DoNAS),实现空口信令交互减少,从而降低终端功耗,提升了频谱效率。
2.NB-IOT帧结构
2.1下行物理层结构
根据NB的系统需求,终端的下行射频接收带宽是180KHZ。
由于下行采用15KHZ的子载波间隔,因此NB系统的下行多址方式、帧结构和物理资源单元等设计尽量沿用了原有LTE的设计。
频域上:
NB占据180kHz带宽(1个RB),12个子载波(subcarrier),子载波间隔(subcarrierspacing)为15kHz。
时域上:
NB一个时隙(slot)长度为0.5ms,每个时隙中有7个符号(symbol)。
NB基本调度单位为子帧,每个子帧1ms(2个slot),每个系统帧包含1024个子帧,每个超帧包含1024个系统帧(upto3h)。
这里解释下,不同于LTE,NB中引入了超帧的概念,原因就是eDRX为了进一步省电,扩展了寻呼周期,终端通过少接寻呼消息达到省电的目的。
1个signal封装为1个symbol
7个symbol封装为1个slot
2个slot封装为1个子帧
10个子帧组合为1个无线帧
1024个无线帧组成1个系统帧(LTE到此为止了)
1024个系统帧组成1个超帧,over。
这样计算下来,1024个超帧的总时间=(1024*1024*10)/(3600*1000)=2.9h.
2.2上行物理层结构
频域上:
占据180kHz带宽(1个RB),可支持2种子载波间隔:
◢15kHz:
最大可支持12个子载波:
如果是15KHZ的话,那就真是可以洗洗睡了。
因为帧结构将与LTE保持一致,只是频域调度的颗粒由原来的PRB变成了子载波。
关于这种子帧结构不做细致讲解。
◢3.75kHz:
最大可支持48个子载波:
如果是3.75K的话,首先你得知道设计为3.75K的好处是哪里。
总体看来有两个好处,一是根据在《NB-IOT强覆盖之降龙掌》谈到的,3.75K相比15K将有相当大的功率谱密度PSD增益,这将转化为覆盖能力,二是在仅有的180KHZ的频谱资源里,将调度资源从原来的12个子载波扩展到48个子载波,能带来更灵活的调度。
支持两种模式:
◢SingleTone(1个用户使用1个载波,低速物联网应用,针对15K和3.75K的子载波都适用,特别适合IOT终端的低速应用)
◢Multi-Tone(1个用户使用多个载波,高速物联网应用,仅针对15K子载波间隔。
特别注意,如果终端支持Multi-Tone的话必须给网络上报终端支持的能力)
时域上:
基本时域资源单位都为Slot,对于15kHz子载波间隔,1Slot=0.5ms,对于3.75kHz子载波间隔,1Slot=2ms。
2.3上行资源单元RU
对于NB来说,上行因为有两种不同的子载波间隔形式,其调度也存在非常大的不同。
NB-IoT在上行中根据Subcarrier的数目分别制订了相对应的资源单位RU做为资源分配的基本单位。
基本调度资源单位为RU(ResourceUnit),各种场景下的RU持续时长、子载波有所不同。
时域、频域两个域的资源组合后的调度单位才为RU。
NPUSCHformat
子载波间隔
子载波个数
每RUSlot数
每Slot持续时长(ms)
每RU持续时长(ms)
场景
1(普通数传)
3.75kHz
1
16
2
32
Single-Tone
15kHz
1
16
0.5
8
3
8
4
Multi-Tone
6
4
2
12
2
1
2(UCI)
3.75kHz
1
4
2
8
Single-Tone
15kHz
1
4
0.5
2
NPUSCH根据用途被划分为了Format1和Format2.其中Format1主要用来传普通数据.,类似于LTE中的PUSCH信道,而Format2资源主要用来传UCI,类似于LTE中的PUCCH信道(其中一个功能)。
3.75KHzSubcarrierSpacing只支持单频传输,而15KHzSubcarrierSpacing既支持单频又支持多频传输。
对Fomat1而言,3.75KHzSubcarrierSpacing的资源单位的带宽为一个Subcarrier,时间长度是16个Slot,也就是32ms长,而15KHzSubcarrierSpacing单频传输,带宽为1个Subcarrier的资源单位有16个Slot的时间长度,即8ms。
从上可以看出,实际上Format1两种单频传输占用的时频资源的总和是一样的。
对于15KHzSubcarrierSpacing多频传输来说,共计有三种情况,实际上这三种情况最终占用的时频资源的总和也是一样的。
另外,12个Subcarrier的资源单位则有2个Slot的时间长度,即1ms,此资源单位即是LTE系统中的一个Subframe。
对Fomat2而言,仅仅支持单频传输,3.75KHzSubcarrierSpacing的资源单位和15KHzSubcarrierSpacing资源单位占用的时频资源的总和也是一样的。
2.3系统消息
系统信息MIB-NB(NarrowbandMasterInformationBlock)承载于周期640ms之周期性出现的NPBCH(NarrowbandPhysicalBroadcastChannel)中,其余系统信息如SIB1-NB(NarrowbandSystemInformationBlockType1)等则承载于NPDSCH中。
SIB1-NB为周期性出现,其余系统信息则由SIB1-NB中所带的排程信息做排程。
SIB-IOT
NB-IoT共有以下几种SIB-NB:
SIB1-NB:
存取有关之信息与其他系统信息方块排程
SIB2-NB:
无线资源分配信息
SIB3-NB:
CellRe-selection信息
SIB4-NB:
Intra-frequency的邻近Cell相关信息
SIB5-NB:
Inter-frequency的邻近Cell相关信息
SIB14-NB:
存取禁止(AccessBarring)
SIB16-NB:
GPS时间/世界标准时间(CoordinatedUniversalTime,UTC)信息
CellReselection与闲置模式运作
3.NB-IOT网络架构
NB-IoT的引入,给LTE/EPC网络带来了很大的改进要求。
传统的LTE网络的设计,主要是为了适应宽带移动互联网的需求,即为用户提供高带宽、高响应速度的上网体验。
但是,NB却具有显著的区别:
终端数量众多、终端节能要求高(现有LTE信令流程可能导致终端耗能高)、以小包收发为主(会导致网络信令开销远远大于数据载荷传输本身大小)、可能有非格式化的Non-IP数据(无法直接传输)等。
»NB-IoT终端:
通过空口连接到基站。
»eNodeB:
主要承担空口接入处理,小区管理等相关功能,并通过S1-lite接口与IoT核心网进行连接,将非接入层数据转发给高层网元处理。
这里需要注意,NB-IoT可以独立组网,也可以与EUTRAN融合组网(在讲双工方式的时候谈到过,NB仅能支持FDD哦,所以这里必定跟FDD融合组网)
»IoT核心网:
承担与终端非接入层交互的功能,并将IoT业务相关数据转发到IoT平台进行处理。
同理,这里可以NB独立组网,也可以与LTE共用核心网。
»IoT平台:
汇聚从各种接入网得到的IoT数据,并根据不同类型转发至相应的业务应用器进行处理。
»应用服务器:
是IoT数据的最终汇聚点,根据客户的需求进行数据处理等操作。
3.1CP和UP传输方案
为了适配NB-IoT的数据传输特性,协议上引入了CP和UP两种优化传输方案,即controlplaneCIoTEPSoptimization和userplaneCIoTEPSoptimization。
CP方案通过在NAS信令传递数据,UP方案引入RRCSuspend/Resume流程,均能实现空口信令交互减少,从而降低终端功耗。
需要说明的是CP方案又称为DataoverNAS,UP方案又称为DataoverUserPlane。
将以上总体架构图进行细化,如下:
1)SCEF称为服务能力开放平台,为新引入网元。
2)在实际网络部署时,为了减少物理网元的数量,可以将部分核心网网元(如MME、SGW、PGW)合一部署,称为CIoT服务网关节点C-SGN,如虚框中所示。
从这里也可以看出,PGW可以合设,也可以集成到C-SGN中来,图中标示的为PGW单独设置。
3)ControlplaneCIoTEPSoptimization不需要建立数据无线承载DRB,直接通过控制平面高效传送用户数据(IP和non-IP)和SMS。
NB-IoT必须支持CP方案,小数据包通过NAS信令随路传输至MME,然后发往T6a或S11接口。
这里实际上得出在CP传输模式下,有两种传输路径,梳理如下:
»UE—MME—SCEF—CIoTServices;
»UE—MME—SGW/PGW—CIoTServices。
4)userplaneCIoTEPSoptimization,通过新定义的挂起和恢复流程,使得UE不需要发起servicerequest过程就能够从EMM-IDLE状态迁移到EMM-CONNECTED状态,(相应地RRC状态从IDLE转为CONNECTED),从而节省相关空口资源和信令开销。
这里分两层意思:
一是UP方式需要建立数据面承载S1-U和DRB(类似于LTE),小数据报文通过用户面直接进行传输;二是在无数据传输时,UE/eNodeB/MME中该用户的上下文挂起暂存,有数据传输时快速恢复。
3.2CP和UP方案传输路径对比
3.3CP和UP协议栈对比
3.3.1CP方案的控制面协议栈
UE和eNodeB间不需要建立DRB承载,没有用户面处理。
CP方案在UE和eNodeB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层与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。
3.3.2UP方案的控制面协议栈
上下行数据通过DRB承载携带,需要启用空口协议栈中PDCP层提供AS层安全模式。
2.4状态转换
Connected(连接态):
模块注册入网后处于该状态,可以发送和接收数据,无数据交互超过一段时间后会进入Idle模式,时间可配置。
Idle(空闲态):
可收发数据,且接收下行数据会进入Connected状态,无数据交互超过一段时会进入PSM模式,时间可配置。
PSM(节能模式):
此模式下终端关闭收发信号机,不监听无线侧的寻呼,因此虽然依旧注册在网络,但信令不可达,无法收到下行数据,功率很小。
持续时间由核心网配置(T3412),有上行数据需要传输或TAU周期结束时会进入Connected态。
NB-IoT三种工作状态一般情况的转换过程可以总结如下:
①终端发送数据完毕处于Connected态,启动“不活动计时器”,默认20秒,可配置范围为1s~3600s;
②“不活动计时器”超时,终端进入Idle态,启动及或定时器(Active-Timer【T3324】),超时时间配置范围为2秒~186分钟;
③Active-Timer超时,终端进入PSM状态,TAU周期结束时进入Connected态,TAU周期【T3412】配置范围为54分钟~310小时。
【PS:
TAU周期指的是从Idle开始到PSM模式结束】
1、NB-IoT发送数据时处于激活态,在超过“不活动计数器”配置的超时时间后,会进入Idle空闲态;
2、空闲态引入了eDRX机制,在一个完整的Idle过程中,包含了若干个eDRX周期,eDRX周期可以通过定时器配置,范围为20.48秒~2.92小时,而每个eDRX周期中又包含了若干个DRX寻呼周期;
3、若干个DRX寻呼周期组成一个寻呼时间窗口(PTW),寻呼时间窗口可由定时器设置,范围为2.56s~40.96s,取值大小决定了窗口的大小和寻呼的次数;
4、在ActiveTimer超时后,NB-IoT终端由空闲态进入PSM态,在此状态中,终端不进行寻呼,不接受下行数据,处于休眠状态;
5、TAUTimer从终端进入空闲态时便开始计时,当计时器超时后终端会从PSM状态退出,发起TAU操作,回到激活态(对应图中①);
6、当终端处于PSM态时,也可以通过主动发送上行数据令终端回到激活态(对应图中②)。
4.信令流程
NB-IoTUE可以支持所有需要的EPS流程,比如:
ATTACH、DETACH、TAU、MODataTransport及MTDataTransport,当然,EPS流程又必须跟无线的RRC流程耦合在一起。
下面主要讲MODataTransport流程,这将是NB中的主要业务形式,它又分为两种形式,一个是CP方案,也就是DataoverNAS,另外一个是UP方案,也就是DataoverUserPlane。
DataoverNAS是用控制面消息传递用户数据的方法。
目的是为了减少UE接入过程中的空口消息交互次数,节省UE传输数据的耗电。
4.1CP传输方案端到端信令流程
DataoverNAS的E2E的MO流程如下(参见3GPPTS23401)。
◢步骤0:
UE已经EPSattached,当前为ECM-Idle状态。
◢步骤1-2:
UE建立RRC连接,在NAS消息中发送已加密和完整性保护的上行数据。
UE在NAS消息中可包含ReleaseAssistanceInformation,指示在上行数据传输之后是否有下行数据传输(比如,UL数据的Ack或响应)。
如果有下行数据,MME在收到DLdata后释放S1连接。
如果没有下行数据,MME将数据传输给SGW后就立即释放连接。
◢步骤3:
MME检查NAS消息的完整性,然后解密数据。
在这一步,MME还会确定使用SGi或SCEF方式传输数据。
◢步骤4:
MME发送ModifyBearerRequest消息提供MME的下行传输地址给SGW,SGW现在可以经过MME传输下行数据给UE。
◢步骤5-6:
如果RATtype有变化,或者消息中携带有UE'sLocation等,SGW会发送ModifyBearerRequestmessage(RATType)给PGW。
该消息也可触发PGWcharging。
◢步骤7:
SGW在响应消息中给MME提供上行传输的SGW地址和TEID。
◢步骤8:
MME将上行数据经SGW发送给PGW。
◢步骤9:
如果在步骤1的ReleaseAssistanceInformation中没有下行数据指示,MME将ULdata发送给PGW后,立即释放连接,执行步骤14。
否则,进行下行数据传输。
如果没接收到数据,则跳过步骤11-13进行释放。
在RRC连接激活期间,UE还可在NAS消息中发送UL数据(图中未显示)。
在任何时候,UE在ULdata中都可携带ReleaseAssistanceInformation。
◢步骤10:
MME接收到DL数据后,会进行加密和完整性保护。
◢步骤11:
如果有DLdata,MME会在NAS消息中下发给eNB。
如果ULdata有ReleaseAssistanceInformation指示有DL数据,MME还会马上发起S1释放。
◢步骤12:
eNB将NASdata下发给UE。
如果马上又收到MME的S1释放,则在NASdata下发完成后进入步骤14释放RRC连接。
◢步骤13:
如果NAS传输有一段时间没活动,eNB则进入步骤14启动S1释放。
◢步骤14:
S1释放流程。
4.2RRC连接建立过程
NB-IoTUU口消息大都重新进行了定义,虽和LTE名称类似,但是简化了消息内容。
NB-IoT引入了一个新的信令承载SRB1bis。
SRB1bis的LCID为3,和SRB1的配置相同,但是没有PDCP实体。
RRC连接建立过程创建SRB1的同时隐式创建SRB1bis。
对于CP来说,只使用SRB1bis,因为SRB1bis没有PDCP层,在RRC连接建立过程中不需要激活安全模式,SRB1bis不启动PDCP层的加密和完整性保护。
UE主动或者收到寻呼后被动发起RRCConnectionRequest-NB。
RRCConnectionRequest-NB消息部分信元解析:
IE/GroupName
Value
Semantics description
ue-Identity-r13
RandomValue或s-TMSI
用户标识
EstablishmentCause_r13
NB-IoT支持四种连接建立原因:
mt-Access、 mo-Signalling、mo-Data和mo-Exception-Data。
◢eNodeB向UE发送RRCConnectionSetup-NB,只建立SRB1bis承载。
eNodeB也可以向UE发送RRCConnectionReject-NB,拒绝UE连接建立请求
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