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浅谈物联网行业中NB-IoT网络特点与应用

2020-09-18

NB-IoT的概念

NB-IoT是属于窄带物联网,NB-IoT技术是基于窄带物联网通信,不同于传统的2G/3G/4G。NB-IoT带宽大概只有180KHz,所占用的带宽是非常小的,而且其使用License频段,可采取带内、保护带或独立载波三种部署方式,与现有网络共存,并且能够直接部署在GSM、UMTS或LTE网络,即2/3/4G的网络上,实现现有网络的复用,降低部署成本,实现平滑升级。

作为世界上覆盖面最大的网络,移动网络具有独特的接入能力。因此,与WiFi、蓝牙、ZigBee等无线连接方式相比,基于蜂窝网络的NB-物联网连接技术更有前景,并逐渐被作为开启物联网时代的关键,在物联网行业已经商业化。

NB-IoT通信特点

NB-IoT具有超大覆盖范围,相较于4G/GPRS网络增强20db左右强度,具有更远的传输距离。其原理主要依靠:1、缩小带宽,提升功率谱密度;2、重复发送,获得时间分集增益。

NB-IoT网络可接入超多连接,相比现有无线技术,同一基站下增多了50-100倍的接入数,每小区可以达到50K连接,真是实现万物互联所必须的海量连接。其原理在于:1、基于时延不敏感的特点,采用话务模型,保存更多接入设备的上下文,在休眠态和激活态之间切换;2、窄带物联网的上行调度颗粒小,资源利用率更高;3、减少空口信令交互,提升频谱密度。

超低功耗终端在99%的时间内均处在休眠态,并集成多种节电技术,具有超常待机时间。3

NB-IoT因其适用的超低成本:NB-IoT无需重新建网,射频和天线基本上都是复用的。场景,还具有低速率和低移动性的特点。

1、低速率。多点上行速率仅为56kbps,理想下行速率为21.25kbps;

2、低移动性。仅支持终端设备在30km/h的移动速率下实现小区切换,远低于4G支持250km/h的速率(高铁专网可达450km/h)。

NB-IoT传输特点

NBIOT传输特点

NB-IoT的工作状态:

NB-IoT在默认状态下,存在三种工作状态,三种状态会根据不同的配置参数进行切换,笔者认为这三种状态较深刻地影响了NB-IoT的特性,如其对比传统GPRS的低功耗特性,均可以从中获得解释,同时在后续对NB-IoT的使用和相关程序的设计时,也需要根据开发的需求与产品特性对这三种工作状态进行合适的定制。

三种工作状态如下:

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】

NB-IoT终端在不同工作状态下的情况剖析:

NB-IOT工作状态

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)。

应用场景

NB-IoT垂直行业主要集中交通行业、物流行业、卫生医疗、商品零售行业、智能抄表、公共设施、智能家居、智能农业、工业制造、企业能耗管理、企业安全防护、智慧停车、智能抄表、智慧路灯等多种应用场景

NB-IoT模块.png