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深度剖析NB-IoT NB-IoT网络架构详解

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  NB-IoT是新兴的物联网技术,因为低功耗、连接稳定、成本低、架构优化出色等特点而备受关注,其应用广泛,成功应用于很多行业。关于NB-IoT,大多数人还是存在许多疑惑,计讯小编给大家分析NB-IoT网络架构详解,全面认识NB-IoT。

  一、NB-IoT特点

  1、频谱窄:200kHz;

  2、终端发射窄带信号提升了信号的功率谱密度,提升了信号的覆盖增益,并且提升了频谱利用效率;

  3、相同的数据包重复传输也可获得更好的覆盖增益;

  4、另外该技术降低了终端的激活比,降低了终端基带的复杂度。

  5、NB-IOT四大能力:广覆盖,海量连接,更低功耗,更低芯片成本。

  6、NB-IOT基于现有蜂窝网络的技术,可以通过升级现网来快速支持行业市场需求,成为GUL网络上的第四种模式。

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  二、NB-IoT的优势

  1、强链接

  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。一个扇区能够支持10万个连接,支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。举例来说,受限于带宽,运营商给家庭中每个路由器仅开放8-16个接入口,而一个家庭中往往有多部手机、笔记本、平板电脑,未来要想实现全屋智能、上百种传感设备需要联网就成了一个棘手的难题。而NB-IoT足以轻松满足未来智慧家庭中大量设备联网需求。

  2、高覆盖

  NB-IoT室内覆盖能力强,比LTE提升20dB增益,相当于提升了100倍覆盖区域能力。不仅可以满足农村这样的广覆盖需求,对于厂区、地下车库、井盖这类对深度覆盖有要求的应用同样适用。以井盖监测为例,过去GPRS的方式需要伸出一根天线,车辆来往极易损坏,而NB-IoT只要部署得当,就可以很好的解决这一难题。

  3、低功耗

  低功耗特性是物联网应用一项重要指标,特别对于一些不能经常更换电池的设备和场合,如安置于高山荒野偏远地区中的各类传感监测设备,它们不可能像智能手机一天一充电,长达几年的电池使用寿命是最本质的需求。NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用,因此NB-IoT设备功耗可以做到非常小,设备续航时间可以从过去的几个月大幅提升到几年。

  4、低成本

  与LoRa相比,NB-IoT无需重新建网,射频和天线基本上都是复用的。以中国移动为例,900MHZ里面有一个比较宽的频带,只需要清出来一部分2G的频段,就可以直接进行LTE和NB-IoT的同时部署。低速率、低功耗、低带宽同样给NB-IoT芯片以及模块带来低成本优势。模块预期价格不超过5美元。

  三、NB-IOT网络接口和协议栈

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  CoAP(Constrained ApplicaTIon Protocol)是IETF专门为受限应用环境设计的协议,功能上与HTTP类似,但更轻量化和高效,适合于NB-IoT 终端。

  UE直接和IoT平台或者M2M APP Server通过CoAP协议进行通信,承载应用层数据,M2M APP server支持CoAP协议时,业务数据可不经过IoT平台,DTLS协议可选,需要端到端安全时支持。

  四、nb-iot网络架构详解

  NB-IoT的端到端系统架构如下图所示。

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  1)NB-IoT终端:通过空口连接到基站。

  2)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)

  3)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。

  需要注意的是,这里笼统的写成IoT核心网那是偷懒且毫不负责任的写法,下文将就此进行详细介绍,这里涉及到较多的技术细节。

  4)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。

  5)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。

  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)

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  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。

  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。

  2、接入网

  NB-IoT的接入网构架与LTE一样。

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  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。

  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。

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