
NBIOT系统概述及3DMIMO原理技术介绍课件.ppt
28页MassiveIoT 应用特点当前采用2/3/4G承载物联网应用的主要问题终端功耗过高(使用5Wh电池,2G终端待现网能力差距2/3G无法满足海量终端应用需求(每 200kHz带宽下:2G:2.5万3G:3万) 典型场景网络覆盖不足,例如:室内的无线抄表、边远地区的环境监控和地下资源监控(4G规划指标穿透1层墙)终端种类多、批量小,开发门槛高,通信模块成本高,综合成本高海量终端 增强型能源效率 低成本 低数据吞吐量 静态应用场景 广覆盖 近期主流物联网应用对通信技术提出新的需求中速率(1-10Mbps) 智能建筑,电梯卫士,低 端M2M汇聚等低速率(~200kbps) 抄表,停车,物流监控,农林 牧渔,传感,追踪业务等 LPWA 高速率(>10Mbps) 视频监控、智慧医疗、智慧城市等? MTC/eMTC/LTE-V ? 2G: GPRS|CDMA2K1X ? 4G: LTE/LTE-A ? 3G: HSPA/EVDO/TDS ? WiFi 802.11技术网络要求2020年全球CIoT连接占比分布? NB-IoT ? SigFox/LoRa ? 短距无线,如 ZigBee 5% 25% 70% 网络接入技术? 高速率(>10Mbps) ? 中速率(1-10Mbps) ? 低功耗 ? 低速率(~200Kbps) ? 深度覆盖(20dB) ? 低功耗(10年) ? 低成本(<5$) 物联网市场分类和竞争技术 LPWA(Low Power Wide Area, 低功耗广覆盖)应用占整个物联网连接规模接近70% LTE-MNB-IoTLTE覆盖标准155dB164dB~10years5~10years不敏感<1Mbps<200Kbps>10Mbps<500km/h<350km/h不敏感$5~10/模组不敏感(18k)50k<$5/模组<1msLoRa<37.5Kbps>10yearsN/A<$7/模组10K5G155dB<100ms 10S <30Km/h吞吐量覆盖能力终端寿命移动性时延成本容量用户数增加覆盖增强移动性增强速率提升GSA统计已有24个运营商确定NB-IOT 建设计划,预计2017年底将会有20个NB-IoT 网络实现商用<30km/hNB-IoT为窄带低速大连接数物联网场景提供最佳解决方案 什么是NB-IoT?NB-IoT——Narrowband-InternetofThings即窄带物联网Frequency200 kHz180 kHz = 48 subcarriersSubcarrier spacing = 3.75 kHz10 kHz (Guard band)10 kHz (Guard band) ?Stand-lone :独立载波组网一个载波带宽?下行12个15Khz子载波?上行3.75Khz 或15Khz200Khz小区峰值速率?上行最大:261.6kbps?下行最大:226.6kbps NB-IOT 的三种部署方式?Guardband :利用LTE系统边缘保护带上没有使用的资源块?In-band :利用LTE系统中的资源块NB-IoT的关键技术——OFDMOFDMOFDM正交频分复用正交频分复用 物理层 在频域上由12个子载波(每个子载波宽度为15KHz)组成,在时域上由7个OFDM符号组成0.5ms的时隙,这样保证了和LTE的相容性,对于带内部署方式至关重要。
每个时隙0.5ms,2个时隙就组成了一个子帧(SF),10个子帧组成一个无线帧(RF) 把高速数据流通过串并变换,分配到传输速率较低的若干个子信道中进行传输,这样既可以增大码元宽度,减少单个码元占用的宽度,抵抗多经引起的频率选择性衰落,又可以有效的克服ISI,起到降低系统对均衡技术要求的作用 NB-IoT的关键技术——减少信令开销 减少信令开销减少信令开销 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 NB-IoT的关键技术——半双工 HalfDuplexNB-IoTNB-IoT的关键技术:半双工的关键技术:半双工Half Duplex Half Duplex 半双工模式在 3GPP R8时定义, R12时列出 type A 与typeB两种类型,其中TypeB为Cat.0专用? type A下,UE在发送上行信号时,其前面一个子帧(Subframe)的下行信号中最后一个符元 (Symbol)不接收,用来作为保护间隔(GuardPeriod,GP);? type B下,UE在发送上行信号时,其前面的子帧与后面的子帧都不接收下行信号,使得保护间隔增大,对于设备的要求更加得降低,并且也使讯号的可靠性上升。
UE-Category 半双工方式 Category1 Type A Category2 Type A Category3 Type A Category4 Type A Category5 Type A Category6 Type A Category7 Type A Category8 Type A Category9 Type A Category10 Type A ... Category0 TypeB Cat.M NB-IOT $ 半双工只需要多一个切换器去改变发送或接收的模式,比起全双工 (FullDuplex)所需的元件,成本更为低廉,并且也能够降低电力的消耗 NB-IoT的关键技术——eDRX(Enhanced Discontinuous Reception,延长的非连续接收模式)在R13标准,定义改进 eDRX ,其为延长原本DRX的时间,使 UE在DRX的次数及频率上可以减少,以达到更省电的目的,但UE在进行长时间的 DRX周期后,本身的计时器可能会发生不准确的情况,就会让UE与核心网之间发生不同步的情况,因此基站必须时常与 UE进行同步,而在 UE离开eDRX模式时,也要发出多笔传呼讯号,让UE在时间不同时依旧可以收到传呼讯号。
扩展的LongDRX 可使LTE-M和NB-IoT的电池使用 寿命超过 10年,同时保持了机械工业过程监控或家庭自动化等用例所需的下行链路的可达性 对下行业务时延要求高,如路灯 对下行业务时延有较高要求,可根据设备是否处于休眠状态缓存消息或者立即下发消息,如智能穿戴设备 NB-IoT的关键技术——PSM(PowerSavingMode,省电模式)PSM为一种特殊的终端状态,可以最小化电力的消耗,一般认为比空闲模式(IdleMode)下更省电若终端支持PSM,在Attach或TAU(跟踪区更新)的过程中,会向网络申请一个启动计时器 (Active Timer),当设备从连接状态转移到空闲状态后,该定时器开始运行;当定时器终止时,设备进入省电模式省电模式中,UE不再监听寻呼信号,近似于关机的状态,但UE还是注册在网络中,因此不需要重新连接或建立分组数据网络的连接,直到UE要再对外发送数据,或者TAU的周期到了,才会恢复到连接的状态 TAU Cycle/ Trans.Cycle 2.56s Rel.8 10.241s 1min 10min Rel.12 1h 2h 1 day 15min 3.7 4.5 4.9 4.9 4.9 4.9 4.9 1hour 8.1 13.8 17.0 17.8 17.9 17.9 17.9 1 day 13.2 39.1 84.9 108.0 110.8 111.1 111.3 1 week 13.5 42.0 99.4 132.1 136.2 136.2 136.6 137.0 1 month 13.6 42.3 101.6 135.9 140.2 140.7 141.1 1 year 13.6 42.5 102.3 137.1 141.4 141.9 142.3 终端在不同的TAU周期与传送周期的耗电情况(月)若是TAU周期为1小时,而1个星期发送一次数据,两个2A电池可以使用超过 136个月,相当于 11年左右NB-IoT的四大优势20dB 增益1$芯片成本?简化射频硬件?简化协议降低成本?减小基带复杂度10年电池寿命100K连接数每小区? 频谱效率高? 小包数据发送特征? 终端极低激活比深覆盖?窄带功率谱密度提升?重传次数?编码增益?简化协议,芯片功耗低?功放效率高?发射/接收时间短低功耗大连接低成本深覆盖:比LTE覆盖高20dB功率谱密度= 200mW/180kHz 180 KHz IOT 终端:200mw 3.75 KHz 注:由于GSM终端发射功率最大可以到33dBm, NB-IOT发射功率最大23dBm,所以实际NB-IOT终端比GSM终端功率谱密度高7dB Data Package (e.g100 byte) 2G/3G/LTE 终端发射功率 功率谱密度= 200mW/3.75kHz NB-IOT终端最多重复16次技术点1:功率谱密度增强+17dB 技术点2:重复+3 ~ 12dB 48倍NB-IOT功率谱密度高低功耗:基于AA电池,使用寿命可超过 10年?Tx(23dBm):200mW?Rx:80mW ?Idle:3mW ? PSM: 0.015mW Active Idle PSM Active timer Active timer Start Expiration TAU/RAU timer Expiration/MO PSM和长周期定时器 Active M2M终端CloudEdge MME基亍终端分组/业务特征下发定时器给终端:Ready timer/Active timer/RAU timer Extended Long DRX DRX Cycle eDRX Cycle M2M终端MME eDRX协商,MME决策省电模式减少IDLE态寺呼侦听次数PSM省电模式PSM省电模式终端空闲时关闭收发信机 99% 时间在PSM状态 PSM下只占用<1% 功耗 eDRX扩展动态接收增大IDLE态寻呼信道侦听周期延长定时周期根据终端业务模型,灵活适配长周期位 置更新定时器RAU/TAU,减少唤醒次数 大连接:100K用户容量*/200kHz小区话务模型海量连接的特有系统设计 15分钟~1天100byte 对时延不敏感 关键技术1: 窄带技术 ? 上行等效功率提升,大大提升信道容量 ~100k 设备/小区关键技术2: 减小空口信令开销,提升频谱效率 蜂窝物联核心网 业务平台DLData关键技术4:核心网优化 ? 终端上下文存储 ? 下行数据缓存 关键技术3:基站优化? 独立的准入拥塞控制 ? 终端上下文信息存储 NB-IoT基站* 典型值,与应用类型和话务模型相关 低成本:终端模组成本低至5$? 协议栈优化 ? 500kByte PA: Power Amplifier SOC: System on Chip Cat-4LTEBB2RX 1TXRFPMUFlash/RAM BB1RX 1TXRFPMUFlash /RAM BB1RX 1TXRFPMUFlash/RAMCat-0MTC NB-IOT MMMB: 多模多频段PA MB: 多频段BB: 基带PMU: 电源管理单元低复杂度基带? 终端协议简化 精 简 射 频? 单天线,半双工 高 效 功 放? 上行峰均比低, ? 功放效率高 ? SOC可内置PA精简电源管理小容量存储典型应用:智慧城市 a 智能停车 行业应用: 监测车位是否有 车,将车位信息 上报到平台,通 过引导屏和终端 引导车主停车。
停车场 APP 业务特点: 低速率小包业务为主 移动性: 不要求 时延: 不敏感 能耗:敏感 成本: 敏感 可靠性: >90 定位: 不要求 公共/安全 c 行业应用: 智能垃圾箱:太阳能供电,实时监控垃圾箱是否满 城市路灯监控:下发路灯配置信息,上报故障告警信息 智能垃圾箱 路灯监测 业务特点: 低速率小包业务为主 移动性:不要求 时延:不敏感 能耗:不敏感(太阳能) 成本: 敏感 可靠性: >90 定位:不要求 智能抄表 b 业务特点: 低频小包为主( 1次/ 天)移动性:不要求 时延: 不敏感 能耗:敏感 成本: 敏感 可靠性: >99% 定位: 不要求 行业应用: 水、电、气表自动抄表 典型应用:智慧工业 天线天线 ModemModem 控制器控制器 发动机控制器发动机控制器 多重监视器多重监视器 液压控制器液压控制器 数据服务器数据服务器 WebWeb应用服务器应用服务器 InternetInternet 用户用户 (顾客,代理店,当地法(顾客,代理店,当地法 人,小松制作所)人,小松制作所) 天线天线 网 车 络 辆 内 通信卫星传输网或手通信卫星传输网或手 机传输网机传输网 GPSGPS卫星卫星 a 设备监测 智能农业 b 供应链 c SKT “LTE/3G” 水池 监控服务器 “实时水池 监控" Ethernet IoT Platform (Mobius) LTE IoT G/W 解决方案 无线 通信 “IoT基础实时无线水池监控系统” (SUN:900Mhz) 无线水质仪表 (水温, DO, pH) 养鳗场 业务特点: 低频率小包业务为 主 移动性:无 时延:不敏感 能耗:不敏感 成本:不敏感 可靠性: >99 定位: 不要求 业务特点: 低频率小包业务 为主 移动性:广覆盖 时延:不敏感 能耗:不敏感 成本:不敏感 可靠性: >99 定位: 要求 资产跟踪/物流跟踪 业务特点: 高频率小包业务为主 移动性:广覆盖 时延:不敏感 能耗:不敏感 成本:不敏感 可靠性:>90 定位: 要求 行业应用: 智慧牧场, 牲口定位; 监测养鱼场 水温、PH值 和氧气含量 行业应用: 车辆的工作信息和位置信 息通过FOMA 向数据服务 器传输,加工后进一步被 发送给用户,并动态地提 前向用户提供零部件更换 和维护的建议,以及针对 个别车辆的咨询服务。
全 球近30W装备 行业应用: 资产位置上报 典型应用:智慧生活 a 智能楼宇 b 跟踪 小孩 老人 宠物 附带语音功能 能耗:不敏感 定位周期可以 成本: 不敏感 业务特点: 高频率小包业务为 主 移动性: 广覆盖 时延: 不敏感 可靠性: >90 定位: 要求 照明打印机 红外转发器 智能插座 物联网网关 亮运传感器温湿度传感 器空调路灯WiFi短距通信范围 业务业务特点:特点: 低频率小包业务为主 移动性:无 时延:不敏感 能耗:不敏感 成本:不敏感 可靠性:>90 定位:不要求 行业应用: 跟踪小孩、老 人和宠物的位置 小孩定位一般 配置 行业应用: 网关使用无线技 术 楼宇传感器/家电 控制/管理 环境监控 c 土壤监测 气象站 业务业务特点:特点: 高率小包业务为主 移动性:不要求 时延:不敏感 能耗:不敏感(太阳 能) 成本:不敏感 可靠性: >90 定位:要求 行业应用: 监测风速、风 向、温度、湿 度、雨量、雨 强、土壤温度等信息 NB-IoT智能停车解决方案典型组网架构 为车主提供便捷丰富的停车相关业务。
NB-IoT核心网IoT管理平台NB-IoT 基站APP? 尺寸:φ 114x77mm ? 接收灵敏度 :≤-128dBm; ? 工作温度 :-30°C~+80 °C;?IP68? 杅料:压铸铝杅质 车检器3rd智能停车服务器电磁式车检器,检测车位是否有车辆停放NB-IoT的站点提供终端无线接入服务,收集终端上报的数据,幵转发给NB-IoT核心网提供智能停车及相关运营及增值业务为M2M运营商客户提供管道管理、终端管理、运营支撑呾能力开放等业务基亍HUAWEICloudEdge平台优化的IoT与用核心网? 应用层协议栈适配 ? 终端设备、事件订阅管理? API能力开放(行业,开发者)? OSS/BSS (自劣开户,计费) ? 大数据分析 ? 移劢性 /安全/连接管理 ? 无SIM卡终端安全接入 ? 终端节能特性 ? 时延丌敏感终端适配 ? 拥塞控制呾流量调度 ? 低成本站点解决斱案 ?新空口支持 MassiveIoT 连接? 停车场搜索 ? 空闲车位查询 ? 泊位查询 ? 地图寻航 ? 泊位预定 ? 电子支付 ? 设置管理 ? 设备管理 ? 人员管理 ? 告警管理 ? 实时数据查询 ? 报表芯片模组车检器NB-IoT 基站NB-IoT 核心网IoT管理平台3rd智能停车服务器 APP 引导屏 摄像头 智能停车传统解决方案与 NB-IoT方案对比1跳网络传统非标无线方案 NB-IoT 方案可靠性&安全性私有网络,采用非授权频谱,可靠性安全性差授权频谱,运营商网络保障(运营商级别的质量保障)安装中继网关需要安装,部署成本高无需中继安装车检器即插即用维护中继网关维护高空作业,工作量大,且不安全,维护成本高网络覆盖好,由运营商维护,不存在问题。
(企业不再介入通信维护)成本10~15个车检器就需要配备一个中继网关;中继网关若无供电,需要配备太阳能板整体成本(设备+安装+维护)下降50%(企业投资更小)车辆检测器中继网关基站(2G/4G)传统非标无线方案 车辆检测器AppNB-IoT基站NB–IoT方案App2跳网络 智能停车传统解决方案与 NB-IoT方案对比三方共赢运营商?增加收入,孵化新的商业模式; ?提供增值服务,和停车场业主进行业务分成 车主?极大提升停车体验?节省寺找车位时间?便捷支付停车场业主?节省设备维护/人力开支?提升停车场使用率,从而增加收入 ?通过预定,收取额外预定费用,增加收入 中继网关中继网关维护费车检器链接费设备费用维护费用15万/每月1500/每车位4000/每月180万/年1500万4.8万/年001万车位/杭州500个网关回报(业主)短距无线方案(CNY)300万NB-IoT方案(CNY)01500万36万/年5年支出(业主)2724万1680万600每车位/每月7200万/年07200万/年1500/每车位6000元/个3万/月阵子?阵子?基站天线通常由多个天线单元排列构成,每个天线单元即一个天线阵子,通常采用一对±45度极化阵子,是构成基站天线的基本单位 通道?通道?MIMO天线利用多入多出提升频谱效率,能够并行传输的“路”称为一个通道,每个通道连接独立的放大器( PA),典型8天线即8通道1驱驱2,,1驱驱1,,1驱驱10,,1驱驱12??综合考虑性能、成本、重量、体积等因素,通常通道和天线阵子不是一 一对应的,一个通道物理连接 X个天线阵子,即构成 1驱X4天线基础知识补充8天线示意图4天线基础知识补充3D-MIMO8天线8天线:广播信道水平65度,垂直5.5度,增益≥15dBi;业务信道波束水平25度,垂直5.5度,最大增益约21dBi3D-MIMO:广播信道水平15~65度,垂直10~30度;当垂直波束10度,水平波束65度时,增增益≥15dBi;业务信道水平11度,垂直9度,最大增益约24dBi3D-MIMO四大关键技术MIMO多天线技术 ? MIMO技术是LTE系统物理层的基本构成之一,主要可以分为空间复用、传输分集和波束赋形三种模式。
波束赋形(Beamforming) ? 在波束成形技术中,基站拥有多根天线,通过调节各个天线发射信号的相位,使其在接收点形成电磁波的叠加,从而达到提高接收信号强度的目的从基站方面看,利用信号处理产生的叠加效果就如同完成了基站端虚拟天线的方向图,因此称为“波束赋形”通过这一技术,发射能量可以汇集到用户所在位置,而不向其他方向扩散,并且基站可以通过监测用户的信号,对其进行实时跟踪,使最佳发射方向跟随用户的移动,保证在任何时候接收点的电磁波信号都处于叠加状态在实际应用中,多天线可以同时瞄准多个用户,构造朝向多个目标客户的不同波束,并有效减小各个波束之间的干扰这种多用户的波束成形在空间上有效地分离了不同用户间的电磁波 3D-MIMO四大关键技术SDMA:空分多址 ? 3D MIMO天线在覆盖高层楼宇的同时,通过多个波束对应不同楼层形成虚拟分区,实现了空分复用的效果,同时也提升了频谱效率 大规模天线阵列技术 ? 空间自由度是MIMO多天下技术的安身立命之本在有源天线系统技术的有力支持下,垂直维度的空间自由度的大门已悄然向MIMO技术开启,简单来说,有了有源天线系统技术,3D MIMO技术在不需要改变现有天线尺寸的条件下,可以将每个垂直的天线阵子分割成多个阵子(天线数目大幅增加),大规模天线阵列正是基于多用户波束成形的原理,在基站端布置多根天线,对几十个目标接收机调制各自的波束,通过空间信号隔离,在同一频率资源上同时传输几十条信号。
从而开发出MIMO的另一个垂直方向的空间自由度,使得进一步降低小区间干扰、提高系统吞吐量和频谱效率成为可能 3D-MIMO技术优势一、与传统MIMO不同的是,3D MIMO中所采用的天线规模发生了巨大变化,天线数目大幅增加,随着基站天线数目趋向于很多时,各UE的信道将趋向于正交,用户间的干扰趋于消失,由此带来的巨大的天线阵列增益将有效提升每个用户的信噪比,因此可在相同的时频资源上支持更多用户的传输,提升小区的平均频谱效率、降低邻小区干扰、提升系统容量 3D MIMO从室外覆盖高层楼宇更经济 二、传统的基站为提高增益,垂直波瓣较窄,在覆盖高层建筑时,往往只能覆盖到部分楼层,从而需要多面天线来做覆盖的场景使用3D MIMO技术,则可以分裂出指向不同楼层位置的波瓣,在减少了天面建设需求的同时,也通过多个并行数据流传输,提高了频率利用效率 3D-MIMO技术优势三、占用天面少:利用常规天线覆盖高层楼宇时,需要分别针对低层、中层和高层设置多个天面,而 3D MIMO技术的天面需求则很少 四、垂直面覆盖宽: 3D MIMO天线相比常规天线,可实现单天线阵覆盖整个楼层,垂直面的覆盖角度可达 +/-30度(而普通天线一般只能做到 +/-8度),提升了频谱效率。
五、相比于常规天线的垂直面不能随终端的位置实时调整,3D MIMO天线可通过AAS(有源天线阵子)组合而成,每个阵子均可独立调整权值,波束在垂直面跟踪终端,从而可从整体上降低对邻区的干扰 3D-MIMO产品架构传统基站采用“BBU+RRU+天线”的分布式架构3D-MIMO相比传统基站采用了更多的收发通道,如果依然保持“BBU+RRU+天线”的架构存在两方面问题 一方面,收发通道数的增加使得天线和RRU之间需要更多的馈线连接,这将给实际布网带来很大的麻烦,增加了设备安装的时间,馈线越多也越容易出错而将天线和RRU集成能很好地解决这个问题,不仅省去了馈线,而且消除了因馈线带来的损耗(见表中的架构1)另一方面,通道数的增加也增加了对RRU和BBU之间CPRI接口的带宽需求,从而增加了光纤的成本 为了降低CPRI接口带宽的需求,一种方法是将BBU的部分功能上移(见表中的架构2),另一种方法是进一步将BBU、RRU和天线都集成到一起形成一体化站型(见表中的架构3)架构2虽然能降低CPRI接口带宽需求,但是BBU和RRU之间的接口需要重新定义架构3直接取消了CPRI接口,更高的集成度将使得未来的布网和架站更加方便快捷,不过也对设备的尺寸、重量和散热等方面的设计提出了更高的要求。
1 )3D-MIMO 商用产品主要特征:迎风面积、重量更小、支持多载波、更高阶的MU-MIMO 等功能条目样机商用产品64通道数信号带宽输出功率重量6420M(单载波)40W60M(三载波)120W/150W37~45Kg0.4㎡左右上行8用户下行16用户50~60Kg0.5㎡左右上行4用户下行8用户迎风面积MU-MIMO铁塔对天面的要求为:迎风面 <=0.8m2,重量<=47kg1 23D-MIMO测试效果。












