Wąskopasmowy Internet Rzeczy (NB-IoT). Mierniki serii CellAdvisor JD700B
NOTA APLIKACYJNA VIAVI
Wąskopasmowy Internet Rzeczy (NB-IoT)
Mierniki serii CellAdvisor JD700B
Technologia Internetu Rzeczy (IoT) wspomaga usługi bezprzewodowe umożliwiając urządzeniom połączenie się z sieciami komórkowymi za pomocą sygnałów wąskopasmowych. Sygnały te mogą być nadawane jako samodzielna usługa lub mogą współistnieć z szerokopasmowymi sygnałami komórkowymi, jak GSM czy LTE.
Branża elektroniczna zdefiniowała trzy główne technologie do nadawania NB-IoT w pasmach komórkowych:
-
Extended Coverage (powiększony zasięg) GSM dla IoT (EC-GSM-IoT)
-
Long Term Evolution Machine Type Communications Category M1 (LTE MTC CatM1 lub LTE-M)
-
Narrowband (wąskopasmowy) IoT (NB-IoT)
Grupa 3GPP opracowująca standardy zdefiniowała następujące kluczowe wymagania dla komórkowego Internetu Rzeczy:
-
niski pobór mocy przez urządzenia IoT, umożliwiające pracę baterii przez 10 lat
-
niski koszt urządzeń IoT rzędu dziesiątych dolara
-
poszerzony zasięg wewnątrz i na zewnątrz pomieszczeń
-
bezpieczne połączenia i silne uwierzytelnianie
-
sprawna transmisja danych wspomagająca małe i krótkotrwałe bloki danych
-
uproszczona topologia sieci i jej budowa.
Z technologii IoT odniesie korzyść kilkanaście branż i wiele aplikacji:
-
aplikacja 1: przypadki mobilne, zakładające śledzenie osób lub pojazdów przy opiece nad ludźmi starszymi/niepełnosprawnymi i zdalne monitorowanie stanu zdrowia
-
aplikacja 2: przypadki mobilne, zakładające śledzenie zasobów przemysłowych, mikrogeneratory energii elektrycznej, hodowlę zwierząt i monitorowanie środowiska w czasie niemal rzeczywistym (np. hydrantów pożarowych i procesów w zbiornikach przemysłowych)
-
aplikacja 3: przypadki stacjonarne wymagające głębokiej penetracji sygnału wewnątrz budynków, takie jak inteligentne liczniki wody, energii elektrycznej i gazu, inteligentne parkowanie, inteligentne budowy, automatyka domowa, inteligentne sieci energetyczne i maszyny przemysłowe
-
aplikacja 4: przypadki stacjonarne, takie jak inteligentne oświetlenie miejskie i automaty do sprzedaży, które są zasilane zewnętrznie i mają awaryjne zasilanie akumulatorowe.
Wymaganie |
Aplikacja 1 |
Aplikacja 2 |
Aplikacja 3 |
Aplikacja 4 |
Czas życia akumulatora |
5 lat |
5 – 10 lat |
10 – 15 lat |
Jako rezerwa |
Zasięg |
Wewnątrz/na zewnątrz |
Głównie na zewnątrz |
Głównie wewnątrz |
Wewnątrz/na zewnątrz |
Mobilność |
Mała do dużej |
Mała |
Stacjonarne |
Stacjonarne |
Opóźnienie |
Ok. 30 s |
< 10 s |
10 s do 60 s |
< 30 s |
Definicja Wąskopasmowego Internetu Rzeczy
Wąskopasmowy IoT został zdefiniowany przez 3GPP w oparciu o charakterystyki LTE w celu umożliwienia szybkiej adopcji i łatwej integracji z istniejącymi sieciami LTE, z prostymi modyfikacjami rozważającymi przypadki użycia IoT, w szczególności odnoszące się do zwiększonego zasięgu (pokrycia sygnałem radiowym) i niskiego poboru mocy.
NB-IoT może być zaimplementowany w trzech różnych trybach pracy:
1. Tryb samodzielny, np. przy braku usług komórkowych lub przy ich modyfikacji w celu wykorzystania wąskopasmowego widma, co ma miejsce w sieciach GSM; zmieniając strukturę ramek jednej lub kilku nośnych GSM do przenoszenia ruchu NB-IoT operatorzy mogą zapewnić łagodne przejście do LTE dla masowej komunikacji z maszynami.
2. Tryb pasma ochronnego, np. gdzie są obecne usługi komórkowe, a sygnały NB-IoT są umieszczane w pasmie ochronnym nośnych LTE bez konieczności przenoszenia zasobów LTE i w celu uniknięcia możliwych zakłóceń.
3. Tryb wewnątrzpasmowy, np. gdzie są obecne usługi komórkowe i sygnały NB-IoT są umieszczane na nośnej LTE (ze współdzieleniem zasobów LTE); ten tryb pracy jest chyba najbardziej efektywny kosztowo i bezproblemowy dla operatorów komórkowych, ponieważ nie wymaga żadnych zmian w sprzęcie sieci dostępu radiowego i dobrze wykorzystuje zasoby widmowe dla usług LTE i NB-IoT opartych o zapotrzebowanie od mobilnych użytkowników i urządzeń.
NB-IoT w koegzystencji z LTE może pracować w następujących pasmach:
Pasmo |
Uplink (MHz) |
Downlink (MHz) |
Typ 1 dupleksu |
1 |
1920 – 1980 |
2110 – 2170 |
FDD |
2 |
1850 – 1910 |
1930 – 1990 |
FDD |
3 |
1710 – 1785 |
1805 – 1880 |
FDD |
5 |
824 – 849 |
869 – 894 |
FDD |
8 |
880 – 915 |
925 – 960 |
FDD |
11 |
1427,9 – 1447,9 |
1475,9 – 1495,9 |
FDD |
12 |
699 – 716 |
729 – 746 |
FDD |
13 |
777 – 787 |
746 – 756 |
FDD |
17 |
704 – 716 |
734 – 746 |
FDD |
18 |
815 – 830 |
860 – 875 |
FDD |
19 |
830 – 845 |
875 – 890 |
FDD |
20 |
832 – 862 |
791 – 821 |
FDD |
25 |
1850 – 1915 |
1930 – 1995 |
FDD |
26 |
814 – 849 |
859 – 894 |
FDD |
28 |
703 – 748 |
758 – 803 |
FDD |
31 |
452,5 – 457,5 |
462,5 – 467,5 |
FDD |
66 |
1710 – 1780 |
2110 – 2200 |
FDD |
70 |
1695 – 1710 |
1995 – 2020 |
FDD |
Analiza sygnałów NB-IoT
Analiza sygnałów NB-IoT jest wykonywana w czasie instalacji i czynności utrzymania, by:
-
zapewnić właściwą łączność i dostarczanie usług
-
uniknąć zajęcia dodatkowego pasma, co również zredukuje liczbę urządzeń IoT, które mogą być podłączone do sieci
-
uniknąć efektów związanych z niewłaściwymi poziomami mocy, które mogłyby ograniczyć sygnały docierające do urządzeń IoT lub spowodować wielokrotne retransmisje sygnału, skracając przez to czas życia akumulatorów w urządzeniach IoT.
Analiza sygnałów radiowych dla potrzeb instalacji i utrzymania sieci obejmuje dwa główne aspekty:
A. profil fizyczny sygnału, obejmujący moc w.cz. i charakterystyki częstotliwościowe, i jego weryfikację z konfiguracją operatora komórkowego i zgodność ze standardami 3GPP
B. jakość danych sygnału (modulacja), w tym pomiary modulacji i zniekształceń EVM.
CellAdvisor firmy VIAVI jest rozwiązaniem z wyboru dla potrzeb instalacji i utrzymania, wykonującym analizę sygnału radiowego usług w tradycyjnych sieciach 2G, 3G, 4G, jak również z zaawansowanymi usługami mobilnymi, takimi jak MBMS i NB-IoT.
Profil fizyczny |
Jakość modulacji |
Rozwiązanie pomiarowe |
|
|
Szerokość pasma NB-IoT
Szerokość pasma transmisyjnego NB-IoT jest następująco zdefiniowana przez 3GPP:
Szerokość pasma |
NB-IoT Standalone |
NB-IoT In-Band |
NB-IoT Guard-band |
Szer. pasma kanału [kHz] |
200 |
Bloki w kanałach LTE |
Nieużywane bloki na krawędzi kanałów LTE szerszych niż 5 MHz |
Szer. pasma transmisji (bloki zasobów LTE) |
1 |
1 |
1 |
Szer. pasma transmisji (N-ton 15 kHz) |
12 |
12 |
12 |
Szer. pasma transmisji (N-ton 3,75 kHz) |
48 |
48 |
48 |
Moc NB-IoT
Dynamika regulacji mocy (przyrost mocy) NB-IoT, zdefiniowana przez 3GPP w funkcji bloku zasobów fizycznych (PRB) powinna być równa lub większa niż +6 dB dla trybów pracy wewnątrzpasmowego i pasma ochronnego.
Modulacja NB-IoT
Modulacja NB-IoT dla wszystkich szerokości pasma jest określona przez 3GPP w funkcji fizycznego współdzielonego kanału dosyłowego (PDSCH) z maksymalną wartością zniekształceń (definiowaną przez EVM) jak poniżej:
Modulacja NB-PDSCH |
EVM |
QPSK (kwadraturowe kluczowanie fazy) |
≤ 17,5% |
Podsumowanie
NB-IoT pojawiło się jako kluczowy “wyzwalacz” technologii wspomagający w licencjonowanym widmie radiowe połączenia z urządzeniami (statycznymi lub ruchomymi), który zwiększy zapotrzebowanie sieci, by właściwie obsługiwać mobilnych użytkowników i urządzenia. Podłączone urządzenia zmienią profil zapotrzebowania na pojemność i zasięg radiowy sieci bezprzewodowych dzięki ich różnorodnym zastosowaniom, począwszy od statycznych czujników ze sporadyczną łącznością, a skończywszy na ruchomych czujnikach z z krótkim czasem opóźnienia transmisji. Analitycy rynku szacują, że do 2020 r. uruchomionych podłączonych będzie 3 miliardy takich urządzeń. Zdolność do rozwoju sieci dostępu radiowego i implementacji usług NB-IoT jest krytyczna dla operatorów komórkowych i użytkowników. CellAdvisor firmy VIAVI umożliwia pomiary wykonywane w czasie instalacji i utrzymania sieci w celu oceny właściwych parametrów aktualnie używanych usług sieciowych, jak również przyszłych technologii zagęszczania sieci, obejmujących NB-IoT.
Literatura
-
Global IoT: A Billion Not Trillion Dollar Opportunity, Strategy Analytics, April 2017
-
3GPP Low Power Wide Area Technologies, GSMA, October 2016
-
3GPP TR 45.820 V13.1.0 – Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput Internet of Things (CIoT)
-
3GPP TS 36.104 V14.3.0 – Base Station (BS) radio transmission and reception