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

  • Moc w kanale

  • Zajmowane pasmo

  • Moc w sąsiednim kanale

  • Maska widmowa emisji

  • Emisje niepożądane

  • GSM, GPRS, EDGE

  • CDMA, EVDO

  • WCDMA, HSDPA

  • LTE, LTE-Advanced

  • eMBMS

  • NB-IoT

CellAdvisor

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