CC BY
141РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ NB-IoT
А.Е. Рыжков1
^анкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, Санкт-Петербург, 193232, Российская Федерация Адрес для переписки: [email protected]
Информация о статье
УДК 621.396.9 Язык статьи - русский
Ссылка для цитирования: Рыжков А.Е. Развитие технологии NB-IoT / / Труды учебных заведений связи. 2017. Т. 3. № 4. С. 94-101.
Аннотация: Рассмотрены характеристики физического уровня технологии NB-IoT на основе релизов 13-15 спецификаций стандарта LTE, включая сигналы синхронизации и преамбулу запроса на доступ к сети. Представлены форматы транспортных блоков, обсуждаются особенности передачи трафика вниз и вверх. Дана оценка пропускной способности каналов передачи трафика NB-IoT.
Ключевые слова: NB-IoT, физический уровень, передача трафика, транспортный блок, пропускная способность.
Введение
Технология узкополосного беспроводного интернета вещей (NB-IoT, от англ. Narrowband Internet of Things) введена в Rel.13, 14 спецификаций стандарта LTE (E-UTRA). В сравнении с ранее предложенной в LTE технологией интернета вещей LTE-M с полосой радиоканала 1,4 МГц полоса канала в NB-IoT составляет 180 (200) кГц, что соответствует полосе, занимаемой одним ресурсным блоком в широкополосных сетях LTE. Полоса в 200 кГц совпадает с полосой радиоканала стандарта GSM.
Появление этой технологии открывает новые возможности для реализации узкополосного беспроводного доступа в сетях IoT с выходом на всемирную пакетную сеть LTE. Первые обзоры по технологии NB-IoT появились в конце 2016 г. [1, 2]. С выходом новых версий спецификаций LTE возрастает число диапазонов для развертывания сетей NB-IoT, введена новая категория абонентского оборудования NB2, рассчитанная на передачу и прием пакетов увеличенного объема.
Хотя в основу физического уровня стандарта NB-IoT положены базовые принципы широкополосного стандарта LTE (технологии OFDM при передаче вниз и SC-FDMA при передаче вверх с сохранением многих параметров радиоинтерфейса), в NB-IoT изменены временные и спектральные характеристики. Особенно это относится к каналам передачи вверх, где наряду с «классической» сеткой поднесущих в 15 кГц используют сетку с расстоянием между поднесущими в 3,75 кГц. Принципиальные изменения произошли в механизме передачи транспортных блоков. Передача одного пакета вниз может растягиваться на не-
сколько субкадров, а в направлении вверх вообще введена новая характеристика канального ресурса - ресурсная единица (РЕ), временные характеристики которой зависят от числа выделенных абоненту поднесущих частот. Частичное использование канального ресурса при передаче вверх позволяет одновременно обслуживать в этом направлении несколько устройств.
Поэтому представляется важным рассмотреть определяющие функционирование сети NB-IoT характеристики физического уровня в динамике их развития. Следующей задачей является оценка пропускной способности каналов При
написании статьи были использованы материалы спецификаций LTE Rel.14, 15, опубликованные в декабре 2016 - ноябре 2017 гг.
Основные характеристики физического уровня технологии ^-1оТ
Устройства NB-IoT работают в полосе 180 (200) кГц, что потребовало изменений на физическом уровне в сравнении с классическими сетями LTE с шириной полосы 1,4-20 МГц. Прежде всего, это относится к передаче синхронизирующих сигналов, каналу передачи системной информации, запросам на доступ к сети, поскольку эти сигналы и каналы в LTE занимают полосу в 1,4 МГц.
Возможны следующие варианты реализации сетей NB-IoT (рисунок 1):
- работа внутри выделенной оператору LTE рабочей полосы;
- работа внутри защитного интервала между выделенными полосами рабочих частот;
- одиночный режим работы в стандартном частотном канале 200 кГц;
- внутри диапазона частот сети GSM.
■RI
1 1|11 1
■V
а)
в)
Рис. 1. Выделение каналов для NB-IoT (режим работы / несущие): а) внутри полосы / LTE; б) внутри защитного интервала / LTE; в) одиночный / GSM
Предусмотрены 2 варианта передачи трафика в сетях NB-IoT (рисунок 2). В стандартном варианте сообщения трафика формируют в виде Интернет-дейтаграмм и его передают в пользовательской плоскости через шлюзы S-GW и PDN-GW. В другом варианте трафик следует как псевдо-сигнальные сообщения через ММЕ и шлюз SCEF (Service Capability Exposure Function), специально введенный для обмена небольшой по объему информацией без «излишеств» формата Интернет-пакетов.
Рис. 2. Варианты передачи трафика в N3-101
Диапазоны частот для ЫБ-1оТ в соответствии с [3] приведены в таблице 1. Черным цветом в таблице 1 помечены диапазоны, специфицированные в Яе1.13, синим - добавленные в Яе1.14, и красным - в Яе1.15.
Передача трафика идет в режиме полудуплекса. Терминал иЕ, находящийся в активном состоянии, либо принимает трафик, либо его передает.
При передаче вниз на физическом уровне NB-IoT определены каналы синхронизации NPSS: первичный и вторичный, а также каналы:
- передачи данных NPDSCH (от англ. Narrowband Physical Downlink Shared Channel);
- управления NPDCCH (от англ. Narrowband Physical Downlink Control Channel);
- передачи системной информации NPBCH (от англ. Narrowband Physical Broadcast Channel).
ТАБЛИЦА 1. Диапазоны частот для NB-IoT
Номер диапазона Частоты передачи вверх ( Т ) UE ^ eNB (МГц) Частоты передачи вниз(X) eNB ^ UE (МГц)
F Тмин - F Тмакс F-l-мин - Flмакс
1 1920 - 1980 2110 - 2170
2 1850 - 1910 1930 - 1990
3 1710 - 1785 1805 - 1880
4 1710 - 1755 2110 - 2155
5 824 - 849 869 - 894
8 880 - 915 925 - 960
11 1427,9 - 1447,9 1475,9 - 1495,9
12 699 - 716 729 - 746
13 777 - 787 746 - 756
14 788 - 798 758 - 768
17 704 - 716 734 - 746
18 815 - 830 860 - 875
19 830 - 845 875 - 890
20 832 - 862 791 - 821
21 1447,9 - 1462,9 1495,9 - 1510,9
25 1850 - 1915 1930 - 1995
26 814 - 849 859 - 894
28 703 - 748 758 - 803
31 452,5 - 457,5 462,5 - 467,5
66 1710 - 1780 2110 - 2200
70 1695 - 1710 1995 - 2020
71 663 - 698 617 - 652
72 451 - 456 461 - 466
74 1427 - 1470 1475 - 1518
Структура кадра вниз ЬТЕ сохраняется. Кадр длительностью 10 мс состоит из 10 субкадров по 1 мс (два слота по 0,5 мс). Канальный ресурс выделяют на ресурсный блок (РБ), где в полосе 180 кГц передача идет на 12 поднесущих с разносом между частотами 15 кГц. Во временной области в каждом слоте передают 7 ОРЭМ-символов (14 в субкадре) Распределение каналов показано на рисунке 3.
Каждый кадр начинается передачей канала ЫРБСИ, который занимает нулевой субкадр. В каждом 5-м субкадре передают сигнал ЫРББ, а в последнем субкадре каждого четного кадра сигнал НБББ. В оставшихся свободных субкадрах размещают каналы ЫРОБСИ или ЫРОССИ.
NPBCH NPSS NSSS
0 1 2 Э 4 5 б 7 8 9
10 мс Четный кадр
NPBCH NPSS
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
10 КС
Нечетный кадр
Рис. 3. Выделение канального ресурса для NB-IoT
Базовая станция в сетях NB-IoT может работать с одной или двумя антеннами (антенные порты R2000 и R2001). Через эти порты передают специальные для NB-IoT опорные сигналы (рисунок 4а). Если канальный ресурс для NB-IoT выделен в полосе действующей сети LTE, то в РБ передают также опорные сигналы широкополосной сети R0, R1, а при размещении символов канала NPDSCH резервируют 1-3 OFDM-символа слева для передачи канала управления PDCCH широкополосной сети (2 OFDM-символа на рисунке 4б).
а)
б)
Рис. 4. Структуры РБ при передаче трафика вниз в NB-IoT
И первичный NPSS, и вторичный NSSS синхронизирующие сигналы построены на основе ZC-последовательностей. ZC-последовательности ши-
роко используют в стандарте LTE [4]. Исследование корреляционных свойств сигналов на основе 7С-последовательностей в широкополосном (классическом) варианте стандарта LTE произведено в [5, 6]; корреляционные характеристики сигналов №88 и N888 оценены в [7].
Позиционирование сигнала №88 в субкадре показано на рисунке 5. Он занимает площадь, ограниченную ОРЭМ-символами 1 = 3-13 и поднесущи-ми л = 0-10, всего 121 ресурсный элемент. Три ОРЭМ-символа слева остаются пустыми, что позволяет размещать в них канал РЭССИ при выделении канального ресурса для NB-IoT внутри рабочей полосы широкополосного канала LTE. Черным цветом на рисунке 5 показаны опорные сигналы широкополосной LTE. В этих ресурсных элементах символы сигнала №88 «выкалывают».
[I 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Рис. 5. Структура субкадра с каналом
Сигнал N888 размещают аналогичным образом, разница в том, что он занимает поле с 1 = 3-13 и поднесущими п = 0-11 (132 ресурсных элемента).
Сигнал №88 генерируют в виде 7С-последова-тельности длиной в 11 символов с корневым индексом и = 5:
dl(n)=S(l)^e
-у
.пип(п+1)
п = 0,1,...Д0.
(1)
Эту последовательность повторяют 11 раз в OFDM-символах l = 3-13 с коэффициентами S(l), приведенными в таблице 2 [8].
ТАБЛИЦА 2. Коэффициенты S(l)
l 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
3(l) 1 1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1 1
Расположение отсчетов сигналов ds(n] и di(n) с коэффициентами S(l) равными +1 и -1 показано на рисунке 6.
Прием сигнала NPSS позволяет UE определить границы кадра. В отличие от сигнала PSS в LTE сигнал NPSS не содержит информации об идентификаторе соты Nfê11. Эту информацию UE получает из сигнала NSSS.
11
Рис. 6. d,(л)-последовательности сигнала NPSS
В качестве сигнала NSSS используют ZC-после-довательность d(n), формируемую по следующему закону:
пипг(пг+1)
d(n) = bJm)e-j2nefne-1 Ш ,
(2)
где:
п = 0,1,. ..,131; п' = п mod 131; т = п mod 128;
=
mod 126 + 3;
N,
Cell
ч Ьч(0).....Ъч (127)
0 [l l l l l l l l l l ... 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1]
1 [1-1-1 1-1 1 1-1-1 1 ... 1 1-1-1 1-1 1 1-1]
2 [1-1-1 1-1 1 l-l-l l ...-1-1 1 1-1 1-1-1 1]
3 [1-1-1 1-1 1 l-l-l l ... l l-l-l 1-1 1 1-1]
Циклический сдвиг ву определяется номером передаваемого кадра п^ по формуле:
33
вг=—(пг/2)той4.
Пример смоделированной последовательности d(n) при Nfé11 = 0 (q = 0,и = 3) приведен на рисунке 7.
Рассмотрим передачу данных по каналу NPDSCH. В [8, 9] специфицированы возможные варианты передач транспортных блоков вниз.
Рис. 7. d(n) -последовательность сигнала NSSS
Максимальный размер транспортного блока определяется категорией мобильного терминала. К настоящему моменту специфицировано 2 категории терминалов для ЫБ-1оТ: ЫБ1 и ЫБ2. Их характеристики приведены в таблице 4.
ТАБЛИЦА 4. Характеристики терминалов N3-101
126
Как и в широкополосных сетях LTE, в NB-IoT определены 504 идентификатора соты Nfê11. При этом, если соединения NB-IoT организованы внутри широкополосного канала LTE, то Nfê11 обеих сетей могут совпадать, а могут и различаться.
В качестве коэффициентов bq(m) используют двоичные взаимноортогональные последовательности длиной в 128 бит, представленные в таблице 3 [8].
ТАБЛИЦА 3. Определение значений bq(m)
Категория NB1 NB2
Релиз Rel.13 Rel.14
Максимальный размер транспортного блока вниз, бит 680 2536
Максимальный размер транспортного блока вверх, бит 1000 2536
Максимальный размер буфера на уровне Ь2, байт 4000 8000
При передаче вниз в канале ЫРОБСИ используют модуляцию 4-ФМ. При этом в отличие от широкополосных сетей ЬТЕ, где транспортный блок размещают в одном субкадре, в ЫБ-1оТ его передача может растягиваться на несколько последовательных субкадров, от 1 до 10.
В таблице 5 представлены размеры транспортных блоков в битах при передаче вниз в зависимости от модуляционно-кодирующих схем 1мсб и числа занимаемых при передаче субкадров Ибе. В таблице 5 цветом выделены форматы транспортных блоков, реализуемые при использовании терминалов категории ЫБ1.
Передача трафика вниз может идти как с подтверждением, так и без подтверждения принятых блоков. Для обеспечения необходимой надёжности возможна повторная передача информационных блоков. Предусмотрено 15 вариантов повторов передачи блока по каналу ЫРОБСИ: 2, 4, 8, ... 2048 раз.
Более серьезные нововведения в ЫБ-1оТ относятся к организации физических каналов вверх. В полосе 180 кГц используют 2 варианта формирования ресурсной сетки поднесущих. В первом, как и в широкополосных сетях ЬТЕ, временной слот длительностью 0,5 мс содержит 12 поднесущих с разносом по частоте ДЕ = 15 кГц и 7 ресурсных элементов (РЭ) на каждой поднесущей. Во втором варианте в полосе 180 кГц размещают 48 поднесущих с сеткой частот ДЕ = 3,75 кГц и с 7 РЭ (/ = 0...6) на
и
одной поднесущей (рисунок 8). Длительность слота составляет 2 мс. В обоих вариантах при передаче вверх используют технологию 8С-Р0МЛ.
2 мс
О 1 2 3 4 £ а
Рис. 8. Структура слота с 48 поднесущими
При передаче вверх на физическом уровне NB-IoT определены каналы:
- передачи данных NPUSCH (от англ. Narrowband Physical Uplink Shared Channel);
- доступа к сети NPRACH (от англ. Narrowband Physical Random Access Channel).
По каналу NPRACH UE посылает преамбулу запроса на доступ к сети. Трафик вверх передают по каналу NPUSCH. В отличие от передачи вниз при передаче вверх можно использовать часть поднесущих частот радиоканала. При этом специфицировано 2 формата передачи вверх: формат 1 и формат 2 (таблица 6). Формат 2 используют только для передачи управляющей информации. РЕ формируют на одной поднесущей длиной в 4 слота. При AF = 3,75кГц длительность РЕ составляет 8 мс, а в первых трёх РЭ каждого слота размещают опорные сигналы демодуляции (1 = 0, 1, 2 на рисунке 8). При AF = 15кГц передача РЕ занимает 2 мс, под опорные сигналы демодуляции занимают 2, 3 и 4 РЭ каждого слота. В каналах NPUSCH в формате 2 применяют модуляцию 2-ФМ.
ТАБЛИЦА 6. Варианты формирования ресурсных единиц
Форматы передачи NPUSCH Ширина поднесущей, кГц Число поднесущих Число слотов в РЕ Длительность РЕ, мс
3,75 1 16 32
1 16 8
Формат 1 15 3 8 4
6 4 2
12 2 1
Формат 2 3,75 1 4 8
15 1 4 2
При передаче в формате 1 в случае Д^ = 3,75 кГц РЕ составляет одна поднесущая и 16 слотов со временем передачи 32 мс. Опорный сигнал демодуляции размещают в РЭ 1 = 4 на рисунке 8. При передаче используют модуляцию (п/2)2-ФМ.
При работе с сеткой Д^ = 15 кГц в таблице 6 специфицированы 4 варианта формирования РЕ. Фактически это означает, что при использовании последних трех вариантов передают одно и то же число символов, растягивая передачу во времени. При выборе РЕ с одной поднесущей число символов в РЕ снижается вдвое. Во всех вариантах РЕ расположение опорных сигналов демодуляции в слотах соответствует принятому в широкополосных сетях LTE (1 = 3).
Модуляция при использовании РЕ из одной под-несущей может быть (п/2)2-ФМ или (п/4)4-ФМ. Во всех других вариантах при работе с Д^ = 15 кГц модуляция 4-ФМ.
Модуляционно-кодирующие схемы при передаче вверх такие же, как и при передаче вниз, но максимальный объем транспортного блока увеличен до 1000 бит для станций NB1 и составляет 2536 бит для станций NB2 (таблица 7).
ТАБЛИЦА 7. Форматы передач трафика вверх
Imsc Nru
1 2 3 4 5 6 8 10
0 16 32 56 88 120 152 208 256
1 24 56 88 144 176 208 256 344
2 32 72 144 176 208 256 328 424
3 40 104 176 208 256 328 440 568
4 56 120 208 256 328 408 552 680
5 72 144 224 328 424 504 680 872
6 88 176 256 392 504 600 808 1000
7 104 224 328 472 584 712 1000 1224
8 120 256 392 536 680 808 1096 1384
9 136 296 456 616 776 936 1256 1544
10 144 328 504 680 872 1000 1384 1736
11 176 376 584 776 1000 1192 1608 2024
12 208 440 680 1000 1128 1352 1800 2280
13 224 488 744 1128 1256 1544 2024 2536
ТАБЛИЦА 5. Форматы передач трафика вниз
Imsc Nsf
1 2 3 4 5 6 8 10
0 16 32 56 88 120 152 208 256
1 24 56 88 144 176 208 256 344
2 32 72 144 176 208 256 328 424
3 40 104 176 208 256 328 440 568
4 56 120 208 256 328 408 552 680
5 72 144 224 328 424 504 680 872
6 88 176 256 392 504 600 808 1032
7 104 224 328 472 584 680 968 1224
8 120 256 392 536 680 808 1096 1352
9 136 296 456 616 776 936 1256 1544
10 144 328 504 680 872 1032 1384 1736
11 176 376 584 776 1000 1192 1608 2024
12 208 440 680 904 1128 1352 1800 2280
13 224 488 744 1128 1256 1544 2024 2536
Передача одного транспортного блока может занимать от одного до 10 РЕ. Варианты транспортных блоков в таблице 7 для терминалов ЫБ1 выделены цветом. Максимальная скорость передачи данных вверх соответствует максимальной скорости при передаче вниз. Для повышения надежности связи предусмотрена повторная передача блоков, где число повторов может составлять от 2 до 128.
Сравнивая таблицы 5 и 7, легко заметить, что они заполнены одинаковыми числами. Однако между этими таблицами существует принципиальная разница. Если в таблице 5 в строках время передачи транспортного блока вниз определяется в 1 мс субкадрах, то в таблице 7 в строках время указано в РЕ, длительность которых зависит от выделенного числа поднесущих вверх.
Для сетей ЫБ-1оТ разработана совершенно новая преамбула запроса на доступ к сети, передаваемая по каналу ЫЯЛСИ. Преамбула построена в виде конструкции, состоящей из 4 символьных групп, формируемых на разных поднесущих в сетке из 48 поднесущих. При этом 48 частот разбиты на 4 подгруппы с номерами поднесущих {0-11}, {12-23}, {24-35} и {36-47} соответственно. Все символьные группы в одном цикле преамбулы передают на разных поднесущих, но только в пределах одной подгруппы.
На рисунке 9 показаны 3 цикла повторно передаваемой преамбулы, где каждая символьная группа представлена синим прямоугольником. Сама символьная группа состоит из 5 символов сетки из 48 поднесущих (длительность символа 266,66 мкс) и циклического префикса длиной 66,7 или 266,7 мкс. Следовательно, передача одной символьной группы составляет 1,4 или 1,6 мс, а одного цикла преамбулы - 5,6 или 6,4 мс. В зависимости от уровня покрытия сота может дать указание иЕ повторно передавать 2, 4, 8, 16, 32, 64 или 128 циклов преамбулы.
Рис. 9. Структура преамбулы в сети NB-IoT в подгруппе{12-23}
Алгоритм выбора подгруппы поднесущих для формирования преамбулы и поднесущих в подгруппе приведен в [8, subclause 10.1.6]. Его можно
пояснить следующим образом. Выбор подгруппы поднесущих производит иЕ на основе информации, полученной от еЫБ. Поднесущую для передачи первой символьной группы пбп в первом цикле передачи внутри подгруппы иЕ выбирает случайно; на рисунке 9 та = 21. Далее в каждом цикле преамбулы следуют жесткие правила смены под-несущих частот. Номер поднесущей для передачи второй символьной группы та = пбс1 ± 1. Знак «+» используют в том случае, если пбс1 был четным и знак «-», если пбс1 был нечетным. Номер поднесущей для передачи третьей символьной группы пбсз = пбс2 ± 6. Знак «+» используют, если пбс2 находился в нижней половине подгруппы, а знак «-», если в верхней. Наконец, номер поднесущей для передачи четвертой символьной группы определяют по правилу выбора номера поднесущей для второй символьной группы: пбс4 = пбсз ± 1. При передаче повторных циклов преамбулы номер поднесущей для передачи первой символьной группы в каждом новом цикле определяется номерами поднесущих предыдущего цикла и идентификатором
Cell
Качественные характеристики каналов ^-1оТ
При организации сетей ЫБ-1оТ, естественно, требуется обеспечение таких характеристик, как пропускная способность, надежность, задержки.
Пропускную способность сети ЫБ-1оТ можно оценить числом передаваемых пакетов за единицу времени (1 секунду). Для определения средней длины пакетов воспользуемся статистикой трафика в Интернете, основанной на распределении Парето с ограничениями [10]. Плотность распределения вероятности для ограниченного распределения Парето:
fk(x) =
ака
1
er
• X
k<x<L,
(3)
0 <a <2,
где к - минимальная, а Ь - максимальная длина пакета.
Математическое ожидание длины пакета равно:
М[х] =
a(Lka - Lak)
(4)
и при заданных к и L зависит от параметра прогиба кривой плотности распределения а.
Максимальную длину дейтаграммы L примем равной 1500 байт. Минимальная длина информационной части сообщения может составлять 1 байт. Однако при передаче пакетов по радиоканалу к ней необходимо добавить объем сжатых IP/TCP (UDP) заголовков (3 байта) и минимальную суммарную длину заголовков подуровней PDCP, RLC, MAC (3 байта). С учетом этого минимальное M[x] составляет 9 байт (72 бита). Сообщения, которые передаются в виде псевдо-сигнального
трафика Non Access Stratum, не обрабатывают на подуровне PDCP, но к ним, кроме заголовков подуровней RLC и MAC, будет присоединено поле проверки целостности длиной в 32 бита.
При расчете числа передаваемых пакетов вниз введем следующие параметры и допущения. В соответствии с рисунком 3 около 25 % времени отведено на передачу синхронизирующих сигналов и канала управления NPBCH. Загрузку канала р принимаем равной 0,5 и 0,7. На передачу канала NPDCCH, под который выделяют отдельные субкадры, отведем 30 % времени передачи трафика вниз. В соответствии с таблицей 5 выбираем мо-дуляционно-кодирующие схемы IMCS и указываем число субкадров NSF, необходимых для передачи одного пакета. Результаты расчетов пропускной способности вниз для однократной передачи сообщения Nmes, двукратной передачи четырехкратной передачи Nпри M[x] = 366 бит и 72 бита сведены в таблицу 8.
ТАБЛИЦА 8. Пропускная способность канала NB-IoT вниз
M[x] 360 бит 72 бита
IMCS 11 6 4 2 5 2 1
nsf 2 4 6 10 1 2 4
Р 0,5
N ' "mes 122 61 40 24 245 122 61
Nrep2 61 30 20 12 122 61 30
Nrep4 30 15 10 6 61 30 15
р 0,7
N ' "mes 183 91 61 36 366 183 91
Nrep2 91 45 30 18 183 91 45
Nrep4 45 22 15 9 91 45 22
Необходимо также учитывать задержки, обусловленные процедурой запросов на доступ иЕ к сети и подключения к ней.
В [11] приводится прогноз статистики соединений 1оТ в сотовых сетях и соединений №-1оТ, представленный Technology&Telecommunications (рисунок 10).
Для передачи трафика вверх существует множество различных сценариев в зависимости от того, сколько поднесущих выделено в РЕ и какую моду-ляционно-кодирующую схему используют. При оценке пропускной способности канала вверх необходимо учитывать время, отводимое на передачу преамбул запросов на доступ к сети. При загрузке канала р = 0,7 и размещении одного пакета в одном РЕ можно передавать до 500-600 одиночных пакетов трафика в секунду.
Надежность передачи в сетях №-1оТ обеспечивается:
- HARQ с повторной передачей непринятых пакетов;
- многократной передачей сообщений трафика и сигнализации.
Задержка в доставке трафика определяется:
- выбором формата передачи (минимальное время передачи 1 мс;
- задержкой начала передачи после получения сообщения по каналу №ЭССИ;
- загрузкой сети (ожиданием в очереди).
• М2М • МВ-[оТ
Рис. 10. Статистика соединений беспроводного сотового интернета вещей
Заключение
Технология NB-IoT предоставляет большие возможности для широкого развертывания самых разных структур интернета вещей. В настоящее время сети №-1оТ проходят стадию испытаний во многих странах Европы (включая Россию), Юго-Восточной Азии, в Китае, Австралии и США, хотя в США операторы более ориентированы на использование технологии LTE-M с полосой радиоканала в 1,4 МГц. Согласно отчету С8Л к ноябрю 2017 г. фирмами-производителями аппаратуры выпущены 33 устройства категории ^1, обеспечивающих передачу данных со скоростями от 10 до 100 кбит/с. В процессе проводимых испытаний операторы совместно с представителями фирм отрабатывают важнейшие характеристики КР1: уровни покрытия территории, включая проникновение сигналов в здания, доступность сетей для пользователей, надежность передачи информации, пропускную способность и задержки. Отметим, что в сравнении с сетями LTE-M при той же номинальной мощности передатчиков терминалов (23; 20 дБм) допустимые потери на трассах в сетях NB-IoT возрастают на 8дБ. Выпуск аппаратуры категории NB2 даст возможность увеличить скорость передачи данных вниз до 120 кбит/с, а вверх - увеличить до 160 кбит/с.
Дальнейшее развитие технологии №-1оТ предполагает ужесточение режима экономии энергии, в частности, увеличение времени отключения устройств от сети в режиме ЭТХ с 2,56 секунд до десятков минут и удлинение пауз при приеме сигналов пейджинга.
В целом перспективы развития сетей NB-IoT напрямую связаны с модернизацией структур радиодоступа при переходе к сетям 5G. Здесь прежде всего следует указать на использование многослойных структур (network slicing), позволяющих организовывать для сетей NB-IoT вертикальные слои, в свою очередь, разделенные на горизонтальные для разных операторов, организаций и отдельных групп аппаратных устройств (например,
устройств с групповым вызовом - multicast service Многослойные структуры позволят упростить ядро сети, оптимизируя использование сетевых ресурсов. Появляется также информация о создании выделенных и частных сетей NB-IoT, работающих как в лицензированных, так и в нелицензирован-ных диапазонах спектра аналогично сетям LTE MulteFire Alliance.
Список используемых источников
1. Алексеев В. Технология мобильной связи для IoT стандарта 3GPP Rel.13 // Беспроводные технологии. 2016. № 4. С. 44-55.
2. Narrowband Internet of Things. Whitepaper. Rohde&Schwarz. 2016. URL: https://cdn.rohdeschwarz.com/pws/dl_ downloads/dl_application/application_notes/1ma266/1MA266_0e_NB_IoT.pdf
3. 3GPP TS 36.101 V15.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA). User Equipment (UE) radio transmission and reception. 2017. 1547 р.
4. Рыжков А.Е., Сиверс М.А., Бабкин А.С., Пыленок А.М., Трофимов А.П. Сети стандарта LTE. Развитие технологий радиодоступа. СПб: СПбГУТ, 2015. 256 с.
5. Lavrukhin V.A., Lazarev V.O., Ryjkov A.E. Correlation Properties Comparative Analysis of Pseudorandom Binary Sequences and LTE standard ZC sequences // Lecture Notes in Computer Science. 2016. Vol. 9870. P. 414-425.
6. Лазарев В.О., Рыжков А.Е. Исследование ZC-последовательностей, используемых в стандарте LTE // Информационные технологии и телекоммуникации. 2016. Т. 4. № 1. С. 79-86.
7. Лазарев В.О., Рыжков А.Е. Исследование ZC-последовательностей в сетях NB-IoT LTE // Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании. VI Международная научно-техническая и научно-методическая конференция: сборник научных статей в 4-х т. СПб.: СПБГУТ. 2017. Т. 1. С. 223-228.
8. 3GPP TS 36.211 V14.4.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA). Physical Channels and Modulation. 2017. 197 р.
9. 3GPP TS 36.213 V14.4.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA). Physical Layer Procedures. 2017. 461 p.
10. Галкин A.M., Симонина О.А., Яновский Г.Г. Анализ характеристик сетей NGN с учетом свойств самоподобия трафика // Электросвязь. 2007. № 12. С. 23-26.
11. Number of Cellular Internet of Things (M2M and NB-IoT) Connections Worldwide from 2015 to 2021 (in millions).
2017. URL: https://www.statista.com/statistics/671216/global-m2m-and-nb-iot-connections-forecast/
* * *
NB-IoT TECHNOLOGY IN PROGRESS
A. Ryzhkov1
!The Bonch-Bruevich State University of Telecommunications, St. Petersburg, 193232, Russian Federation
Article info
Article in Russian
For citation: Ryzhkov A. NB-IoT Technology in Progress // Proceedings of Telecommunication Universities. 2017. Vol 3. Iss. 4. PP. 94-101.
Abstract: On the basis of LTE specifications (Releases 13-15) NB-IoT technology physical level channels and signals are considered, including synchronization signals and preamble for random access procedure. Transport block formats are presented, differences in downlink and uplink traffic channel structures are discussed. NB-IoT traffic channel throughtput is estimatied.
Keywords: NB-IoT, physical level, traffic, transport block, channel throughtput.
