5G LTE窄带物联网(NB-IoT) 5_lte网络是不是窄带

第2章  4G和5G系统

 

 

2.1 LTE历史

4G蜂窝技术，即E-UTRA或LTETM [2]，已于2008年在3GPPTM第8版中被引入，作为超出IMT-2000要求的宽带蜂窝技术[1]。 4G具有先进的功能和特性，例如更高的峰值数据速率（DL上为300 Mbps，UL上为75 Mbps），更高的系统容量和覆盖范围，更高的频谱效率，低延迟，更低的运营成本，多天线支持，灵活的带宽操作，与现有系统无缝集成。后来推出了LTE版本10（称为LTE-Advanced）作为满足IMT-Advanced要求的技术[3]。 LTE-Advanced通过载波聚合支持高达100 MHz的带宽扩展，显着增强了LTE版本8，支持更高的峰值速率（DL中为1 Gbps，UL中为500 Mbps），吞吐量和覆盖范围更高，延迟更低，从而实现了更好的用户体验。此外，LTE版本10支持更多数量的空间复用（MIMO），协调多点传输和中继节点。 2016年发布的LTE版本13（LTE-Advanced-Pro）将LTE-Advanced扩展到广泛的新应用和行业，支持智能手机以外的新用例。第13版是5G之前活动的开始，旨在补充5G新服务和功能。

 5G旨在支持国际电联对IMT-2020能力的要求[4]，如图2.1所示。用于增强型移动宽带的IMT-2020峰值数据速率预计将达到10 Gbps，并可提高至20 Gbps。与IMT-Advanced相比，预计频谱效率将提高三倍。预计IMT-2020将支持10 Mbit / s / m2的区域流量容量，以应对热点。 IMT-2020将能够提供1 ms的空中延迟，能够以极低的延迟要求支持服务。预计IMT-2020还可实现高达500 km / h的高移动性，并为高速列车提供可接受的服务质量（QoS）。最后，预计IMT-2020将支持每公里多达10台设备的连接密度，例如，在大型机器类型的通信场景中。

图2.1：国际电联IMT-2020和5G能力的目标[4] .1

 

5G无线通信网络是未来十年及以后的下一代连接和技术，其设立是为了满足IMT-2020的要求[4]。 5G LTE标准化和规范已在3GPP Release 15中开始。基于LTE和新无线电（NR）的初始5G技术规范于2018年初作为第15版的一部分完成。预计第一阶段的5G技术规范到2018年全面完工，并准备在2020年前进行商业部署。

 1经国际电联书面许可转载。

5G技术承诺为互联世界提供大量最先进的功能，包括窄带物联网（NB-IoT）(术语\ NB-IoT，“\ CIoT”，“LTE IoT”，“或\ UE”可互换使用。) [5,6]。 5G正在提供丰富的功能，如联网汽车（车对所有（V2X）），机器类型通信，设备到设备通信，小型蜂窝和中继网络。此外，还有许多其他先进功能，包括大规模MIMO和先进天线技术，自适应波束成形，同步使用许可和未许可频段，统一和单一空中接口，可固定FDD / TDD子帧设计，以及可扩展的OFDM数字和调制方案。

 虽然4G LTE将在5G商用之前继续发展，但无处不在的下一代5G网络将支持许多新用例和垂直应用，即使是最先进的4G LTE网络也无法运行。从各种物联网部署到大规模机器类型的通信场景，5G网络将比我们今天拥有的移动宽带应用程序更多。这些网络将按照非常高的数据速率（高达20 Gbps）和超低延迟（低于1 ms）以及超高可靠性进行扩展，以容纳数十亿设备[7]。

2.2 5G窄带物联网

3GPP 5G技术在版本13中引入了新的无线接口，窄带物联网（NB-IoT）[5]，并在版本14和版本15中进行了扩展.NB-IoT旨在连接大量设备形成所谓的物联网（IoT）的应用领域范围。连接的设备通过蜂窝基础设施进行通信。 3GPP还引入了适用于NB-IoT的不同数据速率，其范围从180KHz带宽（LTE Cat-NB1）中的10s Kbps到几百Kbps（LTE Cat-NB2）[2,8]。用于NB-IoT的5G新无线电还计划为大规模物联网引入高级功能，包括资源扩频多址（RSMA），用于需要异步和无授权接入的物联网用例，多跳网格，省电模式（PSM）方案，和延长的非连续接收（eDRX），延长电池寿命。

 NB-IoT是一种低功耗广域网（WAN）解决方案，可在许可的频段中运行。 3GPP将此技术作为LTE标准的一部分，以受益于LTE技术和移动运营商提供的大型生态系统。

图2.2：IMT-2020及以后的使用场景[4] .3

 5G技术不仅可以增强现有的蜂窝用例，还可以扩展到用例和场景的新时代;大型物联网，智能家居，智能城市，智能交通，智能电网，智能公用事业和仪表，可穿戴设备和远程传感器，自动驾驶和自动驾驶车辆，物体跟踪，移动虚拟现实，航空和机器人的远程控制和过程自动化，以及任务关键型控制[9,10]。图2.2说明了国际电联[4]设定的IMT-2020及以后的设想使用方案示例。

 预计在未来几年内，物联网连接设备的数量将会出现爆炸式增长。例如，到2025年，预计将通过5G NB-IoT连接超过50亿台设备。 5G NB-IoT设备的设计符合以下要求和目标：

  大量低吞吐量设备：支持小区站点内至少52,547个连接设备。该目标基于每户使用40台设备，其住宅密度基于[11,12]中提供的伦敦城市假设（1517家庭密度/ km2和小区站点间距1732米）。

  低功耗：使物联网设备能够吸收低电流（在纳安范围内），使单个电池充电多年（在10年范围内）。

 3经国际电联书面许可后生产。

 更长的电池寿命：目标是提供10年的电池寿命，电池容量为5 WH。

  改善室内和室外覆盖：与传统GPRS设备相比，目标是实现20 dB的扩展覆盖。应支持至少160 bps的数据速率

 上行链路和下行链路。

  低复杂性：目标是提供超低复杂度的设备来支持物联网应用，从而降低成本。

  低延迟：99％的设备目标是10秒或更短的延迟。

  低成本：每台设备的目标成本为5美元。

NB-IoT设备连接到蜂窝基础设施和网络。支持NB-IoT设备的蜂窝网络具有以下要求和目标：

  重新使用核心网络中的现有节电程序以增加UE电池寿命。

  支持在多个移动运营商之间共享核心网络。

  控制每个PLMN的UE接入。也就是说，支持每PLMN访问类限制。

  支持短消息服务（SMS）。

  支持基于IP的服务的IP标头压缩。

  在IDLE和CONNECTED模式下支持单元选择和（重新）选择过程。

  支持组播流量。

2.3 NB-IoT应用和场景

许多NB-IoT部署方案将使用传感器。传感器正在成为NB-IoT网络的端点，收集越来越多的上下文感知数据和信息（例如，位置，图像，天气条件）并将大量结构化和非结构化数据注入到网络和应用中。因此，大数据，分析和预测已成为NB-IoT的明显同义词。那些用作传感器的NB-IoT设备可用于以下应用：

 计量燃气，水和电的消耗。

  测量天气条件，如温度，湿度，压力，风向和紫外线（UV）指数。

  测量碳排放，汞和放射性排放等污染水平。

  测量环境活动，如噪音，花粉和尘埃水平，以及太阳活动。

NB-IoT设备也可用作执行器。执行器用于控制和操纵设备，例如控制交通信号灯，交通车道或家用电器。用作传感器的NB-IoT设备通常比用作致动器的NB-IoT设备的数量更多。

 NB-IoT承诺创建一个高度互联的世界，需要使用传感器和数据分析来感知，监控和控制家庭，汽车，农业，工业和环境场所中的所有事件。传感器生成的传感器和数据由NB-IoT设备传输和交付，最终有利于利益相关者实时分析和应用见解。以下示例现在可以使用5G NB-IoT：

  智慧城市：监控公路交通信号灯和街道交叉路口，监控和控制基础设施网格，如电力，燃气和污水;公共安全和灾害管理;视频监控;交通违规;和执法。

  智能家居：照明系统，智能家电，联网电视，游戏机，声音和影院系统，烟雾和报警系统，可穿戴设备以及儿童和宠物监控设备。