《蜂窝物联网:技术、标准以及性能》

  • 来源专题:宽带移动通信
  • 编译者: wangxiaoli
  • 发布时间:2017-11-21
  • 3GPP为开发蜂窝物联网系统而进行的最新和快速的工作,让我们对3GPP有了了解。它展示了新的窄带物联网技术的设计以及GSM和LTE如何演进以提供蜂窝物联网服务。设计中采用的标准和标准化工作的目标都得以阐述,并介绍了各项技术的技术细节和性能。

    本书讨论了为物联网提供无线连接的整体竞争格局。介绍了一些在物联网市场上运行的最有前景的专有技术,并将它们与3GPP标准化的解决方案进行了比较。最后,将简要提供一个关于蜂窝物联网如何适应第五代通信系统的展望。

    主要特征:

    ? 对EC-GSM-IoT、LTE-M和NB-IoT技术进行了详细介绍

    ? 介绍3GPP蜂窝技术的模拟网络性能,并分析在非授权频谱下工作的非蜂窝式替代品的性能

    ? 包括使用在3GPP标准化过程中开发的采用最新技术的仿真模型来预测真实的性能水平

    学习:

    ? 蜂窝系统如何工作,以及如何设计它们以适应电信行业新出现的挑战性要求

    ? EC-GSM-IoT、LTE-M和NB-IoT物理层设计以及它们的空闲和连接模式过程

    ? 这些新系统在覆盖范围、电池寿命、数据吞吐量、服务延迟以及设备成本方面的预期性能怎么样

    ? 低功耗-广域物联网市场看起来是什么样的,以及可用的解决方案与现有无线电网络的性能和兼容性相比,有什么不同。

    ? 部署这些新系统可以实现怎样的系统容量和网络级别性能,并且,可能的部署选项。

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    • 多年来,蜂窝网络行业已经推出了多种无线技术,以推动物联网设备的连接入网。表1中列出的 蜂窝物联网 技术包括LTE Cat M、扩展覆盖GSM物联网(EC-GSM-IoT)和窄带物联网(NB-IoT)。这些技术的出现都是为了最大限度地降低蜂窝连接的附加成本,让远程无线连接的成本效益最大化。 最新推出的强大的蜂窝物联网技术,有望成为首个能够充分释放 5G 潜能的蜂窝物联网技术。3GPP R17标准引入了一些增强特性,使得轻量级5G设备或者RedCap设备能够在5G网络上运行。 顾名思义,5G RedCap设备通过5G网络接入互联网,但是它们并不像智能手机等传统设备以及其他在5G网络上运行的更先进的终端设备一样具备完整的功能(性能)。虽然可穿戴设备、传感器、监控设备和其他物联网设备等RedCap设备并不具备5G技术标准所要求的高吞吐量、大带宽和低时延能力,但是它们通常对功耗和成本有更为严格的限制。RedCap设备将受益于5G的大规模部署,同时利用较少的5G能力即可实现功能与成本和功耗的最佳平衡。 3GPP规范了RedCap设备的三大用例:工业传感器、监控设备和可穿戴设备。3GPP的技术报告(TR38.875版本)规定了每个用例的最大数据速率、端到端(E2E)延迟和服务可用性,如表2所示。 RedCap追求成本和性能的平衡 为了降低复杂度、成本和功耗,RedCap设备所需的天线数量比标准5G设备要少。这不仅降低了成本,还减少了多入多出(MIMO)层的最大数量。RedCap设备的下行链路仅支持2×2 MIMO,而上行链路仅支持单入单出。 RedCap设备支持的带宽比标准5G终端设备要低,较低的带宽可以有效降低功率放大器 (PA)的成本。RedCap设备只支持FR1频段的20MHz带宽和FR2频段的100MHz带宽。 3GPP R17为RedCap设备引入的另一个能够降低成本的增强特性是支持半双工FDD传输。虽然半双工FDD通过支持RedCap设备使用转换开关来代替全双工FDD所需的双工器,大幅降低了成本,但它确实存在着一些缺陷。RedCap设备无法同时发送和接收数据。这是因为设备使用半双工FDD也会产生一些问题: · 将无法在同一组信号集中同时检测下行链路和上行链路调度信息 · 不能在上行链路模式下监测下行链路信息 · 也无法在监测下行链路的同时发送上行链路控制信息 一旦出现冲突,RedCap设备能够根据具体实践来决定采取何种操作。 RedCap的低功耗增强特性 RedCap专门对5G规范进行了一些简化,以提高电源效率,最大限度地降低功耗,并延长RedCap设备的电池使用寿命。例如与完整的5G规范相比,RedCap采用了一种精简的网络监测方案。RedCap减少了设备在物理下行链路控制信道(PDCCH)中监测的盲解码和控制信道单元的数量,从而降低了用于执行这些任务所需的能耗。 RedCap实施的另一项降低功耗的策略就是扩展非连续接收(eDRX)周期。在设备处于非连接态或空闲态时,RedCap可以增加eDRX周期,大幅延长电池的使用寿命。更长的eDRX周期对于固定的无线传感器等特定用例是非常有益的,因为延长eDRX周期需要降低设备的可移动性。(设想一下,一个监测铁轨的无线传感器只需要定期连接到网络上来传输数据。) 此外,对于不处在小区边缘的设备,RedCap还放宽了对无线资源管理(RRM)的要求,并且引入了无线资源控制(RRC)非活动状态,允许终端设备在不切换RRC连接状态的情况下进行小批量的数据传输。这两项增强特性都是为了降低功耗,延长RedCap设备的电池使用寿命。 RedCap设备的复杂性降低 最后,RedCap的增强特性还体现在采取一系列简化措施来降低RedCap设备的复杂性。这些措施也可以降低功耗和设备成本,但它们的主要目的是为了降低设备的复杂性,这样射频元器件便能够匹配外形非常小巧或者具有非常规外形尺寸的设备(例如智能眼镜等可穿戴设备)。 RedCap为降低设备的复杂性所采取的简化措施包括:仅支持单一运营商(不支持运营商聚合),以及支持单一连接,让RedCap设备只能在5G独立模式下运行。RedCap还支持5G功率等级3,它限制了设备的等效各向同性辐射功率 (EIRP),从而缩小了设备电池的体积。 对5G网络的影响 上述的R17增强特性主要集中在RedCap设备上。但是RedCap的增强特性也对5G网络产生了影响。 RedCap给5G网络带来的最大影响是,在随机接入过程中以及设备保持连接时,网络必须适配RedCap的特定功能。为RedCap引入的新信息元素(IE)让带宽能够根据设备采取的操作进行动态匹配。例如,其中一些新的IE涉及到将RedCap终端设备接入小区或者使用半双工模式的许可。 (一些IE是RedCap设备接入小区的必要条件;当这些IE没有被检测到时,小区将禁止RedCap设备连接,RedCap设备将不得不启动RRC程序以连接到另一个它可以提供对应IE的小区)。 另一个新的IE让固定设备或者处在小区边缘的设备能够应用精简的RedCap技术标准。 一些新的IE则用于支持部分带宽(BWP)配置,它允许灵活地使用频谱,以便根据终端设备的需要自适应动态分配到的带宽,从而降低功耗。低带宽也会影响设备访问网络所使用的随机接入信道(RACH)程序。网络可以为RedCap设备指定一个BWP,或者减少这些设备连接到网络时所需的BWP大小。但是,这一改进给RedCap带来的价值有限,正是由于如上所述,RedCap设备支持的最大带宽为20MHz。 为了让网络能够支持RedCap设备,R17引入的新信令参数和程序要求设备工程师通过检查设备的兼容性来确保连接。5G设备的开发工程师出于调试的目的,还需要用特定的工具检查RedCap参数。 RedCap市场展望 未来几年,5G RedCap设备的落地应用前景一片光明。分析师预测,5G RedCap芯片组将于今年或者2024年问世,第一批商用RedCap设备也将在2025年或者2026年进入市场。2026年之后,随着各个行业以及消费者迫切希望采用支持5G连接的可穿戴设备来进行健康检测或者用于其他应用,商用RedCap设备的市场规模将急剧上升。比如,经济高效的无线传感器将用于工业领域的数据收集和资产追踪,一些监控设备也将用于智慧城市、工厂和其他应用场景。 与所有的蜂窝网络设备一样,5G RedCap设备在推向市场之前需要经过全面的测试,这一点至关重要。采用正确的测试方法对于验证5G RedCap设备的协议合规性和性能而言非常关键。 .
  • 《LTE标准引导海量物联网发展》

    • 来源专题:宽带移动通信
    • 编译者:wangxiaoli
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    • 贝尔维尤,华盛顿,2017年12月6日。5G美洲,代表美洲的5G和LTE发声的行业贸易协会,今天宣布出版《LTE的进步引导5G海量物联网发展》,此书主要来概述技术进步。它将支持可穿戴设备、医疗保健、联网车辆以及更多的物联网的市场增长。预计该市场将成为电信行业及其即将到来的下一代的主要业务驱动力。物联网将需要其各种使用案例的新技术要求。最近,业界已经创造了“海量物联网(MIoT)”这个术语,指的是可能会有数百亿的设备或机器的连接,这将需要在LTE标准中进一步定义,然后是5G。 “美国的一些移动电话服务提供商已经增加了更多的物联网连接,而不是移动电话连接。并且,3GPP在为跨多行业成功部署多种服务而确定标准所作出的努力,将有助于消费者和企业获取更多的成功”高通科技的技术营销部门人事经理Jean Au指出,她也是5G美洲所出版白皮书《LTE的进步引导5G海量物联网发展》的联合负责人。 如今,低功耗广域(LPWA)已经引起人们的关注,预计到2020年,诸如LTE-M(机器)和窄带物联网(NB-IoT)等基于蜂窝的技术将成为主流的LPWA标准。运营商可以根据自己的频谱组合、传统网络以及其所提供服务的需求,从数种蜂窝式物联网(CIoT)技术中进行选择。 LTE-M是增强型机器类型通信(eMTC)LPWA技术的商业术语,与NB-IoT一同发布在3GPP Release 13中。这两种技术将在后续版本中继续发展。它们得到了绝大多数主流移动制造商的支持,可以与2G、3G和4G蜂窝网络共存。由于它们是3GPP标准化的,并且运行在许可频谱上,因此与具有诸如电信级安全性等技术特性的非蜂窝物联网技术相比,它们具有明显的优势。 物联网的一般要求是低成本、高能效、无处不在的覆盖面和可扩展性(具有支持网络中大量连接的机器的能力)。在3GPP Release 13标准中,eMTC和NB-IoT均满足一般的物联网需求:它们支持带内或保护带操作;降低设备成本和复杂度;在网络中可以支持大量的物联网设备;延长电池寿命。2017年推出的3GPP Release 14中,引入了增强型移动性能、VoLTE(Voice over LTE)、支持更高的数据速率、广播(增强型组播下行链路传输)和改进的定位能力,以及CIoT的其他创新技术。 “鉴于4G已被设备激增、带宽需求旺盛的移动服务和动态信息访问所驱动,5G也将被物联网应用所驱动,”5G美洲通讯部负责人Vicki Livingston表示,“在未来IoT的使用案例范围将很广,目前市场正在向海量物联网部署和更先进的解决方案扩展,这些可被归类为关键物联网”。 为了达到3GPP定义的每平方公里拥有100万设备的大规模,移动网络必须更有效地支持最简单的设备。这些设备不常通信,并且能源效率极高,以便能提供极长的10年电池寿命。这一要求将适用于低能耗和良好覆盖率的低成本设备。另外,关键物联网的应用程序将对可靠性、可用性和低延迟提出很高的要求,这可以通过LTE或5G功能来实现。调制解调器成本的下降,不断发展的LTE功能和5G功能预计都会扩展关键物联网部署的应用范围。然而,在这两个极端之间存在许多用例,它们如今依赖于2G、3G或4G连接。 “网络连接对物联网来说至关重要,目前有许多无线接入技术在应用。然而,考虑到各种各样的用例、环境和需求,没有一种单一的连接技术或标准能够充分服务于所有的用例,因此,多种3GPP蜂窝技术标准的发展可以迎合未来。3GPP正紧随物联网的发展,以满足市场需求”5G美洲总裁Chris Pearson表示。 《LTE的进步引导5G海量物联网发展》是由诺基亚贝尔实验室的高级标准经理Betsy Covell、高通科技技术营销部人事经理Jean Au以及来自5G美洲理事会各成员公司的代表共同撰写,他们参与了本白皮书的制定。本白皮书可免费下载。