NBIOT系统概述及3DMIMO原理技术介绍课件.ppt

1、Massive IoT 应用特点 当前采用2/3/4G承载物联网应用的主要问题 终端功耗过高（使用5Wh电池，2G终端待现网能力差距 2/3G无法满足海量终端应用需求（每 200kHz带宽下：2G：2.5万3G：3万） 典型场景网络覆盖不足，例如：室内的无 线抄表、边远地区的环境监控和地下资源 监控（ 4G规划指标穿透1层墙） 终端种类多、批量小，开发门槛高，通信 模块成本高，综合成本高 海量终端 增强型能源效率 低成本 低数据吞吐量 静态应用场景 广覆盖 近期主流物联网应用对通信技术提出新的需求 中速率 (1-10Mbps) 智能建筑，电梯卫士，低 端M2M汇聚等 低速率 (200kbps)

2、 抄表，停车，物流监控，农林 牧渔，传感，追踪业务等 LPWALPWA 高速率 (10Mbps) 视频监控、智慧 医疗、智慧城市 等 ? MTC/eMTC/LTE-V ? 2G: GPRS|CDMA2K1X ? 4G: LTE/LTE-A ? 3G: HSPA/EVDO/TDS ? WiFi 802.11技术 网络要求 2020年全球CIoT连接占比分布 ? NB-IoT ? SigFox/LoRa ? 短距无线，如 ZigBee 5% 25% 70% 网络接入技术 ? 高速率(10Mbps) ? 中速率(1-10Mbps) ? 低功耗 ? 低速率(200Kbps) ? 深度覆盖(20dB)

3、? 低功耗(10年) ? 低成本(5$) 物联网市场分类和竞争技术 LPWA(Low Power Wide Area, 低功耗广覆盖)应用占整个物联网连接规模接近70% LTE-M NB-IoT LTE覆盖标准 155dB 164dB 10 years 510 years 不敏感 1Mbps 10Mbps 500km/h 350km/h 不敏感 $510 /模组 不敏感 （18k） 50k $5 / 模组 1ms LoRa 10years N/A $7/ 模组 10K 5G 155dB 100ms 10S 30Km/h 吞吐量 覆盖能力 终端寿命 移动性 时延 成本 容量 用户数增加 覆盖增强

4、 移动性增强 速率提升 GSA统计已有24个运营商确定NB-IOT 建设计划，预计2017年底将会有20个NB-IoT 网络实现商用 30km/h NB-IoT为窄带低速大连接数物联网场景提供最佳解决方案 什么是NB-IoT？ NB-IoTNarrow band- Internet of Things即窄带物联网 Frequency200 kHz180 kHz = 48 subcarriersSubcarrier spacing = 3.75 kHz10 kHz (Guard band)10 kHz (Guard band) ?Stand-lone ： 独立载波组网 一个载波带宽 ?下行12个

5、15Khz子载波 ?上行3.75Khz 或15Khz 200Khz 小区峰值速率 ?上行最大:261.6kbps ?下行最大:226.6kbps NB-IOT 的三种部署方式 ?Guard band ： 利用LTE系统边缘保护带上没有使用的资源块 ?In-band ： 利用LTE系统中的资源块 NB-IoT的关键技术OFDM OFDMOFDM正交频分复用正交频分复用 物理层 在频域上由12个子载波（每个子载波宽度为15KHz）组成，在时域上由7个OFDM符号组成0.5ms的时隙，这样保证了和LTE的相容性，对于带内部署方式至关重要。 每个时隙0.5ms，2个时隙就组成了一个子帧（SF），10个

6、子帧组成一个无线帧（RF）。 把高速数据流通过串并变换，分配到传输速率较低的若干个子信道中进行传输，这样既可以增大码元宽度，减少单个码元占用的宽度，抵抗多经引起的频率选择性衰落，又可以有效的克服ISI，起到降低系统对均衡技术要求的作用。 NB-IoT的关键技术减少信令开销 减少信令开销减少信令开销 NB-IoT信令流程基于LTE设计，去掉了一些不必要的信令，包括在控制面和用户面均进行了优化。 原LTE 信令流程： NB-IoT信令流程 NB-IoT信令流程 NB-IoT的关键技术半双工 Half Duplex NB-IoTNB-IoT的关键技术：半双工的关键技术：半双工Half Duplex

7、Half Duplex 半双工模式在 3GPP R8时定义， R12时列出 type A 与type B两种类型，其中Type B为Cat.0专用。 ? type A下，UE在发送上行信号时，其前面一个子帧(Subframe)的下行信号中最后一个符元 (Symbol)不接收，用来作为保护间隔(Guard Period, GP)； ? type B下，UE在发送上行信号时，其前面的子帧与后面的子帧都不接收下行信号，使得保护间隔增大，对于设备的要求更加得降低，并且也使讯号的可靠性上升。 UE-Category 半双工方式 Category1 Type A Category2 Type A Cate

8、gory3 Type A Category4 Type A Category5 Type A Category6 Type A Category7 Type A Category8 Type A Category9 Type A Category10 Type A . Category0 TypeB Cat.M NB-IOT $ 半双工只需要多一个切换器去改变发送或接收的模式，比起全双工 (Full Duplex)所需的元件，成本更为低廉，并且也能够降低电力的消耗。 NB-IoT的关键技术eDRX (Enhanced Discontinuous Reception,延长的非连续接收模式） 在R

9、13标准，定义改进 eDRX ，其为延长原本DRX的时间，使 UE在DRX的次数及频率上可以减少，以达到更省电的目的，但UE在进行长时间的 DRX周期后，本身的计时器可能会发生不准确的情况，就会让UE与核心网之间发生不同步的情况，因此基站必须时常与 UE进行同步，而在 UE离开eDRX模式时，也要发出多笔传呼讯号，让UE在时间不同时依旧可以收到传呼讯号。 扩展的Long DRX 可使LTE-M 和NB-IoT的电池使用 寿命超过 10年，同时保持了机械工业过程监控或家庭自动化等用例所需的下行链路的可达性。 对下行业务时延要求高，如路灯。 对下行业务时延有较高要求，可根据设备是否处于休眠状态缓存

10、消息或者立即下发消息，如智能穿戴设备。 NB-IoT的关键技术PSM（ Power Saving Mode，省电模式） PSM为一种特殊的终端状态，可以最小化电力的消耗，一般认为比空闲模式（Idle Mode）下更省电。 若终端支持PSM，在Attach或TAU(跟踪区更新)的过程中，会向网络申请一个启动计时器 (Active Timer)，当设备从连接状态转移到空闲状态后，该定时器开始运行；当定时器终止时，设备进入省电模式。省电模式中，UE不再监听寻呼信号，近似于关机的状态，但UE还是注册在网络中，因此不需要重新连接或建立分组数据网络的连接，直到UE要再对外发送数据，或者TAU的周期到了，才

11、会恢复到连接的状态。 TAU Cycle/ Trans.Cycle 2.56s Rel.8 10.241s 1min 10min Rel.12 1h 2h 1 day 15min 3.7 4.5 4.9 4.9 4.9 4.9 4.9 1hour 8.1 13.8 17.0 17.8 17.9 17.9 17.9 1 day 13.2 39.1 84.9 108.0 110.8 111.1 111.3 1 week 13.5 42.0 99.4 132.1 136.2 136.2 136.6 137.0 1 month 13.6 42.3 101.6 135.9 140.2 140.7 141

12、.1 1 year 13.6 42.5 102.3 137.1 141.4 141.9 142.3 终端在不同的TAU周期与传送周期的耗电情况（月） 若是TAU周期为1小时，而1个星期发送一次数据，两个2A电池可以使用超过 136个月，相当于 11年左右 NB-IoT的四大优势 20dB 增益 1$ 芯片成本 ?简化射频硬件 ?简化协议降低成本 ?减小基带复杂度 10 年电池寿命 100K连接数每小区 ? 频谱效率高 ? 小包数据发送特征 ? 终端极低激活比 深覆盖 ?窄带功率谱密度提升 ?重传次数 ?编码增益 ?简化协议 , 芯片功耗低 ?功放效率高 ?发射/接收时间短 低功耗 大连接 低成

13、本 深覆盖：比LTE覆盖高20dB 功率谱密度= 200mW/180kHz 180 KHz IOT 终端:200mw 3.75 KHz 注： 由于GSM终端发射功率最大可以到33dBm, NB-IOT发射功率最大23dBm,所以实际NB-IOT终端比GSM终端功率谱密度高7dB Data Package (e.g100 byte) 2G/3G/LTE 终端发射功率 功率谱密度= 200mW/3.75kHz NB-IOT终端 最多重复16次 技术点1：功率谱密度增强+17dB 技术点2： 重复+3 12dB 48倍 NB-IOT功率谱密度高 低功耗：基于AA电池，使用寿命可超过 10年 ?Tx(

14、23dBm): 200m W ?Rx: 80mW ?Idle: 3mW ? PSM: 0.015mW Active Idle PSM Active timer Active timer Start Expiration TAU/RAU timer Expiration/MO PSM和长周期定时器 Active M2M终端 CloudEdge MME基亍终端分组/业务特征下发定时器给终端： Ready timer/Active timer/RAU timer Extended Long DRX DRX Cycle eDRX Cycle M2M终端 MME eDRX协商，MME决策 省电模式 减少

15、IDLE态寺呼侦听次数 PSM省电模式 PSM省电模式终端空闲时关闭收发信机 99% 时间在PSM状态 PSM下只占用90 定位： 不要求 公共/安全 c 行业应用： 智能垃圾箱：太阳能供电，实时监控垃圾箱是否满。 城市路灯监控：下发路灯配置信息，上报故障告警信息。 智能垃圾箱 路灯监测 业务特点： 低速率小包业务为主 移动性：不要求 时延：不敏感 能耗：不敏感（太阳能） 成本： 敏感 可靠性： 90 定位：不要求 智能抄表 b 业务特点： 低频小包为主（ 1次/ 天）移动性：不要求 时延： 不敏感 能耗：敏感 成本： 敏感 可靠性： 99% 定位： 不要求 行业应用： 水、电、气表自动抄表。

16、 典型应用：智慧工业 天线天线 ModemModem 控制器控制器 发动机控制器发动机控制器 多重监视器多重监视器 液压控制器液压控制器 数据服务器数据服务器 WebWeb应用服务器应用服务器 InternetInternet 用户用户 （顾客，代理店，当地法（顾客，代理店，当地法 人，小松制作所）人，小松制作所） 天线天线 网 车 络 辆 内 通信卫星传输网或手通信卫星传输网或手 机传输网机传输网 GPSGPS卫星卫星 a 设备监测 智能农业 b 供应链 c SKT “ LTE/3G” 水池 监控服务器 “ 实时水池 监控 Ethernet IoT Platform (Mobius) LTE

17、 IoT G/W 解决方案 无线 通信 “ IoT基础实时无线水池监控系统” (SUN:900Mhz) 无线水质仪表 (水温, DO, pH) 养鳗场 业务特点： 低频率小包业务为 主 移动性：无 时延：不敏感 能耗：不敏感 成本：不敏感 可靠性： 99 定位： 不要求 业务特点： 低频率小包业务 为主 移动性：广覆盖 时延：不敏感 能耗：不敏感 成本：不敏感 可靠性： 99 定位： 要求 资产跟踪/物流跟踪 业务特点： 高频率小包业务为主 移动性：广覆盖 时延：不敏感 能耗：不敏感 成本：不敏感 可靠性：90 定位： 要求 行业应用： 智慧牧场， 牲口定位； 监测养鱼场 水温、PH值 和氧气

18、含量 行业应用： 车辆的工作信息和位置信 息通过FOMA向数据服务 器传输，加工后进一步被 发送给用户，并动态地提 前向用户提供零部件更换 和维护的建议，以及针对 个别车辆的咨询服务。全 球近30W装备。 行业应用： 资产位置上报。 典型应用：智慧生活 a 智能楼宇 b 跟踪 小孩 老人 宠物 附带语音功能。 能耗：不敏感 定位周期可以 成本： 不敏感 业务特点： 高频率小包业务为 主 移动性： 广覆盖 时延： 不敏感 可靠性： 90 定位： 要求 照明 打印机 红外转发器 智能插座 物联网网关 亮运传感 器 温湿度传感 器 空调 路灯 WiFi 短距通信范围 业务特点：业务特点： 低频率小包

19、业务为主 移动性：无 时延：不敏感 能耗：不敏感 成本：不敏感 可靠性：90 定位：不要求 行业应用： 跟踪小孩、老 人和宠物的位置。 小孩定位一般 配置。 行业应用： 网关使用无线技 术 楼宇传感器/家电 控制/管理 环境监控 c 土壤监测 气象站 业务特点：业务特点： 高率小包业务为主 移动性：不要求 时延：不敏感 能耗：不敏感（太阳 能） 成本：不敏感 可靠性： 90 定位：要求 行业应用： 监测风速、风 向、温度、湿 度、雨量、雨 强、土壤温度等信息 NB-IoT智能停车解决方案典型组网架构 为车主提供便捷丰富的 停车相关业务。 NB-IoT 核心网 IoT管理平台 NB-IoT 基站

20、 手机APP ? 尺寸: 114 x 77mm ? 接收灵敏度 : -128dBm; ? 工作温度 : -30C+80 C; ?IP68 ? 杅料: 压铸铝杅质 车检器 3rd 智能停车服务器 电磁式车检器，检测车位是否 有车辆停放。 NB-IoT的站点提供终端无 线接入服务，收集终端上 报的数据，幵转发给NB- IoT核心网。 提供智能停车及相关运营 及增值业务。 为M2M运营商客户提供管 道管理、终端管理、运营支 撑呾能力开放等业务。 基亍HUAWEI CloudEdge 平台优化的IoT与用核心网 ? 应用层协议栈适配 ? 终端设备、事件订阅管理 ? API能力开放（行业，开发者） ?

21、OSS/BSS （自劣开户，计费） ? 大数据分析 ? 移劢性 /安全/连接管理 ? 无SIM卡终端安全接入 ? 终端节能特性 ? 时延丌敏感终端适配 ? 拥塞控制呾流量调度 ? 低成本站点解决斱案 ?新空口支持 Massive IoT 连接 ? 停车场搜索 ? 空闲车位查询 ? 泊位查询 ? 地图寻航 ? 泊位预定 ? 电子支付 ? 设置管理 ? 设备管理 ? 人员管理 ? 告警管理 ? 实时数据查询 ? 报表 芯片 模组 车检器 NB-IoT 基站 NB-IoT 核心网 IoT管理平台 3rd 智能停车服务器 手机APP 引导屏 摄像头 智能停车传统解决方案与 NB-IoT方案对比 1跳网

22、络 传统非标无线方案 NB-IoT 方案 可靠性 &安全性 私有网络，采用非授权频谱， 可靠性安全性差 授权频谱，运营商网络保障 (运营商级别的质量保障) 安装 中继网关需要安装，部署成本 高 无需中继安装 车检器即插即用 维护 中继网关维护高空作业，工作 量大，且不安全，维护成本高 网络覆盖好，由运营商维护，不存在问题。 (企业不再介入通信维护) 成本 1015个车检器就需要配备 一个中继网关；中继网关若无 供电，需要配备太阳能板 整体成本（设备+安装+维护）下降 50% (企业投资更小) 车辆检测器 中继网关 基站(2G/4G) 传统非标无线方案 车辆检测器 App NB-IoT基站 NB

23、 IoT方案 App 2跳网络 智能停车传统解决方案与 NB-IoT方案对比 三方共赢 运营商 ? 增加收入，孵化新的商业模式； ? 提供增值服务，和停车场业主进行业务分成 车主 ?极大提升停车体验 ? 节省寺找车位时间 ?便捷支付 停车场业主 ?节省设备维护/人力开支 ?提升停车场使用率，从而增加收入 ?通过预定，收取额外预定费用，增加收入 中继网关 中继网关 维护费 车检器 链接费 设备费用 维护费用 15万/每月 1500/每车位 4000/每月 180万/年 1500万 4.8万/年 0 0 1万车位/杭州 500个网关 回报 （业主） 短距无线方案(CNY） 300万 NB-IoT方

24、案(CNY） 0 1500万 36万/年 5年支出(业主) 2724万 1680万 600 每车位/每月 7200万/年 0 7200万/年 1500/每车位 6000元/个 3万/月 阵子？阵子？ 基站天线通常由多个天线单元排列构成，每个天线单元即一个天线阵子，通常采 用一对 45度极化阵子，是构成基站天线的基本单位 通道？通道？ MIMO天线利用多入多出提升频谱效率，能够并行传输的“路”称为 一个通道，每个通道连接独立的放大器（ PA），典型8天线即8通道 1驱驱2，1驱驱1，1驱驱10，1驱驱12？ 综合考虑性能、成本、重量、体积等因素，通常通道和天线阵子不 是一 一对应的，一个通道物理

25、连接 X个天线阵子，即构成 1驱X 4 天线基础知识补充 8天线示意图 4 天线基础知识补充 3D-MIMO 8天线 8天线：广播信道水平65度，垂直5.5度，增益15dBi；业务信道波束水平25度，垂直5.5度，最大增益约21dBi 3D-MIMO：广播信道水平1565度，垂直1030度；当垂直波束10度，水平波束65度时，增增益15dBi；业务信道水平11度，垂直 9度，最大增益约24dBi 3D-MIMO四大关键技术 MIMO多天线技术 ? MIMO技术是LTE系统物理层的基本构成之一，主要可以分为空间复用、传输分集和波束赋形三种模式。 波束赋形(Beamforming) ? 在波束成形

26、技术中，基站拥有多根天线，通过调节各个天线发射信号的相位，使其在手机接收点形成电磁波的叠加，从而达到提高接收信号强度的目的。从基站方面看，利用信号处理产生的叠加效果就如同完成了基站端虚拟天线的方向图，因此称为“波束赋形”。通过这一技术，发射能量可以汇集到用户所在位置，而不向其他方向扩散，并且基站可以通过监测用户的信号，对其进行实时跟踪，使最佳发射方向跟随用户的移动，保证在任何时候手机接收点的电磁波信号都处于叠加状态。在实际应用中，多天线可以同时瞄准多个用户，构造朝向多个目标客户的不同波束，并有效减小各个波束之间的干扰。这种多用户的波束成形在空间上有效地分离了不同用户间的电磁波。 3D-MIMO

27、四大关键技术 SDMA：空分多址 ? 3D MIMO天线在覆盖高层楼宇的同时，通过多个波束对应不同楼层形成虚拟分区，实现了空分复用的效果，同时也提升了频谱效率 大规模天线阵列技术 ? 空间自由度是MIMO多天下技术的安身立命之本。在有源天线系统技术的有力支持下，垂直维度的空间自由度的大门已悄然向MIMO技术开启，简单来说，有了有源天线系统技术，3D MIMO技术在不需要改变现有天线尺寸的条件下，可以将每个垂直的天线阵子分割成多个阵子（天线数目大幅增加），大规模天线阵列正是基于多用户波束成形的原理，在基站端布置多根天线，对几十个目标接收机调制各自的波束，通过空间信号隔离，在同一频率资源上同时传输

28、几十条信号。从而开发出MIMO的另一个垂直方向的空间自由度，使得进一步降低小区间干扰、提高系统吞吐量和频谱效率成为可能。 3D-MIMO技术优势 一、与传统MIMO不同的是，3D MIMO中所采用的天线规模发生了巨大变化，天线数目大幅增加，随着基站天线数目趋向于很多时，各UE的信道将趋向于正交，用户间的干扰趋于消失，由此带来的巨大的天线阵列增益将有效提升每个用户的信噪比，因此可在相同的时频资源上支持更多用户的传输，提升小区的平均频谱效率、降低邻小区干扰、提升系统容量。 3D MIMO从室外覆盖高层楼宇更经济 二、传统的基站为提高增益，垂直波瓣较窄，在覆盖高层建筑时，往往只能覆盖到部分楼层，从而

29、需要多面天线来做覆盖的场景。使用3D MIMO技术，则可以分裂出指向不同楼层位置的波瓣，在减少了天面建设需求的同时，也通过多个并行数据流传输，提高了频率利用效率。 3D-MIMO技术优势 三、占用天面少：利用常规天线覆盖高层楼宇时，需要分别针对低层、中层和高层设置多个天面，而 3D MIMO技术的天面需求则很少。 四、垂直面覆盖宽： 3D MIMO天线相比常规天线，可实现单天线阵覆盖整个楼层，垂直面的覆盖角度可达 +/-30度（而普通天线一般只能做到 +/-8度），提升了频谱效率。 五、相比于常规天线的垂直面不能随终端的位置实时调整，3D MIMO天线可通过AAS（有源天线阵子）组合而成，每个

30、阵子均可独立调整权值，波束在垂直面跟踪终端，从而可从整体上降低对邻区的干扰。 3D-MIMO产品架构 传统基站采用“BBU+RRU+ 天线” 的分布式架构。3D-MIMO相比传统基站采用了更多的收发通道，如果依然保持“BBU+RRU+ 天线” 的架构存在两方面问题。 一方面，收发通道数的增加使得天线和RRU之间需要更多的馈线连接，这将给实际布网带来很大的麻烦，增加了设备安装的时间，馈线越多也越容易出错。而将天线和RRU集成能很好地解决这个问题，不仅省去了馈线，而且消除了因馈线带来的损耗（见表中的架构1）。另一方面，通道数的增加也增加了对RRU和BBU之间CPRI接口的带宽需求，从而增加了光纤的

31、成本。 为了降低CPRI接口带宽的需求，一种方法是将BBU的部分功能上移（见表中的架构2），另一种方法是进一步将BBU、RRU和天线都集成到一起形成一体化站型（见表中的架构3）。架构2虽然能降低CPRI接口带宽需求，但是BBU和RRU之间的接口需要重新定义。架构3直接取消了CPRI接口，更高的集成度将使得未来的布网和架站更加方便快捷，不过也对设备的尺寸、重量和散热等方面的设计提出了更高的要求。 1 ）3D-MIMO 商用产品主要特征：迎风面积、重量更小、支持多载波、更高阶的MU-MIMO 等功能 条目 样机 商用产品 64 通道数 信号带宽 输出功率 重量 64 20M（单载波） 40W 60M（三载波） 120W/150W 3745Kg 0.4左右 上行8用户 下行16用户 5060Kg 0.5左右 上行4用户 下行8用户 迎风面积 MU-MIMO 铁塔对天面的要求为：迎风面 =0.8m2，重量=47kg 1 2 3D-MIMO测试效果