NBIOT系统概述及3DMIMO原理技术介绍课件.pptx

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1、MassiveIoT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中速率(1-10Mbps)智能建筑，电梯卫士，低端M2M汇聚等低速率低速率(200kbps)抄表，停车，物流监控，农林牧渔，传感，

2、追踪业务等L LPWPWA A高速率高速率(10Mbps)视频监控、智慧医疗、智慧城市等MTC/eMTC/LTE-V2G:GPRS|CDMA2K1X4G:LTE/LTE-A3G:HSPA/EVDO/TDS WiFi 802.11技术网网络络要求要求2020年全球年全球CIoT连连接占比分布接占比分布NB-IoTSigFox/LoRa短距无线，如ZigBee5%25%70%网网络络接入技接入技术术高速率(10Mbps)中速率(1-10Mbps)低功耗低速率(200Kbps)深度覆盖(20dB)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,

3、低功耗广覆盖低功耗广覆盖)应应用占整个物用占整个物联联网网连连接接规规模接模接近近70%LTE-MNB-IoTLTE覆盖标准155dB164dB10years510years不敏感1Mbps10Mbps500km/h350km/h不敏感$510/模组不敏感（18k）50k$5/模组1msLoRa10yearsN/A$7/模组10K5G155dB100ms10S30Km/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/hNB-IoT为窄带低速大连接数物联

4、网场景提供最佳解决方案什么是NB-IoT？NB-IoTNarrowband-InternetofThingsNB-IoTNarrowband-InternetofThings即即窄带物联网窄带物联网 nStand-lone：独立载波组网一个载波带宽n下行12个15Khz子载波n上行3.75Khz或15Khz200Khz200Khz小区峰值速率n上行最大:261.6kbps261.6kbpsn下行最大:226.6kbps226.6kbpsNB-IOT的三种部署方式nGuardband：利用LTE系统边缘保护带上没有使用的资源块nIn-band：利用LTE系统中的资源块NB-IoT的关键技术OFD

5、MOFDMOFDM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，

6、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HalfDuplexNB-IoTNB-IoT的关键技术的关键技术：半双工：半双工HalfDuplexHalfDuplex半双工模式在3GPPR8时定义，R12时列出typeA与typeB两种类型，其中TypeB为Cat.0专用。typeA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(GuardPeriod,GP)；typeB下，UE在发送上行信号时，其前面的子帧与后面的子

7、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Category1Type ACategory2Type ACategory3Type ACategory4Type ACategory5Type ACategory6Type ACategory7Type ACategory8Type ACategory9Type ACategory10Type A.Category0TypeBCat.MNB-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(FullDuplex)所需的元件，成本更为低廉，并且也能够降低

8、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R13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LongDRX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

9、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（PowerSavingMode，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（IdleMode）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(ActiveTimer)，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

10、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，才会恢复到连接的状态。TAU Cycle/Trans.Cycle2.56sRel.810.241s1min10minRel.121h2h1 day15min3.74.54.94.94.94.94.91hour8.113.817.017.817.917.917.91 day13.239.184.9108.0110.8111.1111.31 week13.542.099.4132.1136.2136.2136.6137.01 month13.642.3101.6135.9140.2140.7141.11 yea

11、r13.642.5102.3137.1141.4141.9142.3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增益增益1$芯片成本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年年电电池寿命池寿命100K连连接数每小区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/接收时间短低功耗低功耗大大连连接接低成本低成本深覆盖：比LTE覆盖高20dB功率谱密度=200mW/180k

12、Hz180 KHzIOT 终终端端:200mw3.75 KHz注：注：由由于于GSM终终端端发发射功率最大可射功率最大可以以到到33dBm,NB-IOT发发射功率最大射功率最大23dBm,所所以以实际实际NB-IOT终终端比端比GSM终终端端功功率率谱谱密密度高度高7dBData Package(e.g100 byte)2G/3G/LTE终终端端发发射功率射功率功率谱密度=200mW/3.75kHzNB-IOT终终端端最多重复16次技技术术点点1：功率：功率谱谱密度增密度增强强+17dB技技术术点点2：重复重复+3 12dB48倍倍NB-IOT功率功率谱谱密度高密度高低功耗：基于AA电池，使用

13、寿命可超过10年Tx(23dBm):200mWRx:80mWIdle:3mWPSM:0.015mWActiveIdlePSMActive timer Active timer StartExpirationTAU/RAU timer Expiration/MOPSM和和长长周期定周期定时时器器ActiveM2M终端CloudEdgeMME基亍终端分组/业务特征下发定时器给终端：Ready timer/Active timer/RAU timerExtended Long DRXDRX CycleeDRX CycleM2M终端MMEeDRX协商，MME决策省省电电模式模式减少IDLE态寺呼侦听次

14、数PSM省省电电模式模式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行业应行业应用：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业务特点：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业务特业务特点：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：行业应用：水、电、气表自动抄表。典型应用：智慧工业天天线线Mod

15、Modemem控制器控制器发动发动机机控制器控制器多重多重监监视视器器液液压压控控制器制器数据服数据服务务器器WebWeb应应用服用服务务器器IntInterneternet用用户户（顾顾客客，代理店，当地法，代理店，当地法 人，小人，小松制作所）松制作所）天天线线网网 车车络络 辆辆内内通信通信卫卫星星传输传输网或手网或手 机机传输传输网网GPSGPS卫卫星星a设备监测智能农业b供应链cSKT“LTE/3G”水池 监控服务器“实时水池 监控Ethernet IoT Platform(Mobius)LTE 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:900M

16、hz)无线水质仪表(水温,DO,pH)养鳗场业务特业务特点：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：不要求业务特业务特点点：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/物流跟踪业务特业务特点：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：行业应用：智慧牧场，牲口定位；监测养鱼场 水温、PH值 和氧气含量行业应行业应用：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，

17、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。行业应行业应用：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：不敏感业务特业务特点：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业务特点：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：90 定位：不要求行业应行业应用：用：跟踪小孩、老 人和宠物的位置。小孩定位一般配置。行业应行业应

18、用：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业务特点：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：要求行业应行业应用：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核心网核心网IoT管理平台平台NB-IoT基站基站手机手机APP尺寸:114x77mm接收灵敏度:-128dBm;工作温度:-30C+80C;IP68杅料:压铸铝杅质车检车检器器3rd智能停智能停车车服服务务器器电磁式车检器

19、，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HUAWEICloudEdge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）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MassiveIoT连接 停车场搜索 空闲车位查询 泊位查询 地图寻航 泊位预

20、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 报表芯片模组车检车检器器NB-IoT基站基站NB-IoT核心网核心网IoT管理平台平台3rd智能停智能停车车服服务务器器手机手机APP引引导导屏屏摄摄像像头头智能停车传统解决方案与NB-IoT方案对比1跳网跳网络络传统传统非非标标无无线线方案方案NB-IoT方案方案可靠性&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

21、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)传统传统非非标标无无线线方案方案车辆检测器AppNB-IoT基站NBIoT方案方案App2跳网跳网络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

22、万/每月1500/每车位4000/每月180万/年1500万4.8万/年001万车位/杭州500个网关回报（业主）短距无线方案(CNY）300万NB-IoT方案(CNY）01500万36万/年5年支出(业主)2724万1680万600每车位/每月7200万/年07200万/年1500/每车位6000元/个3万/月阵阵子？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

23、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，一个通道物理连接X个天线阵子，即构成1驱X4天线基础知识补充8天线示意图4天线基础知识补充3D-MIMO8天线8天线：广播信道水平65度，垂直垂直5.5度度，增益增益 15dBi；业务信道波束水平25度，垂直垂直5.5度，度，最大增益约21dBi3D-MIMO：广播信道水平1565度，垂直垂直1030度度；当垂直波束10度，水平波束65度时，增增益益 15dBi；业务信道水平11度，垂直9度，最大增益约24dBi3D-MIMO四大关键技术MIMO多天多天线技技术MIMO技术是LTE系统物理层的基本构

24、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。波束波束赋形形(Beamforming)在波束成形技术中，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

25、，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四大关键技术SDMA：空分多址：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大规模天模天线阵列技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

26、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

27、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

28、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

29、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商用商用产产品主要特征：迎品主要特征：迎风风面面积积、重量更小、支持多、重量更小、支持多载载波、更高波、更高阶阶的的MU-MIMO等功能等功能条目条目样样机机商用商用产产品品64通道数信号带宽输出功率重量6420M（单载波）40W60M（三载波）120W/150W3745Kg0.4左右上行8用户下行16用户5060Kg0.5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=47kg123D-MIMO测试效果