NB-IoT：どのように機能しますか？ パート1

NB-IoT標準のデバイスは、単一の従来のバッテリーで最大10年間動作できます。 何のため？ このテクノロジーに関する最も重要なことをすべてまとめました。 この記事では、無線アクセスネットワークのアーキテクチャの観点からその機能について説明し、第2部では、NB-IoT中に発生するネットワークコアの変更について説明します。







NB-IoTテクノロジーは、LTEから多くを受け継いでいます-無線信号の物理構造からアーキテクチャーまで。 1つの記事にすべてをリストすることは不可能なので、このテクノロジーが作成された主な機能に焦点を当てましょう。 だから：



無線アクセスネットワークアーキテクチャに関するNB-IoTの違いは何ですか？



まず、LTEの重要な点を覚えておいてください。



LTE信号には、サブキャリア間隔が15 kHzのOFDMチャネル分離原理が使用されます。 DL（ダウンリンク、BSからの方向）では、OFDMAが使用され、UL（アップリンク、BSへの方向）では、SC-FDMAが使用されます。 LTEのキャリア全体はリソースブロック（リソースブロック、RB）に分割され、各ブロックは12のサブキャリアと12x15 kHz = 180 kHzの総占有帯域幅で構成されます（図1）。 各リソースブロックは、12x7 = 84リソース要素（リソース要素、RE）に分割されます。







図1 リソースブロック、リソース要素



高いセルスループットを実現するために、DLではQAM256、ULではQAM64の高い変調次数が適用されます。 さらに、MIMO2x2およびMIMO4x4テクノロジーは同じ目的で使用されます。



NB-IoT無線信号の機能 ：



NB-IoTで最も重要なことは、バッテリーを節約するだけでなく、低信号レベルと高ノイズレベルで動作する能力です。 NB-IoTはショートメッセージを送信するようにも設計されており、オーディオビデオコンテンツ、大きなファイルなどの転送を必要としません。



これに基づいて、物理レベルでは、必要な特性を提供するのに役立つ特定の機能があります。

1. NB-IoTの合計帯域幅は、180 kHzの幅を持つ1つのRBに制限されています。
2. ユーザーデバイスの無線パスには、アンテナ、受信機、および送信機が1つしかありません。
3. 送信と受信は時間的に間隔が空いています。 これは基本的に半二重モードです。
4. 1つのサブキャリアでUL方向に送信する機能。
5. 使用される変調タイプは、BPSKおよびQPSKに制限されています。
6. 送信信号の繰り返し（カバレッジの強化）。

以下では、それらのいくつかについてさらに詳しく説明します。



1つのRB、1つのアンテナ、半二重伝送モードの狭い周波数帯域を使用すると、デバイスを簡素化し、以下を実現できます。

• CPU要件を削減します。
• 低消費電力;
• 小型化;
• 安価なデバイス。

無線周波数の指定：



NB-IoTの場合、「低」帯域の2G / 3G / 4Gとほぼ同じ周波数範囲を使用できます。 これらは、B20（800 MHz）、B8（900 MHz）、B3（1800 MHz）です。 信号の減衰が大きいため、高い「高い」周波数を使用する理由はありません。



NB-IoTに周波数リソースを割り当てるには、 3つの方法があります。



1.スタンドアロン。



200 kHz幅の専用周波数チャネル。 このオプションはNB-IoTに最も効果的ですが、最も高価です。 事実、この場合、ガードインターバルとともに非常に価値のある300〜600 kHzのスペクトルが必要になる場合があります。 この場合、他の技術との相互干渉は最小限に抑えられます（図2）。







図 2.スタンドアロンモードでのNB-IoTの配置オプション。



2.インバンド



この場合、リソースは既存のLTEキャリア内のNB-IoTに割り当てられますが、NB-IoTキャリアの電力はLTEリソースブロックと比較して6 dB増加します。 このオプションは、周波数リソースの節約に適していますが、LTEネットワークとの相互影響の問題があります（図3）。







図 3.インバンドモードでのNB-IoTの配置。



3.ガードバンド



この場合、NB-IoTはいわゆるガードインターバルで開始されます。 たとえば、LTE10 MHz帯域では、500 kHzのフリースペクトルがガードインターバルとして使用されます。 より長い範囲の帯域内モードの場合と同様に、NB-IoTキャリアはLTEリソースブロックと比較して6〜9 dBの電力が増加しています（図4）。 この使用例では、周波数リソースを節約し、LTEネットワークとの相互影響を同時に減らすことができますが、この場合、LTEの帯域外放射は低下します。







図 4.ガードバンドモードでのNB-IoTの配置。



1つのサブキャリアでUL方向に送信する機能：



1つまたは複数のRBで構成されるリソースグループのブロックがLTEのサブスクライバーに割り当てられている場合、NB-IoTの最小単位はRE-無線リソースの一部をサブスクライバーにカットします。 そのため、デバイスは15 kHzで1つのサブキャリアでULに信号を送信することが可能になりました。 同時に、RBのUL方向の3.75 kHzの48個のサブキャリアへの分離は、NB-IoT向けにすでに標準化されています。 この場合のリソース要素の期間は4倍に増加し、それに応じてタイムスロットは最大2ミリ秒に増加するため、情報容量は変化しません（図5）。







図5 リソース要素。



15 kHzの1つのサブキャリアでの狭帯域での信号伝送、さらに3.75 kHzでの信号伝送により、信号のスペクトル密度が大幅に増加し、それに応じて基地局よりもはるかに強力でない送信機を持つ加入者デバイスにとって非常に重要な信号対雑音比が増加します。 さらに、NB-IoTおよびLTEでは、加入者デバイスの電力は23dBm（200mW）に制限されています。



同時に、無線条件が許す場合、アクティブな送信モードの時間を短縮し、それに応じてバッテリーを節約するために、いくつかのサブキャリアで同時に送信することが可能です。 1つのサブキャリアでの伝送はシングルトーン伝送モードと呼ばれ、いくつかのサブキャリアではマルチトーンと呼ばれます（これらは15 kHzの3、6または12サブキャリアです）。 図6は、さまざまなバリエーションのリソースユニット（リソースユニット、RU）のリソース要素からの形成を示しています。







図6 リソース単位（RU）。



RU-これは別のより大きなブリックで、そこからトランスポートブロック（トランスポートブロック、TB）が形成され、ユーザーに割り当てられます。 1 TBには1〜10 RUを含めることができます。 さらに、信号の品質に応じて、各TBには、使用される変調コーディング方式（MCS）に応じて、異なる量の有用な情報が含まれる場合があります。 もちろん、NB-IoTのTBサイズはLTEよりもはるかに小さく、DLでは680ビット、ULでは1000ビット（Rel.13 3GPP）です。 また、この標準では、HARQ（ハイブリッド自動再送要求）プロセスが1つしかないため、次のTBは前のTBの受信を確認した後にのみ送信できます。 リリース14では、3GPPトランスポートブロックのサイズが2536ビットとDual-HARQに拡大され、2つのトランスポートブロックを連続して転送できるようになりました。



カバレッジの強化：



NB-IoTの別の機能は、送信信号の連続した再送信によって実現されるカバレッジ拡張機能です。 このメカニズムは、受信に失敗した場合のパケットの再送信と混同しないでください。カバレッジの強化の場合、受信した信号の成功の判断は、繰り返されるすべてのメッセージの受信後に行われます（図7）。 すべての物理チャネルNPDCCH、NPDSCH、NPRACH、およびNPUSCH（ここで、Nはナローバンドプレフィックス）を繰り返すことができます。







図 7. NB-IoTでの繰り返し



標準では、カバレッジレベル0、1、2と呼ばれる3つのレベルが定義されています。繰り返しの数は大きく異なる可能性があり、物理チャネルの種類とその形式ごとに個別に設定されます。 たとえば、標準では、最大128のULおよび最大2048のDLで有用な信号の値を指定しています。実際には、もちろん、すべてが動作モード（スタンドアロン、インバンド/ガードバンド）、信号品質、その他の条件。 繰り返しにより、理論的には最大10dB以下の非常に低いレベルの信号対雑音比で信号をデコードできます。



上記のすべて-より狭い帯域とカバレッジ拡張機能の使用-は、GSMに関して20dBの悪名高いゲインを最終的に達成することを可能にします。



NB-IoTのボーレート



一般に、前述のIoTの原則自体は、デバイスとの重要な情報交換を意味するものではないため、これらの値は非常にarbitrary意的です。 第一に、それらは良好な信号品質でのみ達成されます。 第二に、DCIカガルおよびACK確認の指定を含む信号交換は、LTEの場合のように、最高速度を取得するように適合されていません。 第三に、デバイスが1つまたは2つの短いメッセージのみを送信する場合、この場合、送信レートが何を意味するのかが完全に明確ではありません。 しかし、ここで速度について言うことはできません。 たとえば、図8はユーザーのDLで計算された速度を示しています。







図8 DLのビットレート。



図から、NB-IoTでは、LTEとは異なり、ユーザーデバイスが利用可能な無線リソース全体を占有できないことがわかります。 そして、残りの無線リソースBSは、他のデバイスとの通信に使用できます。 同様の状況がULにあります（図9）。







図9 ULボーレート。



したがって、Dual-HARQを使用し、トランスポートブロック自体のサイズを最大2536ビット（リリース3 3GPP）にすることで、DLおよびULの伝送速度を100 kbit / s以上に高めることができます。

それだけです-無線アクセスアーキテクチャの観点から主な機能について話をする場合、遠くに行くことはありません。 お役に立てば幸いです。 すぐに、次の投稿で、ネットワークのコア（コアネットワーク）がNB-IoTによってどのように変化したかを説明します。 フィードバックは大歓迎です。



投稿者

MTS無線アクセスネットワークアーキテクチャ部門の専門家Ilnur Fauziev ilnurf