Análisis de las tecnologías clave 5G: ¿Quién es mejor, NB-LTE o NB-CIoT?
NB-IoT propuesto por el antiguo 3GPP también incluye varias tecnologías. Actualmente se puede dividir en dos direcciones: una desarrollada por Nokia, Ericsson e Intel apoyada por otra. Camps y NB-CIoT (IoT celular de banda estrecha) respaldados por Huawei y Vodafone. La mayor diferencia entre las dos tecnologías para los operadores es cuánto se pueden usar en el entorno LTE existente y se pueden reutilizar en aplicaciones de IoT.
Hoy en día, las comunicaciones inalámbricas se están desarrollando rápidamente. Las comunicaciones inalámbricas globales se están desarrollando en pleno apogeo. La demanda de las personas de comunicaciones móviles, transmisión de audio y video o aplicaciones terminales aumenta día a día. Entonces, incluso si 4G sigue expandiéndose a medida que el despliegue continúa, también se anuncia la llegada de la generación 5G, y las oportunidades comerciales que contiene son aún más ilimitadas.
Para dar la bienvenida a este enorme océano azul de comunicaciones, todos los países están tratando activamente de aprovechar la oportunidad e invirtiendo muchos recursos e investigación en la planificación y el desarrollo de la próxima generación de comunicaciones 5G, con la esperanza de dominar el tecnologías clave y patentes para mejorar las posibilidades de ser adoptadas por los estándares del Proyecto de Asociación de Tercera Generación (3GPP) para ayudar al desarrollo futuro de las industrias nacionales relacionadas con las comunicaciones.
El rendimiento de las comunicaciones 5G ha mejorado enormemente
Con el rápido desarrollo de la industria, varias aplicaciones del lado del usuario también han aumentado ante las demandas de transmisión de datos y de los usuarios globales. capacidad de la red, A medida que la demanda es cada vez mayor, las redes 5G han surgido para responder. Se espera que la tecnología estándar relacionada con 5G del 3GPP esté finalizada en 2016, y se espera que los productos relacionados entren en la etapa comercial en 2020. En su desarrollo futuro, no sólo se requiere una gran velocidad de transmisión, sino que además el número de conexiones será varias veces mayor que el actual. El mundo entrará en una era en la que todo estará conectado a Internet (Figura 1).
Figura 1 Tendencia de desarrollo de 5G
La conocida consultora McKinsey señaló que el valor de producción de aplicaciones de Internet de las cosas (IoT) alcanzará los 11,1 billones de dólares estadounidenses en 2025. 5G propone baja latencia, alta transmisión, baja Con características como consumo de energía y grandes conexiones, se espera que las comunicaciones móviles 5G tengan 50 mil millones de productos terminales en todo el mundo con capacidades de acceso a Internet en 2020. La demanda general de capacidad del sistema (Capacidad) también aumentará más más de 1.000 veces en comparación con 4G, y su retraso de transmisión debe ser inferior a 1 milisegundo (ms), por lo que la mejora del rendimiento y los desafíos técnicos de las comunicaciones 5G de próxima generación seguramente serán más severos que antes.
Con la aparición de una gran cantidad de terminales de aplicaciones, como medidores inteligentes, electrodomésticos inteligentes, fábricas inteligentes y dispositivos portátiles, cada vez más trabajos y vidas deben resolverse a través de terminales inteligentes. La demanda de conexiones de alta densidad y costos terminales reducidos es cada vez mayor, y se necesitan nuevas tecnologías para satisfacer esas demandas.
Análisis de las tecnologías clave del 5G
En el futuro desarrollo del 5G, no sólo se requerirá una gran velocidad de transmisión, sino que además el número de conexiones será varias veces mayor que el actual. El mundo estará conectado a todo. En la era del 3GPP, se propuso por primera vez la comunicación de máquina a máquina (M2M)/tipo máquina (MTC). Sus objetivos de diseño eran principalmente un menor costo de equipo, un menor consumo de energía, una mayor cobertura y soporte. Hay una gran cantidad de dispositivos conectados, pero la mayoría de los forasteros creen que esta es solo una versión de transición porque su consumo de energía y su costo de construcción aún son demasiado altos. Todavía no es suficiente para aplicaciones que requieren un menor consumo de energía y una mayor cantidad de conexiones. Como tecnología utilizable, 3GPP propuso una tecnología con menor volumen de transmisión de datos, menor costo de equipo y cobertura más amplia en R13, llamada NB-IoT (Narrowband-Internet of Thing). Su mayor volumen de transmisión de datos es de 200 kbit/s, el ancho de banda. También se reduce a 200 kHz y su cobertura se puede aumentar varias veces, por lo que todos los principales operadores de telecomunicaciones apoyan firmemente esta tecnología (Tabla 1).
NB-IoT se precipita hacia el océano azul del Internet de las cosas
El Internet de las cosas se ha estado desarrollando durante muchos años y se han propuesto una tras otra varias aplicaciones y tecnologías. como LoRa y SIGFOX, que también enfatizan el bajo consumo de energía y la necesidad de una amplia cobertura. Sin embargo, debido a que LoRa y SIGFOX usan espectro sin licencia, significa que cualquiera puede usar esta banda de frecuencia, lo que también causa muchos problemas de interferencia incontrolables. Su uso resulta muy poco fiable, por lo que en todo el mundo los principales operadores de telecomunicaciones tienden a admitir la tecnología NB-IoT propuesta por 3GPP. Debido a que utiliza bandas de frecuencia con licencia y puede implementar rápidamente NB-IoT en equipos de redes celulares originales, puede ahorrar dinero. para los operadores Con el costo de implementación y la rápida integración de la red original Long Range Evolution (LTE), es previsible que en el futuro las principales empresas de telecomunicaciones de todo el mundo promuevan NB-IoT.
NB-IoT es una tecnología de área amplia de baja potencia (LPWA), que se caracteriza por un consumo de energía extremadamente bajo, una amplia cobertura y una gran cantidad de conexiones. La cobertura se puede mejorar en 20 dB. la duración de la batería puede superar los 10 años. Cada operador NB-IoT puede admitir hasta 200.000 conexiones y, según los requisitos de capacidad, la escala se puede ampliar agregando más operadores, lo que hace que una sola estación base pueda admitir millones de conexiones IoT.
Hay varios objetivos en el diseño de NB-IoT. Uno es mejorar la tasa de cobertura. La confiabilidad de la señal se puede mejorar reduciendo la tasa de codificación, de modo que cuando la intensidad de la señal sea débil, Puede demodularse correctamente para lograr el propósito de mejorar la cobertura. Además, para aumentar considerablemente el ciclo de vida de la batería, la energía máxima que envía es de 23 dBm, unos 200 milivatios (mW). del terminal, su modulación utilizando el método de envolvente constante puede hacer que el amplificador de potencia (PA) funcione en el rango de saturación, lo que permite que el extremo de transmisión tenga una mejor eficiencia de uso. En términos de diseño de la capa física, algunos componentes también se pueden simplificar. Para reducir la complejidad y reducir el ancho de banda del sistema, el ancho de banda está diseñado para ser de 200 kHz. Debido a que Internet de las cosas no requiere una velocidad de transmisión tan alta, no se necesita un espectro tan grande y se puede usar de manera más flexible. El objetivo del diseño es aumentar significativamente la capacidad del sistema para que se pueda conectar una gran cantidad de terminales al mismo tiempo. Un método es reducir el intervalo de subportadoras, haciendo que la asignación de recursos de espectro sea más flexible y de vanguardia. terminales.
NB-IoT tiene tres métodos de implementación en el espectro. El primero es la implementación independiente. Este método de implementación utiliza espectro del Sistema Global para Comunicaciones Móviles (GSM) independiente, y no interferirá entre sí. y es el método de implementación más simple, pero requiere su propio espectro. El segundo método es utilizar la banda de guardia para implementar, utilizando la banda de guardia en el borde del espectro LTE para implementar en partes con intensidad de señal más débil. La ventaja es que no requiere una sección de su propio espectro, pero la desventaja. es que pueden producirse interferencias con el sistema LTE. El tercer tipo es implementar dentro de la banda de frecuencia operativa actual (In Band). El escenario de implementación se muestra en la Figura 2. El espectro utilizado se selecciona en la banda de baja frecuencia, como 700 MHz, 800 MHz, 900 MHz, etc., porque Puede tener una cobertura más amplia, mejores características de transmisión y una penetración más profunda en ambientes interiores.
Figura 2 Tres escenarios de implementación de NB-IoT Fuente de la imagen: NB-IoT que permite nuevas oportunidades comerciales, Huawei
Sin embargo, el NB-IoT propuesto actualmente por 3GPP también incluye varias diferencias que la tecnología puede Actualmente se divide en dos direcciones: una es NB-LTE (Narrowband-LTE) respaldada por campos como Nokia, Ericsson e Intel, y NB-LTE respaldada por Huawei y Vodafone (Narrowband-Cellular IoT), la mayor diferencia entre ellas. La cuestión entre las dos tecnologías para los operadores es cuánto de ellas se puede reutilizar en aplicaciones de IoT en el entorno LTE existente.
NB-LTE es casi compatible con los equipos LTE actuales, pero se puede decir que NB-CIoT es una tecnología rediseñada que requiere la construcción de nuevos chips, pero se espera que su cobertura sea mayor. Los costos también se reducen, por lo que se puede decir que las dos tecnologías tienen sus propios méritos. A continuación se dará una descripción general de las dos tecnologías.
NB-LTE es compatible con versiones anteriores y reduce costos
El ancho de banda utilizado en NB-LTE es de 200 KHz, y en el enlace descendente se utiliza multiplexación por división de frecuencia ortogonal (Orthogonal Frequency Division). Tecnología de acceso (OFDMA), el ancho de banda de la subportadora es de 15 kHz, y en los intervalos de símbolos de multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM), intervalos de tiempo (Time Slots) y subtramas (Subframe), es diferente del original Las especificaciones LTE son las mismas .
NB-IoT utiliza acceso múltiple por división de frecuencia de portadora única (SC-FDMA) para el enlace ascendente. El ancho de banda de la subportadora es de 2,5 kHz, que es la frecuencia de la subportadora LTE original. el ancho y el rango de símbolos, intervalos de tiempo y subpaquetes son seis veces mayores que los del LTE original. NB-LTE espera principalmente poder utilizar la parte antigua de la capa física LTE y, en gran medida, poder utilizar la red LTE superior, de modo que los operadores puedan reducir el costo de las actualizaciones de equipos durante la implementación y también puedan utilizar el celular original. La arquitectura de red se utiliza para lograr una implementación rápida.
En cuanto a la parte descendente, las señales de sincronización (PSS/SSS), el canal de transmisión físico (PBCH) y el canal físico de control de enlace descendente (PDCCH) deben ajustarse o rediseñarse, y algunos de los controles originales necesitan Los canales que deben ajustarse o rediseñarse, tales como el Canal de Indicación de Formato de Control Físico (PCFICH) y el Canal de Indicación de Solicitud de Repetición Automática Híbrida Física (PHICH), se omiten para transmitir datos. En NB-LTE, para reducir el ancho de banda a 200 kHz, que es una sexta parte del ancho de banda mínimo original de LTE de 1,4 MHz, el período de tiempo de transmisión se alarga, por lo que se define una nueva unidad de tiempo en NB-LTE, denominada M. -subtrama, que se compone de seis subtramas consecutivas en el sistema LTE original, por lo que su duración de tiempo es de 6 milisegundos, y seis subtramas M constituyen una trama M (Figura 3, en una subtrama M, la unidad de programación más pequeña es). un bloque de recursos de radio de capa física (PRB), lo que significa que una subtrama M puede soportar hasta seis terminales.
Figura 3 Fuente de la imagen del diseño del paquete de enlace descendente NB-LTE: 3GPP TR 45.820
En la parte del enlace ascendente, se utiliza SC-FDMA y el terminal puede utilizar de manera flexible cada recurso del operador. En la aplicación de NB-IoT, el extremo receptor debe poder tolerar señales muy débiles y el retraso de tiempo puede ser grande. Dado que cada terminal debe estar alineado en el tiempo con la estación base, el error de tiempo debe ser menor que el cíclico. prefijo. Prefijo, CP), por lo que el diseño del CP debe ampliarse aún más, de modo que el ancho de banda de la subportadora esté diseñado para ser una sexta parte del original, a 2,5 kHz. Esto también puede permitir que el equipo terminal realice una configuración más flexible.
Gran aplicación del nuevo diseño de NB-CIoT
En NB-CIoT, OFDMA se utiliza en el enlace descendente. A diferencia del sistema LTE anterior, NB-CIoT utiliza cuarenta y ocho anchos de banda. Subportadora de 3,75 kHz y utiliza una transformada rápida de Fourier (FFT) de 64 puntos con una frecuencia de muestreo de 240 kHz, que también es diferente del antiguo sistema LTE. En términos de unidades de tiempo, un paquete NB-CIoT consta de ocho subpaquetes, y cada subpaquete se puede dividir en treinta y dos intervalos de tiempo, y cada intervalo de tiempo se divide en diecisiete símbolos (Figura 4).
Figura 4 Fuente de la imagen del diseño del paquete de enlace descendente NB-CIoT: 3GPP TR 45.820
También se ha rediseñado en cada canal de señal, como la señal de sincronización (PSS/SSS), aunque También es como LTE. El sistema utiliza una secuencia ZC (secuencia Zadoff-Chu) con una amplitud fija (amplitud constante), pero copia la transmisión dos veces para aumentar la confiabilidad de la detección. El canal físico compartido de enlace descendente (PDSCH) utiliza originalmente. un código turbo (Turbo Coding) también se ha cambiado a codificación convolucional (Convolution Coding) adecuada para pequeñas transmisiones de datos, lo que puede simplificar aún más la arquitectura y la complejidad del sistema y mejorar la capacidad del sistema para hacer frente a las necesidades de Internet de las cosas.
En la parte del enlace ascendente, se utiliza el sistema de acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA). En comparación con el sistema OFDM, no hay necesidad de ortogonalidad entre cada subportadora, por lo que no hay necesidad de un tiempo preciso. y calibración de frecuencia En términos de uso de frecuencia, NB-CIoT utiliza treinta y seis subportadoras de ancho de banda de 5 kHz y admite modulación GMSK (modificación de desplazamiento mínimo en forma gaussiana). También tiene modulación de envolvente constante PSK. Keying), que pueden proporcionar una mayor eficiencia espectral y permitir que el PA funcione en el rango de saturación para un rendimiento más eficiente.
Se puede encontrar que el diseño general de NB-CIoT es muy diferente del sistema LTE anterior, no solo en la arquitectura de tiempo de paquete, sino también en el rediseño de cada canal utilizado, por lo que para los operadores, el chip. El módulo debe rediseñarse, y el costo y la velocidad de construcción son cuestiones importantes que deben tenerse en cuenta.
NB-LTE y NB-CIoT tienen sus propios méritos
La comparación de varias tecnologías entre NB-LTE y NB-CIoT se muestra en la Tabla 2. En NB-LTE, la mayoría de ellos son diferentes a los originales. Hay sistemas LTE que son iguales, como la tecnología de acceso utilizada, FFT y frecuencia de muestreo, etc., pero NB-CIoT tiene especificaciones de diseño completamente diferentes.
Para los operadores, NB-LTE se puede aplicar directamente al sistema antiguo sin incurrir en demasiados costos y se puede implementar rápidamente en la estación base de la red celular original, mientras que NB-LTE -CIoT es diferente del LTE original en términos de diseño de paquetes, frecuencia de muestreo o tamaño de ancho de banda de la subportadora. Sin embargo, debido a que es una especificación rediseñada específicamente para Internet de las cosas, se utiliza en varias aplicaciones de Internet de las cosas. será más adecuado que NB-LTE. Por ejemplo, en términos de frecuencia de muestreo, NB-LTE sigue siendo 1,92 MHz, lo que sigue siendo una consideración importante en términos de costo del equipo, mientras que la frecuencia de muestreo de NB-CIoT se reduce a 240 kHz. , lo que puede reducir significativamente los costos de equipo y el consumo de energía.
El CP de NB-CIoT también es más largo que el de NB-LTE, lo que lo hace más resistente a retrasos de tiempo y permite distancias de transmisión más largas. Por lo tanto, tanto NB-LTE como NB-CIoT tienen diferentes ventajas. y desventajas, por lo que la tecnología final y el modelo operativo pueden no estar claros hasta que se cumplan los estándares y especificaciones establecidos por 3GPP.
La versión final de NB-IoT puede ser una de estas dos versiones, o las dos tecnologías pueden integrarse en una versión tanto como sea posible, pero deben existir varios principios técnicos, entre ellos: NB-IoT It es necesario admitir los tres métodos de implementación de Standalone, Guard Band y In Band al mismo tiempo; usar un ancho de banda de 180 kHz; usar el sistema OFDMA en el enlace descendente; usar el sistema GMSK o SC-FDMA en el enlace ascendente; las especificaciones deben ser superiores a L2; reutilizarse con el sistema LTE original tanto como sea posible.
NB-IoT es imperativo
En el futuro, al entrar en la era de Internet de todo, se producirán varias aplicaciones de back-end una tras otra. Por lo tanto, cómo implementarlas por completo. aplicaciones y cómo los operadores ¿Cómo obtener una parte del pastel? NB-IoT es sin duda una tecnología que debe promoverse. Debido a que SIGFOX o LoRa utilizan bandas de frecuencia sin licencia, la confiabilidad y seguridad de los datos son una consideración importante. Obtener beneficios también es algo que debe tenerse en cuenta. NB-IoT se basa en la arquitectura de red LTE existente y luego actualiza algunos de sus componentes de equipo, para que pueda ingresar rápidamente al mercado de Internet de las cosas para el rápido desarrollo de las comunicaciones en el futuro. y La demanda, la velocidad de construcción y de implementación son, sin duda, consideraciones muy críticas, y utiliza bandas de frecuencia autorizadas, lo que mejora en gran medida la seguridad y confiabilidad de los datos y puede reducir muchos problemas de interferencias innecesarias. Se espera que este año (2016) finalice una versión. de la especificación estándar NB-IoT a mediados de año, momento en el que podremos ver el desarrollo futuro de la IoT de banda estrecha.