吳老師撩NB-IoT（9）| NB-IoT大連接之乾坤大挪移，每個基站都別想偷懶

吳老司已經跟大伙掰扯完了 NB 之強覆蓋、小功耗、低成本，可翻看之前的“吳老師撩 NB-IoT”系列。本篇接著介紹 NB 的最后一個典型特點：大連接。

 

乾坤大挪移的心法，實則是運勁用力的一項極巧妙的法門，根本的道理，在于發(fā)揮每個人本身所蓄有的潛力，每個人體內潛藏的力量本來是非常龐大的，只是平時使不出來，但每逢緊急關頭，往往平常一個手無縛雞之力的弱者能負千斤。-- 摘自百度

 

 

咱們今天要聊的 NB 的大連接也正應了乾坤大挪移中的：發(fā)揮每個基站本身“所蓄有的潛力”，使得一個基站“弱者能負千斤”。

 

魯迅在《秋夜》中寫道的：在我的后園，可以看見墻外有兩株樹，一株是棗樹，還有一株也是棗樹。而吳老師在寫大連接這篇的時候，有兩個感受，一個是驚呆了，還有一個也是驚呆了。（有木有覺得吳老師已經嘔心瀝血到語無倫次了，外加卡帶了？）。

 

 

第一個驚呆了是因為 NB 的容量設計確實大，可以說是海量連接，每小區(qū)可達 50K 連接，這意味著在同一基站的情況下，NB-IoT 可以比現有無線技術提供 50~100 倍的接入數。作為一個從事多年無線的老兵來說，這樣的氣場只能說碉堡天了。

 

第二個驚呆了是因為在翻閱資料的時候，發(fā)現對于 NB 的容量問題是筆糊涂賬，A 說是 50K/ 小區(qū)，B 說是 100K/ 小區(qū)，C 說是 200K/ 小區(qū)，可謂是牛皮吹破天，反正不納稅。對于一個嚴謹的工科男來說，這簡直是不負責任的態(tài)度。在查閱多方資料毫無頭緒的情況下，我只能默默地翻開了我的不傳世的秘籍：

 

 

哦，對不起，拿錯書了，是 3GPP TR45.820。所以接下來，吳老師將用鐵一般的證據告訴你：關鍵時刻，信賴全球通?。貌粶实臅r候不妨翻翻協議！）

 

1  NB 的用戶密度估算

感興趣的同學請打開 3GPP TR45.820 的附錄 Annex E: Traffic Models（容量模型），不感興趣的同學請直接看本段結論。

 

E.1   Cellular IoT device density per cell site sector

 

The cellular IoT device density per cell site sector is calculated by assuming 40 devices per household. The household density is based on the assumptions of TR 36.888 [3] for London in Table E.1-1.

解釋：NB 的用戶密度基于兩個假設，一個是假設每個家庭的 NB 用戶數在 40 個，第二是家庭的密度參考的是倫敦。

 

 

Calculation:

 

Inter-site Distance (ISD) = 1732m（站間距）

 

Cell site sector radius, R = ISD/3 = 577.3m（小區(qū)半徑）

 

Area of cell site sector (assuming a regular hexagon) = 0.86 Sq Km（小區(qū)覆蓋面積）

 

Number of devices per cell site sector = Area of cell site 

sector*Household density per Sq km*number of devices per household= 52547（小區(qū)用戶數=小區(qū)覆蓋面積*家庭密度*每個家庭中的用戶數=52547）

 

 

到這里，總算掰扯清楚了 3GPP 關于 NB 的容量目標，看起來是不是覺得很高大上？（至少我覺得這腦袋拍的挺是那么回事）

 

結論：NB 的理論容量是 1 個小區(qū)需要達到 50K 的容量。

 

 

2  單小區(qū) 50K 用戶如何做到？

第一：NB 的話務模型決定。NB-IoT 的基站是基于物聯網的模式進行設計的。物聯網的話務模型是和手機不同，它的話務模型是終端很多，但是每個終端發(fā)送的包小，發(fā)送包對時延的要求不敏感。當前的 2G/3G/4G 基站是設計保障用戶可以同時做業(yè)務并且保障時延，基于這樣的方式，用戶的聯接數或者接入數目是控制在 1K 左右（單小區(qū)典型用戶為 400）。但是基于 NB-IoT，基于對業(yè)務時延不敏感，可以設計更多的用戶接入，保存更多的用戶上下文，這樣可以讓 50k 左右的終端同時在一個小區(qū)，大量終端處于休眠態(tài)，但是上下文信息由基站和核心網維持，一旦有數據發(fā)送，可以迅速進入激活態(tài)，原理見下圖。

 

 

說得直白點就是：NB 終端大部分時間都在睡覺（最大睡覺時間為 310 個小時，將近 13 天），可以不做業(yè)務，所以基站接客可以多接點嘛（別太污哦）。具體細節(jié)可以見《NB-IOT 小功耗之太極拳》部分。

 

實際上 3GPP TR45.820 的附錄 Annex E: Traffic Models（容量模型）中還給出了 NB 的用戶模型，包括話務模型及用戶分布模型，據此即可計算出容量。不過因為容量計算必須考慮上行業(yè)務信道容量、下行業(yè)務信道容量，尋呼容量和隨機接入容量四方面，這些跟 NB 的信道和傳輸原理直接相關，技術細節(jié)多且難度大，后續(xù)等講解完 NB 的技術原理后，再單獨成篇介紹。

 

第二：上行調度顆粒小，效率高。2G/3G/4G 的調度顆粒較大，NB-IoT 因為基于窄帶，上行傳輸有兩種帶寬 3.75KHz 和 15KHz 可供選擇，帶寬越小，上行調度顆粒小很多，在同樣的資源情況下，資源的利用率會更高。具體細節(jié)可以見《3     NB-IOT 強覆蓋之降龍掌》部分。

 

 

第三：減小空口信令開銷，提升頻譜效率。這在《NB-IOT 低成本之葵花寶典》部分已經講解過，不再贅述。這里僅以 NB-IoT 在做數據傳輸時所支持的 CP 方案（實際上 NB 還支持 UP 方案，不過目前系統主要支持 CP 方案）做對比來闡述 NB 是如何減小空口信令開銷的。CP 方案通過在 NAS 信令傳遞數據（DoNAS），實現空口信令交互減少，從而降低終端功耗，提升了頻譜效率。

 

LTE：VS  NB-CP 方案

 

 

tips:

這里也可以看出技術之間是相互關聯在一起，可能是互斥關系，也可能是耦合關系。

 

3  NB-IOT 容量的一些思考

第一，  無線側需要獨立的準入擁塞控制。前文中已經講過，NB 可以跟當前 LTE、GSM 等共存，如直接在 900M 的 LTE 上開啟 NB，那么就存在 NB 和 LTE 共控制、共 BBU 等的情況 . 因為 LTE 的典型接入用戶單小區(qū)為 400，無疑，無線側需要針對 NB 設計一套獨立的準入擁塞控制算法。

 

第二，  核心網側也將面對大容量的壓力，必須做好針對性的優(yōu)化。物聯網用戶總數大，而且依然是永久在線（即使終端進入了 PSM“睡美人”狀態(tài)，核心網依然保存著用戶的所有上下文數據），核心網無論是簽約、用戶上下文管理、還是 IP 地址的分配都有新的優(yōu)化需求。此外，相對 4G，NB-IoT 核心網的業(yè)務突發(fā)性更強，可能某行業(yè)的用戶集中在某個特定的時間段，同時收發(fā)收據，對核心網的設備容量要求、過載控制提出了新的要求。

 

到此，吳老師就講解完了 NB 的四大技術特點，從下一期開始吳老師將更深入一層，介紹 NB 的一些物理層信道及工作原理，下課！