1. Funzionamento del Narrow-Band IoT
1. INTRODUZIONE
Una delle caratteristiche del MTC (Machine Type Communication) è il grande spettro di
possibilità che offre. Il numero dei dispositivi MTC è di diversi ordini di magnitudine
superiore rispetto ai dispositivi tradizionali e usare la tecnologia LTE per metterli in
comunicazione, causerebbe un sovraccarico della rete nonostante il quantitativo
estremamente ridotto di dati che tali dispositivi trasmettono.
Questi dispositivi sono spesso installati senza un rifornimento di energia: conseguentemente,
si affidano unicamente sulla propria batteria e sostituirla potrebbe essere
estremamente costoso, in quanto la sostituzione andrebbe fatta solo da personale
qualificato; per questo motivo, non è raro che la durata della batteria determini la
durata della vita del dispositivo. Un’ottimizzazione del consumo di energia, pertanto, è
fondamentale per un funzionamento il più duraturo possibile; inoltre, la copertura nelle zone
in cui questi dispositivi sono inseriti è piuttosto scadente.
A queste caratteristiche, si deve aggiungere
un costo contenuto dei dispositivi stessi.
Al fine di valutare le possibili soluzioni, in
3GPP è stato discusso uno studio in cui, il
principale requisito in aggiunta a quelli
specificati sopra, è la coesistenza di
GSM, UMTS e LTE nello stesso
dispositivo.
Da questo studio, sono emerse due soluzioni: il NB-IoT e il EC-GSM, dove il secondo è
costruito sopra lo standard GSM.
Figura 1: Le tre soluzioni per uno standard IoT ottimizzato
2. 2. PANORAMICA
2.1 REQUISITI
Gli standard richiesti dal NB-IoT sono i seguenti:
• minimizzazione dell’overhead del segnale, specialmente sull’interfaccia radio
• sicurezza appropriata sull’intero sistema, includendo la Core Network
• miglioramento della durata della batteria
• supporto alla consegna di dati IP e non IP
• supporto agli SMS
Al fine di adempiere a questi requisiti, molte caratteristiche di LTE non sono
supportante, se non la riselezione della cella nello stato di idle, sebbene avvenga
in modo più semplicistico. Anche diverse caratteristiche di LTE-A non sono supportate,
quali il Carrier Aggregation, la Dual Connectivity o i servici device-to-device:
conseguentemente, tutti i servizi che richiedono un certo bitrate non sono
contemplati nel NB-IoT.
2.2 RETE
2.2.1 CORE NETWORK
Al fine di inviare dati a un’applicazione, sono state definite due ottimizzazioni per il CIoT
(Cellular IoT) nell’EPS (Evolved Packet System): lo User Plane CIoT EPS e il
Control Plane CIoT EPS.
Figura 2: Rete NB-IoT per trasmissione e ricezione. In rosso, il Control Planet CIoT
EPS, in blu lo User Plane CIoT EPS
3. Sul Control Plane CIoT EPS, i dati in UL sono trasferiti dall’eNB (CIoT RAN) all’MME.
Da lì, possono essere trasferiti con il SGW (Serving Gateway) attraverso il PGW (Packet
Data Network Gateway), oppure verso il SCEF (Service Capability Exposure
Function), quest’ultimo possibile soltanto per dati non IP. Da questi nodi, vengono inoltrati
all’application server (CIoT SServices). Il SCEF è un nodo progettato per i machine data,
usato per la consegna di dati non IP e fornisce un’interfaccia astratta per i servizi
di rete.
I dati in DL sono trasmessi sullo stesso percorso ma nella direzione opposta. In questo modo,
i pacchetti sono trasmessi sulla portante radio.
Con lo User Plane CIoT EPS, i dati sono trasferiti come nel normale traffico (quindi su
portanti radio attraverso SGW e PGW): ciò crea un overhead che tuttavia semplifica
la trasmissione dei dati.
2.2.2 ACCESS NETWORK
Per l’Access Network, non c’è alcuna differenza
con LTE. Gli eNB sono connessi a MME e SGW
tramite l’interfaccia S1, con la differenza che ad
essere trasmessi sono i messaggi e i pacchetti NB-
IoT.
Sebbene non ci sia nessuna procedura
definitiva di hanodver, c’è comunque
un’interfaccia X2 tra i due nodi.
Figura 3: Architettura di rete attraverso interfaccia aerea
5. 3. PHYSICAL LAYER
3.1 OPERATION MODE
La tecnologia NB-IoT occupa una banda di 180kHz, che corrisponde a un blocco LTE. Sono
possono i seguenti operation mode:
• stand-alone operation: un possibile scenario è l’uso delle frequenze GSM; con
la loro larghezza di banda di 200kHz, c’è comunque una banda di guardia di
10kHZ su entrambi i lati dello spettro
• guard-band operation: uso dei blocchi non utilizzati all’interno delle bande di
guardia di LTE
• in-band operation: uso dei blocchi nella portante LTE
Nel modo in-band, l’assegnazione delle risorse tra LTE e NB-IoT non è fissata. Tuttavia,
non tutte le frequenze (ossia i resource block) nella portante LTE, sono consentite all’utilizzo,
ma sono ristrette ai seguenti valori:
Come indicato nella tabella, non c’è supporto al modo in-band nella banda 1.4MHz. Inoltre,
va considerato sia un conflitto tra le risorse usate nei sistemi LTE, come i CRS (Cell
Reference Signals) che il controllo del canale di downlink all’inizio di ogni subframe,
quando vengono allocate risorse per NB-IoT.
Al fine di fronteggiare diverse condizioni radio, ci sono tre livelli di CE (Coverage
Enhancement), CE0, CE1 e CE2, dove CE0 corrisponde alla normale copertura
mentre CE2 corrisponde al caso peggiore, in cui la copertura è scadente.
6. 3.2 DOWNLINK
Per il DL, ci sono tre canali fisici:
• NPBCH (Narrow Band Physical Broadcast Channel)
• NPDCCH (Narrow Band Physical Downlink Control Channel)
• NPBCH (Narrow Band Physical Downlink Shared Channel)
e due segnali fisici:
• NRS (Narrow Band Reference Signal)
• NPSS e NSSS (Primary/Secondary Synchronization Signals)
Ci sono meno canali di LTE e il PMCH (Physical Multicast Channel) non è incluso.
Le informazioni MIB (Master Information Block) sono sempre trasmesse su
NPBCH, mentre i segnali restanti e i dati vengono trasmessi su NPDSCH. Infine,
il NPDCCH, controlla il trasferimento dei dati tra UE e eNB.
Come in LTE, ogni cella ha un proprio ID assegnato, il NCellID (Narrow Band Physical
Cell ID): in totale, sono definiti 504 valori diversi per questo parametri.
Figura 3: Mappatura dei canali di trasporto sui canali fisici
7. 3.2.1 FRAME E STRUTTURA DELLO SLOT
Nel DL, si applica OFDM usando un intervallo di
15kHz tra le sottoportanti. Ogni simbolo OFDM si
compone di 12 sottoportanti che occupando
l’intera banda di 180kHz. Sette simboli OFDM
sono raccolti in uno slot, in modo che lo slot assuma
la seguente forma a griglia.
Un resource element è definito come una
sottoportante di un simbolo OFDMA: ciascuno di
essi porta un simbolo secondo lo schema di
modulazione.
Questi slot sono sommati in subframe e radio frame,
nello stesso modo in cui avviene per LTE.
Ci sono 1024 radio frame ciclicamente ripetuti, ciascuno dalla durata di 10ms. Un radio
frame è partizionato in 10 subframe (SF), ciascuno composto da due slot.
In aggiunta al sistema dei frame, c’è anche il concetto di hyper frame, che conta il numero
di periodi, ossia viene incrementato ogni volta il sistema dei frame va a capo. È un
contatore a 10 bit, quindi l’hyper frame può contare fino a 1024 periodi,
corrispondenti ad almeno 3 ore.
Figura 4: Resource grid per uno slot. Ci sono 12
sottoportanti per l’intera banda da 180kHz.
Figura 4: Struttura del frame per NB-IoT, per DL e UL, con spazio tra portanti di 15kHz
8. 3.2.2 NARROWBAND REFERENCE SIGNAL
Il NRS (Narrow Band Reference Signal) è trasmesso in tutti i SF e può essere usato per
trasmissioni in broadcast oppure per trasmissioni DL, poco importa se dei dati stiano
effettivamente venendo trasferiti o meno.
In base allo schema trasmissivo, il NRS può essere trasmesso su una o su due antenne. Il
mapping è il seguente:
3.2.3 SEGNALI DI SINCRONIZZAZIONE
Per una prima sincronizzazione in frame e subframe, al fine di determinare il NCellID, viene
usato il concetto di Primary Synchronization Signal (PSS) e Secondary
Synchronization Signal (SSS), preso in prestito da LTE. Grazie ad essi, si può ridefinire
anche la sincronizzazione e la stima della frequenza.
I primi tre simboli OFDM sono lasciati fuori perché potrebbero portare il PDCCH in LTE,
quando NB-IoT è in modalità in-band. Notare che mentre il nodo si sincronizza con NPSS e
NSSS, non potrebbe conoscere la modalità operativa, quindi questo intervallo si
applica a tutti i nodi.
La loro struttura è la seguente:
Figura 5: Mappatura di base del NRS verso i resource elements. In blu NRS trasmesso
sulla porta 0, in fucsia quello su porta 1
9. 3.2.4 NARROW BAND PHYSICAL BROADCAST CHANNEL
NPBCH trasporta il MIB-NB (Narrow Band Master Information Block). Il MIB-NB
contiene 34 bit ed è trasmessa in un periodo di 640ms, ossia 64 radio frame.
Il MIB-NB è poi diviso in otto blocchi. Il primo è trasmesso nel primo subframe (SF0) e
ripetuto nel SF0 dei sette radioframe consecutivi, rispettivamente. Nell’SF0 del successivo
radioframe, si effettua la stessa procedura per BL2. La procedura viene ripetuta finchè
l’intera trasmissione non è completa.
Figura 6: PSS e SSS indicati rispettivamente in celeste e verde. In viola, le posizioni del LTE CRS
Figura 7: Mapping di NPBCH in subframe
10. Usando SF0 per tutte le trasmissioni, si evita la collisione di NPBCH con una potenziale
trasmissione LTE, nel caso NB-IoT operi in modalità in-band.
La struttura del SF di NPBCH è la seguente:
Incompleto
Whitepaper Narrow Band IoT 1MA266
Figura 8: Occupazione dei resource elements di NPBCH indicati in giallo
