مقدمه

معماری NB-IoT به‌عنوان یکی از استانداردهای کلیدی در اینترنت اشیاء صنعتی، پاسخگوی نیازهای ارتباطی گسترده و کم‌مصرف برای دستگاه‌های هوشمند است. این فناوری توسط 3GPP تعریف شده و مبتنی بر معماری LTE توسعه یافته است.

[ez-toc]

معماری NB-IoT چیست؟

برای رشد و توسعه اینترنت اشیاء (IoT) در صنعت موبایل، 3GPP فناوری‌های کلاس جدیدی را برای LPWAN استاندارد کرده است. این استاندادرها به عنوان Mobile IoT معرفی شده­اند. آنها برای فرکانس‌های مجاز طراحی شده‌اند و برای کاربردهای با نیازمندی مصرف کم انرژی، برد بلند، هزینه کم و امنیت بالا مناسب هستند. انواع مختلفی از برنامه‌های LPWA IoT به وجود آمده‌اند و نیازهای آن‌ها از یکدیگر متفاوت هستند.

یک تکنولوژی LPWAN نمی‌تواند به تنهایی پاسخگوی تمام نیازهای برنامه‌های IoT با مصرف انرژی پایین باشد و به همین دلیل، دو استاندارد دارای لایسنس و تکاملی 3GPP به نام اینترنت اشیا باند باریک Narrowband-Internet of Things (NB-IoT) و Long-Term Evolution for Machines (LTE-M) پیشنهاد شده و بر اساس LTE توسعه یافته‌اند.

معماری NB-IoT  یک استاندارد جدید برای LPWAN گسترده، جهت پشتیبانی از برد بلند و نرخ داده کم برای برنامه‌های IoT است. این استاندارد ویژگی‌های متعددی نظیر مصرف انرژی بسیار پایین، پوشش گسترده و پشتیبانی تعداد زیاد دستگاه متصل را دارد. همچنین، NB-IoT ویژگی‌های نوآورانه متعددی برای پیاده‌سازی LPWAN دارد تا مشکلات سایر فناوری­ها مانند امنیت نامناسب، قابلیت اطمینان پایین و هزینه‌های عملیاتی و نگهداری بالای شبکه را برطرف کند. NB-IoT توسط تولیدکنندگان اصلی تجهیزات و ماژول‌های موبایل قابل پشتیبانی است.

این استاندارد امکان اجرای کسب و کارهای IoT سنتی را فراهم می‌کند و فرصت‌های جدیدی برای برنامه‌های صنعتی از جمله اندازه­گیری شبکه گاز در زمینه‌های مختلف ارائه می‌دهد.

مفاهیم معماری NB-IoT

NB-IoT بر اساس ویژگی‌های LTE بنا شده است، که امکان نصب و ادغام آسان با شبکه‌های LTE را فراهم می‌کند. این استاندارد برای برنامه‌های IoT با پوشش گسترده و مصرف انرژی کم مورد استفاده قرار می‌گیرد. LTE به عنوان شبکه دسترسی سلولی نسل چهارم توسط استاندارد 3GPP تعریف شده است. این استاندارد مبتنی بر پروتکل اینترنت (IP) است و بهبود چشمگیری در عملکرد 3G را از طریق استفاده از شبکه دسترسی رادیویی (RNC) مبتنی بر OFDMA و هسته پکت (EPC) ایجاد می‌کند. معماری اساسی برای LTE/LTE-M در شکل زیر نشان داده شده است.

ویژگی های عمومی NB-IoT

توسعه فناوری NB-IoT مفهوم راه‌حل‌های هوشمند را واقع‌گرا‌تر کرد و دارای ویژگی‌های مهمی است که برنامه‌های مبتنی بر آن را قابل اطمینان­تر می­کند. ویژگی‌های مهم‌ NB-IoT شامل راندمان انرژی، ارتباطات، امنیت و فراگیری گسترده است.

مصرف انرژی پایین

NB-IoT برای افزایش کارایی توان در ارتباط گسترده از دو مکانیزم به نام حالت صرفه‌جویی توان (PSM) و eDRX استفاده می‌کند. در PSM دستگاه‌ها به حالت خواب عمیق وارد شده و به مدت طولانی بدون سیگنالینگ هستند (با حفظ اطلاعات) و می‌تواند عمر باتری تا 10 سال را به دست آورد. eDRX یک ویژگی موجود در LTE برای کاهش مصرف توان است که توسط دستگاه‌ها با افزایش دوره idle و کاهش غیرضروری Startup of Receiving Cell مورد استفاده قرار می‌گیرد.

برای برنامه‌های IoT، در دسترس نبودن دستگاه برای چند ثانیه یا بیشتر قابل قبول است. هنگامی که دستگاه در مود Listining نیست، می‌تواند از eDRX برای خاموش کردن گیرنده رادیویی برای یک مدت زمان تعریف‌شده استفاده کند تا عمر باتری تمدید شود.

پوشش گسترده

فناوری NB-IoT به منظور پشتیبانی از دستگاه‌های IoT منتشر شده است تا بتوانند در مکان‌های عمیق داخلی، فضای باز گسترده و مناطق دورافتاده که نیاز به پوشش گسترده دارند، عمل کنند. بنابراین فرصت‌هایی برای کلاس‌های جدید برنامه‌ها به‌منظور جمع‌آوری داده و کنترل تجهیزات یه وجود می­آید که در چاله‌ها (Manholes)، لوله‌ها و دیگر محیط‌هایی که زیرساخت‌های ارتباطی موجود به طور معمول دسترسی ندارند.

با افزایش نفوذ سیگنال، انتظار می‌رود که دستگاه‌ها در باندهای پایین دریافت سیگنال کار کنند، بنابراین پشتیبانی از انتقال داده قابل اعتماد به عنوان یک بخش از راه‌حل ارتباطی ارائه شود. توان پوشش NB-IoT می‌تواند با بهره‌گیری از مجموعه‌ای از تکنیک‌ها برای بهبود پوشش مانند انجام مجدد انتقال (تا 200 بار) و انتخاب مدولاسیون با فرکانس پایین در حالت مستقل (Independent Deployment) به dB 164 برسد و از ویژگی­های IoT در مورد نرخ داده و تاخیر بهره ببرد.

در شبکه‌های LTE، eUTRAN/eNodeB به عنوان کنترل کننده شبکه رادیویی (RNC) و هسته پکت به عنوان EPC شناخته می­شود. مفاهیم اصلی در شبکه‌ LTE در استاندارد 3GPP  به نام 3GPP Release 16 تعریف شده‌اند. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، ایستگاه پایه/کنترلر eUTRAN (eNodeB) وظایف دسترسی رادیویی و مدیریت را به همراه Radio Bearer (RB) به تجهیزات کاربر (UE) ارائه می‌دهد.

وظایف آن شامل کنترل ورود رادیویی (RAC)، مدیریت منابع رادیویی (RRM)، رمزنگاری، فشرده‌سازی، Mobility، Hand Over (HO)، کنترل RB، کنترل توانایی حرکت و تخصیص پویا منابع به UE در ارتباط Uplink و Downlink، برنامه‌ریزی و امنیت است. لایه فیزیکی بر اساس OFDMA در ارتباط Uplink و SC-FDMA در ارتباط Downlink است.

کانال‌های داده برای ارائه انتقال داده مؤثر و کارآمد از طریق رابط رادیویی LTE تعریف می‌شوند. این کانال‌ها با استفاده از بلوک منابع (RBs) Resourceblock  که در فرکانس 180 کیلوهرتز تعریف شده، شکل می‌گیرند. شبکه دسترسی رادیویی (RAN) دسترسی به مجموعه‌ای از باندهای فرکانسی را ارائه می‌دهد، به ویژه باندهای 1.4، 5، 10 و 20 مگاهرتز. EPC وظایف مهمی همچون مدیریت و کنترل انواع مختلف ترافیک کاربر و دستگاه و پشتیبانی و معرفی تجهیزات و برنامه‌های جدید در شبکه‌های IP بی‌سیم را ارائه می‌دهد.

عناصر کلیدی در EPC شامل مدیریت تحرک (MME)، Serving Gateway (S-GW)، Packet Data Network (PDN) Gateway (P-GW) ، قوانین و مدیریت قبض و Home Subscriber System (HSS) به همراه مجموعه‌ای از زیرسیستم‌های مرتبط  است. MME وظایف پلن کنترل (Control Plane) مربوط به مدیریت مشترک و نشست، مدیریت تجهیزات و ردیابی، به علاوه مدیریت مکان یابی را ارائه می‌دهد. S-GW مسئولیت مسیریابی داده‌های پکت و ترافیک کاربر را برعهده دارد.

P-GW گيت وي پیش‌فرض برای PDN است. مسئولیت فیلترینگ پکت و اجرای کیفیت خدمات QoS را دارد. HSS اطلاعات کاربر و دستگاه را ذخیره و به روزرسانی می‌کند، هویت مشترکان بین‌المللی تلفن همراه و پروفایل‌های تأمین شده QoS را نگهداری می‌کند. بازه زمان انتقال (TTI) در LTE کوتاهترین واحد زمانی است که eNB قادر به برنامه‌ریزی انتقال Uplink یا Downlink به کاربر می‌باشد و درLTE/LTE-M  برابر 1 میلی‌ثانیه است. اگر یک کاربر داده‌های Downlink را دریافت می‌کند، در هر 1 میلی‌ثانیه، eNB منابع را اختصاص می‌دهد و به کاربر اعلام می‌کند که داده‌های Downlink خود را از طریق Physical Downlink Control Channel (PDCCH) بررسی کند .

HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request)، که در شکل زیر نشان داده شده است، یک فرآیند است که در آن گیرنده دریافت جدید را با داده­های نادرست قبلی ترکیب می­کند. LTE / LTE-M نسخه تکمیلی تکرار HARQ را اجرا می‌کند.

در HARQ، هنگامی که گیرنده داده­های نادرست را تشخیص می دهد، آنها را دور نمی اندازد. پس از دریافت NACK، فرستنده همان داده­ها را با مجموعه دیگری از بیت های کدگذاری شده ارسال می کند. گیرنده داده های نادرستی که قبلاً دریافت کرده است، با داده جدید توسط فرستنده ترکیب می­کند و این فرآیند تکرار می شود تا گیرنده به درستی داده را رمزگشایی کند یا تعداد انتقال­ها از سقف تعیین شده بگذرد. این عملیات می تواند منجر به تأخیر و سربار کنترلی زیاد مخصوصاً در شرایطی که ارتباط رادیویی ضعیف است و فرستنده ارسال­های بسیاری را امتحان کند.

تراکم اتصال بالا

قابلیت مقیاس‌پذیری شبکه NB-IoT برای بسیاری از برنامه‌های دارای تعداد زیاد دستگاه‌ و حسگرهای هوشمند (تعداد حدوداً ده‌ها میلیارد دستگاه) ضروری است. 3GPP مقیاس‌پذیری عظیم را ارائه می‌دهد که حداقل 1 میلیون دستگاه بر هر کیلومتر مربع را پشتیبانی می‌کند تا دستگاه‌های کوچک با راندمان فوق‌العاده انرژی فراهم گردد. NB-IoT به عنوان فناوری موجود برای 3GPP برای مصرف کم انرژی، پوشش عمیق و تراکم دستگاه بالا تا 50 هزار دستگاه در هر سلول بهینه‌سازی شده است و به طور ساده با خدمات LTE همسازی می‌شود. NB-IoT و LTE با هم دسته گسترده از برنامه‌های IoT با مصرف کم انرژی را پشتیبانی می‌کنند.

حریم خصوصی و قابلیت اعتماد

فناوری NB-IoT در باندهای دارای لایسنس عمل می‌کند و به همین دلیل قابلیت اطمینان ارتباط را بهبود می‌بخشد. فرآیند استانداردسازی این فناوری به همراه مشارکت چندین ارائه‌دهنده خدمات معتبر جهانی به معنای داشتن تمام مفاهیم قابلیت اطمینان می‌باشد؛ علاوه بر آن، از تدابیر امنیتی مشابه با موارد موجود در شبکه‌های LTE نیز برخوردار است. این امر NB-IoT را مطمئن‌تر و قابل اعتماد‌تر می‌کند. برای امنیت داده، ویژگی‌هایی مانند احراز هویت امن، حفاظت از سیگنال‌ها و رمزگذاری اطلاعات از انتها به انتها در دسترس هستند.

NB-IoT از پروتکل UDP استفاده می‌کند چرا که انرژی کمتری مصرف می‌کند. سرور ابری مسئول احراز هویت و رمزگشایی اطلاعات است. همچنین، NB-IoT می‌تواند از سطوح امنیتی دیگری که در LTE تعریف شده‌اند، استفاده کند.

تئوری‌ها و ویژگی‌های اصلی NB-IoT

توسعه تکنولوژی NB-IoT بر اساس ویژگی‌های فنی و تئوری متعددی است که به عنوان ویژگی‌های کلیدی مورد نظر جهت اثرگذاری بر عملکرد و توانایی دستگاه‌ها برای فعالیت در محیط‌های پویا در نظر گرفته می‌شوند. در بخش‌های زیر ویژگی‌های اصلی مورد بررسی قرار خواهند گرفت تا مشخص شود که چه مشخصاتی تأثیرگذار بر عملکرد NB-IoT هستند.

ویژگی های کلیدی NB-IoT

راندمان NB-IoT در برنامه‌های کاربردی بر اساس اندازه‌گیری‌های نرخ داده، تعداد دستگاه‌ها و تاخیر است که مورد علاقه اپراتورها است. به علاوه ویژگی‌های کلیدی دیگری که بر عملکرد NB-IoT تأثیر می‌گذارند از جمله سربار کانال، محیط رادیویی و مشکلات تداخل است. همچنین، تخصیص منابع به دستگاه‌های اینترنت اشیا حجیم یکی از نقاط حساس است که عملکرد NB-IoT را محدود می­کند. علت این امر محدودیت‌های موجود منابع طیفی در طیف‌های فرکانس پایین است.

به همین دلیل، ضروری است ویژگی‌های تئوری و فنی اصلی NB-IoT بر اساس پارامترهای زیر بررسی گردد: سیگنالینگ و راندمان اطلاعات، آنالیز ارتباط، تحلیل تاخیر و بهبود پوشش، تا به قابلیت اطمینان و راندمان NB-IoT در برنامه‌های مختلف دست یافت.

سیگنالینگ و داده

رابطه بین سیگنالینگ و داده عامل کلیدی‌ای است که تأثیر دسترسی همزمان به ترمینال‌های اینترنت اشیا (Massive  IoT Terminals) در برنامه‌های NB-IoT را تعیین می‌کند و به رفتارهای ترمینال و مدل شبکه وابسته است. در برخی موارد، این ترمینال‌ها می‌توانند عامل ایجاد سربار سیگنالینگ باشند. به همین دلیل، برای ایجاد مدل سربار، سیگنالینگ پویا، ضروری است که آنالیز  لایه­های فیزیکی و MAC جدید در نظر گرفته شود که بتواند رابطه بین سیگنالینگ و سرویس داده را شرح دهد.

ترمینال‌های اینترنت اشیا در کاربردهای NB-IoT محدوده نرخ داده اپلیکیشن را مشخص می‌کنند. چرا که نرخ داده بخشی از ظرفیت کانال است که توسط سیگنالینگ برای انتقال داده تعیین می‌شود. علاوه بر این، نرخ داده توسط عوامل متعددی نظیر راندمان جلوگیری از تصادم (Collision Avoidnce)، سربار سیگنالینگ کنترل، مصرف کانال (Channel Utilization) و تاخیر تحت تأثیر قرار می‌گیرد. با افزایش زمان ارسال با مصرف توان کم، می‌توان نرخ داده در NB-IoT را کنترل کرد تا به بهبود مصرف انرژی ترمینال‌ها کمک کرد.

این امر باعث کاهش محدوده پوشش می‌شود. اما افزایش محدوده پوشش با کمک فرآیند تکرار مجدد انجام می‌شود. شکل زیر فرآیند تکرار کانال در NB-IoT را نشان می دهد.

در NB-IoT، تکرار یک تکنیک است که شامل تکرار ارسال متعدد است که می‌تواند محدوده پوشش اضافی تا 20 دسی‌بل ایجاد کند. هر تکرار قابلیت رمزگشایی خود (Self-Decodable) را دارد، Scramble Code برای هر انتقال تغییر می‌کند و تکرارها فقط یک بار برای همه کانال‌های NB-IoT تأیید می‌شوند. در NB-IoT، رویه دسترسی تصادفی (Random-Access Procedure) یک فرآیند است که تعداد تکرارهای دسترسی بین دستگاه‌های NB-IoT و NB-IoT eNodeB را در تعامل پروتکل لایه‌های بالاتر نشان می‌دهد. تعداد تکرارهای Preamble می‌تواند تا 128 بار تکرار شود.

تحلیل اتصال

در NB-IoT، تعداد کانکشن­هایی که می‌توان برقرار کرد به نوع سرویس‌های ارائه شده و چگونگی توزیع آن­ها در طول زمان وابسته است. محققان مطالعاتی انجام داده‌اند تا درک کنند چگونه سرویس­ها در برنامه‌های NB-IoT در طول یک شبانه­روز انجام می­شوند و تأثیر ارسال همزمان تمام دستگاه­ها بر روی شبکه چیست. در مورد LTE-M که فناوری دیگر است، چندین مکانیسم در نظر گرفته شده است تا بار بر روی کانال دسترسی تصادفی (RACH) LTE مدیریت شود و از بروز بار زیاد ناشی از تلاش زیاد دستگاه‌ها برای اتصال  همزمان به شبکه جلوگیری شود.

این مکانیسم‌ها شامل دسترسی کنترل شده دسته‌بندی شده، منابع اختصاصی RACH، تخصیص منابع پویا RACH، مکانیزم منابع اختصاصی برگشتی، TDM (Time Division Access) و تکنیک‌های پیجینگ فعال می‌شوند. برای افزایش ظرفیت در NB-IoT، محققان در حال تعیین تعداد حداکثر کانکشنی هستند که توسط کانال دسترسی تصادفی RACH NB-IoT  پشتیبانی می‌شود و به دنبال یافتن طرح تخصیص بهینه منابع برای سطوح مختلف توان دسترسی تصادفی و محدودیت‌های پهنای باند می‌باشند. این تحلیل با هدف افزایش ظرفیت و کارآیی کلی شبکه‌های NB-IoT انجام می‌شود.

تحلیل تاخیر

علاوه بر تعداد کانکشن­ها، 3GPP تأکید دارد که توسعه یک مدل محاسباتی تئوری برای تاخیر دسترسی Uplink (Uplink Access Latency) در NB-IoT بسیار حائز اهمیت است. انواع مختلفی از تاخیرها مرتبط با Deterministic Processing و عوامل دیگر برای تشخیص سیگنال هستند. به منظور دستیابی به ارتباط با تاخیر پایین و قابلیت اعتماد بالا، محققان مختلف معماری شبکه‌ای با استفاده از فناوری‌های دسترسی مختلف ارائه داده‌اند که از معماری Software-Defined Networking-Enabled Network Architecture بهره می‌برند.

تحقیقات بیشتری برای تجزیه و تحلیل ویژگی‌های آماری تاخیر دسترسی تصادفی NB-IoT، از جمله میانگین تاخیر، واریانس و توزیع احتمالی (PDF) تحت شرایط مختلف دسترسی تصادفی در حال انجام است. NB-IoT ماکزیمم تاخیر 10 ثانیه را هدف قرار داده است که به طور معمول 100 برابر بیشتر از کانکشن­های معمولی در شبکه‌های WAN است. با این حال، این میزان تاخیر برای اکثر برنامه‌های LPWAN احتمالاً کافی خواهد بود. هرچند کاهش تاخیر امکان‌پذیر است، اما این کار ممکن است با اهداف طراحی دیگری مانند تراکم بالای دستگاه‌ها تضاد داشته باشد.

افزایش پوشش

تقویت پوشش در NB-IoT از طریق اقدامات مختلف امکان پذیر است، از جمله بهبود حساسیت گیرنده و کارایی طیف. تکنیک‌های مدولاسیون تطبیقی و رمزگذاری بهبود یافته برای بهینه‌سازی این مکانیزم‌ها به کار می‌روند. یکی از رویکردها توسعه مکانیزم‌های تمایز و بهبود کلاس‌های پوشش است. با در نظر گرفتن  قدرت سیگنال (RSSI) و نسبت سیگنال به نویز و تداخل (SINR). با تنظیم دینامیک کلاس‌های پوشش بر اساس ترکیب خودکار تکرار درخواست (HARQ) و اجرای مکانیزم‌های تقویت پوشش، آستانه‌های بهینه برای کلاس‌های پوشش مشخص می‌شوند.

برای بهبود لینک، در گیرنده می­توان خطای پکت را تست کرد. این کار با استفاده از کدهای تشخیص خطا شامل Cyclic redundancy Check(CRC)، پیام‌های ACK/NACK و تکنیک ARQ ترکیب شده با کدگذاری کانال در چارچوب تکرار خودکار درخواست (HARQ) انجام می‌شود. تعداد بسته‌های مشمول در HARQ می‌تواند با استفاده از فرمول Nb = αβRd محاسبه شود، که در آن α نمایانگر شاخص مدولاسیون، β نرخ کد موثر و Rd اندازه منابع برای بسته‌های چندگانه است.

در NB-IoT، بهبود پوشش از طریق روش­های تکرار سیگنال، کانال‌های کنترل و کاهش پهنای باند برای ارتباط uplink/downlink انجام می‌شود. برای بهبود پوشش بایستی نسبت سیگنال به نویز (SNR) و نرخ کدگذاری انتقال (CR) از طریق معادلات ذیل محاسبه شود:

در معادله محاسبه SNR  داریم: Px توان رسال، L تلفات کانال، F نویز گیرنده و No چگالی نویز می­باشد.

در معادله محاسبه CR داریم: CRC بیانگر سایز بیت کد افزونگی است و RU تعداد منابع اختصاص داده شده به UE است.

برای پوشش عمیق در داخل ساختمان، NB-IoT به  MCL (maximum  coupling  loss) حدود 164 دسی‌بل نیاز دارد، که 20 دسی‌بل بیشتر از LTE است (با فرض تعداد 55000 دستگاه در رنج 10 تا 15 کیلومتر  در یک سلول).

در شبکه NB-IoT، تا سه سطح پوشش توسط سلول تعریف می‌شود. هر سطح پوششی با یک پیکربندی مرتبط است که در آن تعداد تکرارهای مورد نیاز در هر کانال فیزیکی برای ارسال و دریافت سیگنال تعیین می‌شود. تجهیزات کاربری (مانند دستگاه‌های اینترنت اشیاء) یکی از این سه سطح پوششی را بر اساس قدرت سیگنال دریافتی از سوی خود انتخاب می‌کنند. این رویکرد به تجهیزات این امکان را می‌دهد تا پوشش و ظرفیت شبکه را برای نیازهای خاص خود تنظیم کنند و با توجه به محیط نصب و شرایط فیزیکی متغیر بهترین سطح پوشش را انتخاب کنند.

 

خواص فنی NB-IoT

پهنای باند و مدولاسیون دو عامل اساسی هستند که بر عملکرد NB-IoT بر اساس مود عملکردی و ساختار فریم در Uplink یا Downlink تأثیر می‌گذارند. در ادامه، به جزئیات فنی بیشتر مرتبط با این جنبه‌های تکنیکی NB-IoT پرداخته خواهد شد.

مدولاسیون و پهنای باند طیفی

در NB-IoT، تجهیزات کاربری (UE) فقط از پهنای باند بسیار باریکی به عرض 180 کیلوهرتز پشتیبانی می‌کنند که در نهایت منجر به کاهش پیچیدگی و هزینه دستگاه‌ها نسبت به دستگاه‌های پهن‌باند می‌شود. در NB-IoT، برای ارسال downlink از OFDMA مانند LTE استفاده می‌شود. اما برای ارسال Uplink تفاوت جزئی با LTE دارد و از SC-FDMA برای داشتن پیچیدگی پایین در تجهیزات کاربری و افزایش تعداد دسترسی دستگاه‌ها یه صورت همزمان استفاده می‌شود. (با 15 کیلوهرتز برای فاصله زیرحامل‌ها). شکل 9-12 ساختار دامنه فرکانس برای NB-IoT را نمایش می‌دهد.

فناوری شبکه‌های رادیویی برای NB-IoT بر مبنای نرم‌افزار قابل ارتقاء است و سه نوع باند دسترسی به طیف را ارائه خواهد داد: 2100 مگاهرتز برای 3G و 4G، 1800 مگاهرتز برای 2G و 4G، 900 مگاهرتز برای 3G و 4G. برای پشتیبانی از این باندها، تعدادی از تراشه‌ها و ماژول‌ها توسط تولیدکنندگان مختلف طراحی شده‌اند، از جمله QUALCOMM، Intel، Ublox، Neul و Quectel. در مورد مدولاسیون، Key Sight مدعی است که مدولاسیون در ارسال از نوع BPSK (1 بیت/سمبل)، QPSK (2 بیت/سمبل)، 8PSK (3 بیت/سمبل) یا به صورت اختیاری 16QAM (4 بیت/سمبل) است. همین گزینه‌ها به جز 8PSK برای مدولاسیون دریافت نیز موجود هستند.

در NB-IoT، تأثیر پهنای باند طیف بر انتقال بین دستگاه‌های کاربری (UE) و eNB می‌تواند با استفاده از قضیه شنون بر اساس تعداد واحدهای منابع (RU) اختصاص داده شده توسط eNB به UE، وابسته به سه ویژگی انتقال یعنی SNR، بهره‌وری پهنای باند و انرژی مصرفی برای هر بیت انتقال، مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد. با در نظر گرفتن بیشینه پهنای باند به عنوان BWmax و تکرار حداقل به عنوان R = 1، SNR مورد نیاز برای UE با استفاده از حدود شنون به شکل زیر می‌تواند محاسبه شود:

که Rb نرخ انتقال اطلاعات ارسال شده براساس پهنای باند اختصاص داده شده توسط تعداد RUs است. از نرخ انتقال داده‌های UE، می‌توان بهره‌وری پهنای باند انتقال Ƴ را به دست آورد. در نتیجه:

با فرض  به عنوان باند پایین انرژی دریافتی بر بیت به نرخ چگالی توان نویز باشد و Eb انرژی هر بیت ارسالی باشد:

که در آن L نشان‌دهنده تلفات مسیر، F ضریب نویز گیرنده و No چگالی نویز حرارتی است. از معادلات فوق می‌توان مشاهده کرد که هر چه تعداد RUs بیشتر باشد، مقادیر باقی مانده ویژگی‌های انتقال تجزیه و تحلیل شده، یعنی SNR_req، Ƴ و Eb، کاهش می‌یابند.

در زمینه‌ی شبکه‌های گسترده و کم‌توانی LPWAN که به صورت استانداردو در باندهای دارای لایسنس فعالیت می‌کنند، دو راه‌حل تعاملی و متمم یکدیگر وجود دارند: (NB-IoT) و (LTE-M). این دو راه‌حل بر اساس 4G LTE ایجاد شده‌اند و به عنوان (LTE IoT) شناخته می‌شوند. این فناوری­ها به صورتی طراحی شده‌اند تا با زیرساخت‌، طیف‌ و دستگاه‌های موجود در 4G LTE در هماهنگی کامل باشند. هم‌چنین، LTE-M نیز به عنوان یک نقطه ورود و یک مکمل برای شبکه‌های آینده‌­ی مبتنی بر اینترنت اشیاء 5G عمل می‌کند.

به عنوان یک فناوری LPWAN، LTE-M از طیف وسیعی اپلیکیشن­های اینترنت اشیاء پشتیبانی می‌کند. این فناوری اصولاً برای برنامه‌های اینترنت اشیاء طراحی شده است که نیاز به نرخ داده‌های نسبتاً بالا، مصرف انرژی پایین، تاخیر کم، قابلیت حرکت و پوشش گسترده دارند. قابلیت Voice over LTE (VoLTE) نیز پشتیبانی می‌شود. LTE-M از تمام ویژگی‌های امنیتی و حریم‌خصوصی راه‌حل‌های 3GPP بهره‌مند است، از جمله پشتیبانی از هویت تجهیزات کاربر (UE)، محرمانگی، احراز هویت Entity Authentication و Data Integrity. برخی از برنامه‌های کلیدی که نیاز به این ویژگی‌ها دارند عبارتند از:

حمل و نقل هوشمند، خدمات سلامت حساس به زمان، گجت­های پوشیدنی که علائم حیاتی را مانیتور میکنند.

LTE-M همچنین برنامه‌های اینترنت اشیاء را پوشش می‌دهد که نیاز به پوشش گسترده عمیق دارند و تاخیر، قابلیت صوت، حرکت و سرعت داده دارای محدوددیت نیست.. این برنامه‌ها شامل دستگاه‌های ردیابی، شبکه‌های هوشمند، شهر هوشمند و خانه هوشمند می‌شوند. به دلیل دامنه عملکرد و پوشش گسترده‌اش و همچنین استفاده از استاندارد LTE به عنوان پایه، LTE-M یک فناوری LPWAN است که ممکن است برای تعداد بیشتری از موارد استفاده اینترنت اشیاء مناسب باشد.

مود عملیاتی

NB-IoT را می‌توان در سه سناریو عملی پیاده‌سازی کرد: مستقل (Standalone)، باند حفاظتی (Guard-Band) و در داخل باند (In-Band). در سناریو مستقل، طیفی که برای خدمات سلولی استفاده نمی‌شود، مورد استفاده قرار می‌گیرد. این سناریو نیز می‌تواند با فرمت یک یا چند کریر GSM با عرض باند 200 کیلوهرتز و یک فاصله حفاظتی 10 کیلوهرتز در هر دو طرف طیف برای انتقال ترافیک NB-IoT ایجاد شود. عملکرد سناریو باند حفاظتی با خدمات سلولی، ترافیک NB-IoT را در باند حفاظتی حامل‌های LTE با ملاحظات 1- بدون تخصیص منابع LTE و 2-جلوگیری از تداخل احتمالی قرار می­دهد.

سناریو در داخل باند به NB-IoT اجازه می‌دهد که در حامل‌های LTE قرار گیرد و منابع LTE یا NB-IoT را بر اساس تقاضا از دستگاه­های IOT یا دستگاه‌های تلفن همراه به طور کارآمدتری استفاده کند. در این سناریو نیاز به ارتقاء نرم‌افزار eNodeB می­باشد. ‏شکل زیر فرآیند اختصاص کریر بر اساس سه سناریوی عملیاتی بیان شده در NB-IoT را نشان می‌دهد.

برای گزینه مستقل، هزینه اولیه بالاتر از دیگر گزینه‌ها است زیرا نیاز به سخت‌افزار جدید برای آنتن و سیستم‌های RF است. برای هر دو گزینه در داخل باند و باند حفاظتی، هزینه اولیه مشابه است زیرا از حامل LTE استفاده می‌کنند، اما هزینه طیف متفاوت است، زیرا گزینه در داخل باند از سیگنال LTE هم‌زمان استفاده می‌کند در حالی که گزینه باند حفاظتی از منابع فیزیکی آزاد استفاده می‌کند. بر اساس گزینه‌های عملیاتی، استقرار NB-IoT باید برای دستگاه‌های کاربری شفاف باشد هنگامی که فعال می‌شود و برای جستجوی حامل NB-IoT. تنها نیاز به جستجو برای یک حامل 100 کیلوهرتزی دارد که به عنوان حامل مهم‌ترین (Anchor Carrier) معرفی اولیه UE شود.

حالت انتقال

سناریوهای انتقال در NB-IoT برای ارتباطات Uplink و Downlink بین ایستگاه‌های پایه (Base Stations) و دستگاه‌های کاربر (UE) بر اساس سه سطح پوشش (Coverage Enhancement) متغیر است: سطح CE 0 تا سطح CE 2. سطح CE 0 معادل پوشش نرمال است و سطح CE 2 معادل بدترین حالت است که می‌توان فرض کرد که پوشش بسیار ضعیف است. این سه سطح پوشش مختلف به عنوان نرمال، قوی و خیلی بد با MCL(maximum coupling loss) به ترتیب 144، 154 و 164 دسی‌بل شناخته می‌شوند.

فهرستی از آستانه‌های توان برای سیگنال‌های مرجع دریافتی برای هر سطح CE در سلول اعلام می‌شود. تأثیر اصلی سه سطح بهبود پوشش متفاوت در تعداد تکرار چندین باره پیام‌ها است. این سه سطح بهبود پوشش عمل ارتباطات Uplink و Downlink را بر اساس چندین نوع کانال اداره می‌کنند.

برای ارتباطات Uplink دو کانال فیزیکی وجود دارد: کانال فیزیکی مشترک Uplink باند باریک (NPUSCH) و کانال فیزیکی تصادفی Uplink باند باریک (NPRAHCH). از Downlink، سه کانال فیزیکی به نام کانال فیزیکی پخش باند باریک (NPBCH)، کانال فیزیکی کنترل Downlink باند باریک (NPDCCH) و کانال فیزیکی مشترک Downlink باند باریک (NPDSCH) استفاده می‌شود.

کانال‌های فیزیکی Downlink همیشه با مدولاسیون QPSK انجام می‌شوند. NB-IoT عملیات انتقال را با یک یا دو پورت آنتن با استفاده از کدگذاری بلوک فضا فرکانسی پشتیبانی می‌کند و همان طرح انتقال برای NPBCH، NPDCCH و NPDSCH اعمال می‌شود. برای حالت انتقال، تمام داده‌ها از طریق کانال‌های NPUSCH و NPDSCH ارسال/دریافت می‌شوند. ‏شکل زیر حالت‌های انتقال برای ارتباطات اپلینک و داونلینک در سناریو NB-IoT را نشان می‌دهد.

 

در ارتباطات Downlink، ارسال پیام از eNodeB به دستگاه صورت می‌گیرد و با در نظر گرفتن تدابیر متعدد برای صرفه‌جویی در مصرف باتری، این امکان فراهم می‌شود که NB-IoT فرآیند eDRX و PSM را پیکربندی کند. دستگاه برای ثانیه­هایی به حالت خواب عمیق می­رود و دیگر توسط شبکه قابل دسترسی نیست. برای شروع ارتباط، دستگاه می‌تواند TBS از 2 بایت تا 85 بایت را در لایه MAC بر اساس استاندارد در نظر گرفته شده توسط 3GPP انتخاب و سپس TBS انتخاب شده محتویاتی نظیر داده‌ها و هدر برای IP و UPD را حمل می‌کند.

در ارتباطات Uplink، دستگاه تقاضا می‌کند که با eNodeB با استفاده از فرآیند  RACH ارتباط برقرار کند. وقتی eNodeB درخواست را دریافت می‌کند، تخصیص زمان و فرکانس برای دستگاه را ارسال کرده و سپس انتقال داده Uplink و ACK/NACK انجام می‌شود.

در ارتباطات Downlink، TBS روی MAC انتخاب شده توسط دستگاه بین 2 تا 125 بایت است و محموله بر اساس هدر پروتکل لایه‌های بالاتر حمل می‌شود.

ساختار فریم NB-IoT

NB-IoT پشتیبانی از روش تقسیم فرکانس (FDD) را به صورت نیمه‌ دو طرفه (Half-Duplex) و همچنین به صورت دوطرفه کامل (Full-Duplex) دارد. در حالت FDD Half-Duplex، یک فرکانس مجزا برای ارتباط Uplink و Downlink با Guard Subframe استفاده می‌شود و گیرنده‌ها یا فرستنده‌ها همزمان هر دو عملیات را انجام نمی‌دهند. همانطور که قبلاً اشاره شد، NB-IoT از OFDM در Downlink و SC-FDMA در Uplink استفاده می‌کند هر سمبل OFDM از 12 زیرکانال با پهنای باند 180 کیلوهرتز تشکیل شده است. سمبل­های OFDMA در یک اسلات قرار می­گیرند. این سمبل‌ها به تعدادی از زیرفریم‌ها و فریم­های رادیویی (به همان شیوه که در LTE استفاده می‌شود) تقسیم می‌شوند.

در Uplink، دو نوع فریم ممکن است مورد استفاده قرار گیرد: فریم تک‌نوا (Single-Tone Frame) و فریم چندنوا (Multitone Frame)

فریم تک‌نوا اجباری است و برای تأمین ظرفیت در سناریوهای با محدودیت قدرت سیگنال و ظرفیت فشرده‌تر برای یک Subscriber با فاصله‌ی 15 یا 3.75 کیلوهرتز از طریق دسترسی تصادفی و مدت زمان سمبل بین 0.5 و 2 میلی‌ثانیه مورد استفاده قرار می‌گیرد. فریم چندنوا برای تأمین نرخ داده‌های بالا برای دستگاه‌ها در شرایط پوشش نرمال به عنوان یک قابلیت اختیاری مورد استفاده قرار می‌گیرد. تعداد Subscriber می‌تواند 3، 6 یا 12 با فاصله‌ی 15 کیلوهرتز و مدت زمان سمبل 0.5 میلی‌ثانیه باشد.

در Downlink، همانطور که در ‏شکل زیر  نشان داده شده است، ساختار فریم مشابه LTE است (Coexistance with LTE). پهنای باند  180 کیلوهرتز به 12 زیرکانال با فاصله‌ی 15 کیلوهرتز تقسیم می­شود. در حوزه زمان، هر اسلات برابر 0.5 میلی­ثانیه و معادل 7 سمبل OFDM است. هر Subframe بابر 2 اسلات یعنی 1 میلی­ثانیه است. هر فریم نیز به 10 Subframe تقسیم می­شود.

نتیجه‌گیری

فناوری NB-IoT با ویژگی‌هایی چون مصرف انرژی پایین، پوشش گسترده، امنیت بالا و مقیاس‌پذیری بی‌نظیر، گزینه‌ای ایده‌آل برای پیاده‌سازی برنامه‌های صنعتی اینترنت اشیاء است. تطبیق‌پذیری آن با معماری LTE، آن را به یک راهکار مقرون‌به‌صرفه و آینده‌نگر در ارتباطات LPWAN تبدیل کرده است.

 سوالات متداول

 تفاوت اصلی NB-IoT و LTE-M چیست؟

NB-IoT برای پوشش گسترده و مصرف پایین مناسب است، در حالی که LTE-M برای اپلیکیشن‌های با تحرک بالا و نیاز به VoLTE کاربرد دارد.

 آیا NB-IoT به زیرساخت جدید نیاز دارد؟

در سناریوهای In-Band و Guard-Band نیازی به زیرساخت جدید نیست و تنها ارتقاء نرم‌افزاری کافی است.

چه دستگاه‌هایی از NB-IoT پشتیبانی می‌کنند؟

انواع ماژول‌های ساخت شرکت‌هایی مانند Quectel، Ublox، Intel و … از NB-IoT پشتیبانی می‌کنند.

 آیا NB-IoT از امنیت سطح بالا پشتیبانی می‌کند؟

بله، NB-IoT از همان سطح امنیتی LTE با رمزنگاری، احراز هویت و محرمانگی داده پشتیبانی می‌کند.