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吴老师撩NB-IoT(8)| 从协议栈角度看NB-IoT低成本之迷

2017/11/20
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上两篇吴老司已经扯完 NB 通过双工方式、物理层简化、硬件裁剪等手段降低成本,本篇将扯完 NB 低成本的最后一篇了,主要谈到协议栈简化、产业链等对成本的影响。(扯完算个球!)
1  新空口协议栈,阉割芯片运算能力
上篇吴老司主要谈到 NB 对物理层的简化,这里主要从整个协议栈的角度来看 NB 的简化(吴老司默认你知道物理层是协议栈的一部分,不展开讲)。
我们来将传统的 LTE 和 NB 的协议栈进行一个对比,从中可以看到 NB 是如何下定决心进入抠逼模式的(简直是一个都不放过!):
❶PHY 物理层:信道重新设计,降低基本信道的运算开销。比如 PHY 层取消了 PCFICH、PHICH 等信道,上行取消了 PUCCH 和 SRS。这个问题在上一章节已经有所提及,这里不再重复,请各位同学自觉复习《NB-IOT 低成本之葵花宝典 part2》.
❷ MAC 层:协议栈优化,减少芯片协议栈处理流程的开销。这里重点讲下,因为在吴老司看来,MAC 在 LTE 中起的作用实在是太重要了!举个栗子来说,如果说物理层是房子的根基的话,那么 MAC 层就是房子的顶梁柱!
◢仅支持单进程 HARQ(说明两点:一是 NB 中仍然有 HARQ 重传机制,二是相比于 LTE 原有的最多支持 8 个进程 process,NB 仅支持单个进程。什么意思?说明数据传输中,在没有得到 NACK/ACK 反馈之前终端都必须等着!亲,这就完全颠覆了 LTE 中多进程同时传输提升传输速率和效率的基本思想);
◢不支持 MAC 层上行 SR、SRS、CQI 上报。没了 CQI,LTE 中那么重要的 AMC(自适应调制编码技术)功能岂不基本等于武功全废?
◢不支持非竞争性随机接入功能;
◢功控没有闭环功控了,只有开环功控(这也正常,如果采用闭环功控,算法会麻烦得多,调度信令开销也会很大)。
写到这里的时候,作为老司机,我不得不说 NB 你这个败家子!LTE 的家都快让你败完了!
❸RLC 层:不支持 RLC UM(这意味着没法支持 VoLTE 类似的语音)、TM 模式(这意味着原来在 LTE 中走 TM 的系统消息,在 NB 中也必须走 AM);
PDCP:PDCP 的功能被大面积简化,原 LTE 中赋予的安全模式、RoHC 压缩等功能直接被阉割掉。被简化后,NB 中 PDCP 的功能已经弱到不能呼吸,直呼不要不要的了;
❺在 RRC 层:没有了 mobility 管理(这意味啥?意味着 NB 将不支持切换);新设计 CP、UP 方案简化 RRC 信令开销(后续会单独成篇分析);增加了 PSM、eDRX 等功能减少耗电(请参考小功耗部分讲解)。
tips:
注意吴老司对上图各层协议栈进行说明的时候,所列出各层的顺序,是遵循协议栈结构的,事实上这样的顺序是咱们理解协议栈的一个基本套路,也是咱们在学习任何一个通信协议栈的时候所建议的学习顺序。理解了这点,你也就能猜到后续吴老司在讲解 NB 的技术细节的时候的出牌套路。
不过需要特别提醒各位小同学的是,NB 的协议栈是在 LTE 的协议栈上进行修改得来的,彼此之间还是存在一定的联系,这是因为当前 LTE 的发展形势一片大好,已经形成了完整的产业链,站在 LTE 这个巨人的肩膀上,对后续 NB 成本的降低是大有好处滴。
2  产业链及运营等影响成本的因素
关于成本问题,我认为还有另外两个成本因素需要重点考虑,一是运营商的建网成本,另外一个是产业链的成熟度。
◢对于运营商建网成本,与 LoRa 相比,NB-IoT 无需重新建网,射频和天线基本上都是复用的。以中国移动为例,900MHZ 里面有一个比较宽的频带,只需要清出来一部分 2G 的频段,就可以直接进行 NB-IoT 的同时部署,甚至是 NB 和 LTE 同时部署。不过,根据吴老司《NB-IOT 低成本之葵花宝典 part1》中分析,问题没有这么简单。具体建网模式将在后续进行详细分析。
◢对于产业链来说,芯片在 NB-IoT 整个产业链中处于基础核心地位,现在几乎所有主流的芯片和模组厂商都有明确的 NB-IoT 支持计划,这将打造一个较好的生态链,对降低成本是大有好处的。比如华为收购公司 Neul 的芯片实现的比较早,已有测试样片;高通的芯片在 2016 年四季度阶段发布,而且高通的芯片是 NB-IoT 和 eMTC 双模的芯片; Intel 的芯片今年四季度会提供第一批的芯片,商用芯片也是在明年年初发布;MTK 的芯片也在研发当中,明年上半年会发布;中兴微、大唐的芯片也都在研发当中。
◢NB 在物理层下行采用 OFDMA,上行采用 SC-FDMA,这点与 LTE 基本保持了一致。另外在帧结构中也有很多是 “就 LTE 而取材”的。此外,再后续讲解 NB 的三种工作模式时,你会更清楚地看到 NB 是如何与 LTE 共呼吸同命运的。总而言之,NB 从 LTE 而来,继承了很多 LTE 的实现,且 NB 比 LTE 又要简化得多,所以这对后续研发成本、量产成本带来非常多的好处。
说这么多,吴老司用通俗点的例子来告诉你真相:简单的理解就是 NB 为了实现人生巅峰,各种傍大款,各种求带!有木有秒懂?
3  芯片成本进展
最后关于成本问题,引用一些“名言警句”(网上的报道):
❶沃达丰集团研发主管 Luke Ibbetson 认为:“如果产业链不能将单模块成本降到两三美元以下,实现大规模应用,NB-IoT 市场就做不起来。我们需要从全局角度出发,以极低的成本将物联网模块嵌入设备中”。
❷华为总裁胡厚崑认为,要想刺激 NB-IoT 大规模发展,通信模块成本必须低于 5 美元。如果成本降到 1 美元以内,则会带来爆发式增长。
所以,尽管 NB-IoT 市场前景广阔,但火热背后也存在着价格战。NB-IoT 成本极低,大规模应用下成本应降至 1 美元,目前单个连接模块还停留在 5 美元。而这种价格差距让企业思考 NB-IoT 时不得不考虑成本优势问题,虽然运营商正在积极推动,最终要真正实现技术的产品化还有很长的一段路要走。
如果真的实现,小伙伴们就可以奔走相告:妈妈再也不同担心我的肾啦!
4  低成本之葵花宝典小结
吴老司用了三个篇章的内容对 NB 低成本问题进行了阐述,下面将低成本的三个 part 内容进行下小结。
不得不说,NB 为了练成绝世神功葵花宝典,对全身上下进行了一次又一次的自宫:
◢协议栈上物理层、MAC 等进行了重大简化,降低运算能力;
◢硬件上进入抠逼模式,能省就省;
◢在产业链上尽量傍大款,各种求带。
好了,低成本篇到此结束。下篇开始,吴老司接着扒一扒 NB 的最后一个典型特点:大连接,敬请关注!
本文授权转载自“吴老师聊通信”,如需转载请联系“吴老师聊通信”微信公共帐号。

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吴细刚,一位在移动通信行业耕耘十年的老兵。创办“吴老师聊通信”微信公号,并将“吴老司撩NB-IoT系列”文章汇集成册,发表《NB-IoT从原理到实践30讲》一书。