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DECT NR+:探讨非蜂窝5G技术 2023-07-04

世界上首个非蜂窝5G技术在2020年获得ETSI组织标准化,并随后于2022年被采纳为5G标准,最近受到业界的关注。DECT NR+(或者技术上称为DECT-2020 NR的标准)是有史以来第一个被纳入ITU-R定义5G标准的非蜂窝技术。DECT NR+标准可能是大规模部署物联网(IoT)的重要关键,它实现了免许可的无线5G网络,其中的设备使用mesh技术形成网络来相互连结,且仅仅需要一个外部连接。

世界上首个非蜂窝5G技术在2020年获得ETSI组织标准化,并随后于2022年被采纳为5G标准,最近受到业界的关注。DECT NR+(或者技术上称为DECT-2020 NR的标准)是有史以来第一个被纳入ITU-R定义5G标准的非蜂窝技术。DECT NR+标准可能是大规模部署物联网(IoT)的重要关键,它实现了免许可的无线5G网络,其中的设备使用mesh技术形成网络来相互连结,且仅仅需要一个外部连接。

本篇博文旨在介绍DECT NR+,包括主要特性和应用领域,以及它与5G的关联性、网络拓扑结构和频段。然后讲述DECT NR+为了成为5G标准而满足的某些具体要求,包括密度、可扩展性、可靠性和低延迟特性,以及为了达到这些要求而采用的具体技术。

一项5G技术

在过去,DECT技术是数字增强无线通信(Digital Enhanced Cordless Telecommunications)的缩写,主要用于无线电话系统。

简而言之,DECT-2020 NR标准是由ETSI组织开发的,以满足ITU-R对5G技术的要求(正式称为IMT-2020要求)。5G标准为5G技术的服务定义了三个独立用例:

dect nr+

  • 增强型移动宽带(eMBB)—— 与前几代移动网络相比,eMBB侧重于提供更快的数据速率和更大的网络容量。
  • 大规模机器类型通信(mMTC)—— mMTC旨在连接大量的低功耗设备和传感器,侧重于低功耗、高密度和可扩展性。
  • 超可靠低延迟通信(URLLC) —— URLLC旨在为需要实时响应和关键任务可靠性的关键通信和应用提供极低延迟和超高可靠性。

DECT NR+可以同时满足mMTC和URLLC要求,Nordic Semiconductor正在与解决方案合作伙伴Wirepas一起开发基于nRF91系列硬件的DECT NR+商业解决方案。我们的DECT NR+产品针对mMTC市场。

网络拓扑结构和术语

DECT NR+支持点对点、星形和mesh拓扑结构。值得注意的是,这里所说的mesh拓扑是一种不完全的mesh拓扑,称为簇树拓扑。这意味着设备会被分组成几个独立的树,称为簇。簇树拓扑是一种包含分支的星形拓扑。所有簇连接起来形成mesh网络,也就是前面所说的不完全的mesh,因为并非所有的节点都像在完全mesh拓扑中那样相互连接。

DECT NR+节点的角色可以是汇聚节点、中继节点或叶子节点。汇聚节点是接入互联网的网关,它选择工作频率,并发起信标帧传输,这表明它具有通往外部世界的路由。网络可以有多个汇聚节点与外部连接。中继节点通过将信息路由传送到其他簇和自身簇中的叶子设备来扩展网络。叶子节点是网络的最外层节点,仅能发送数据。

在点对点和星形拓扑结构中,具有互联网回程的节点被定义为汇聚节点,所有其他节点被定义为与汇聚节点相连的叶子节点。

dect nr+ cluster

mesh拓扑结构的情况更加复杂一些。该机制能够根据网络的需要自主地分配设备角色,支持网络拓扑的"自组织"和"自修复",并能解决高流量情况下的拥塞问题。每个设备都根据通往汇聚节点的可用路由来单独决定下一跳,这意味着簇树是自主形成的。上图显示了一个DECT NR+ mesh网络示例,其中有一个汇聚节点和三个簇,在三个不同的频率信道上运行。注意,在簇3中,中继节点不一定需要转发数据——节点的角色只是表明它们具备这样的功能。

频段

作为一项DECT技术,DECT NR+可以使用免许可的1.9 GHz DECT频段,该频段是全球范围专用的,除了少数地区(中国、印度、日本)之外,DECT论坛正在努力扩大使用范围。

  • 1880 MHz至1900 MHz | 欧洲、南非、亚洲大部分地区、中国香港、澳大利亚和新西兰
  • 1786 MHz至1892 MHz | 韩国
  • 1880 MHz 至 1895 MHz | 中国台湾
  • 1893 MHz至1906 MHz | 日本,正在讨论中
  • 1910 MHz 至1920 MHz | 巴西
  • 1910 MHz 至 1930 MHz | 拉丁美洲,不包括巴西
  • 1920 MHz 至 1930 MHz | 美国和加拿大
  • 1880 MHz 至 1930 MHz | 印度 – 目前仅有传统DECT,DECT NR+尚未批准

这样客户可以在全球范围部署单一产品,而不需要进行频率规划。

DECT NR+能够在DECT频段上与经典DECT共存。由于DECT NR+是为共存而制定的,因此也可以使用ISM频段。事实上,该标准支持从450MHz到6GHz的多个许可和非许可频段。Nordic解决方案首先支持经典DECT频段。

大规模机器类型通信(mMTC)

如前所述,mMTC可以满足连接大量低功耗设备和传感器的需求。这与智慧城市、农业、制造业和医疗保健等多个领域相关。满足ITU-R规定用例要求的技术必须支持数项特性,包括:

• 高密度(每平方公里100万个设备)。 • 长电池使用寿命 • 异步访问

DECT NR+实现了高度可扩展的密集网络,这部分归功于该技术的自主性和分散性。DECT NR+ IDs结构也提升了高密度网络的能力。网络ID(32位)可实现1.67亿个独特的全球网络,并且在同一无线电区域内实现256个重叠网络。无线电设备ID(48位)则能够在单个网络中实现40亿个独立的无线电设备,并且在无线电通信距离范围内实现6.5万个设备。

DECT NR+重新使用了蜂窝世界的许多已知技术,例如,结合使用循环前缀正交频分复用(CP-OFDM)技术与频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)操作,这些本质上都是充分利用可用带宽的技术。

下面的图片在顶部显示经典信道划分,说明了这一点。当采用OFDM时,信道划分可以重叠,从而节省大量的带宽。在标准中由此产生的标称带宽可从1.728兆赫扩展到221.184兆赫(对于已经熟悉OFDM的人来说,还可以扩展子载波的间距)。这使得DECT NR+能够使用最小的带宽,实现可靠性更高的数据传输,并提高数据速率。

dect nr+ channel

设备还具有自主的动态传输功率控制功能,范围从-40 dBm到+23 dBm不等,以限制密集网络中的串音现象,并实现低功耗。如果对话的对象就在旁边,根本不需要大声呼叫。

DECT NR+具有独特的省电功能集以满足延长电池使用寿命的要求。由于中继设备管理集群中的无线电使用,它们可以告诉叶子节点何时使用中继设备进行上行数据转发,从而允许中继设备在这段时间之外进入休眠。中继设备在信标信息中向叶子节点发出提示,告诉叶子节点何时必须监听下行链路数据。叶子节点仅需要监听信标信息,其信标周期从10ms到32s不等。这使得网络可以在极低延迟或允许设备休眠以节省电力之间进行选择。

另一点需要注意的是,DECT NR+在无线协议栈层面定义了许多核心功能,如路由和重传数据包。这使得多核系统能够在不需要唤醒其他核的情况下,仅使用网络核进行可靠的无线电通信,从而节省了设备用电。

超可靠低延迟通信(URLLC)

另一方面,URLLC强调超低延迟和超高可靠性,用于数据必须即时传输并且不允许失败的关键任务通信。URLLC用例使得低延迟系统首次能够考虑采用无线操作,它提供了以前只有有线连接可以达到的低延迟和可靠性,应用范围包括自主机器人、电力分配、运动控制等。一项技术必须满足许多要求,包括:

  • 超高可靠性(超过99.99%数据包交付率)
  • 端至端低延迟(应用层<50ms,无线电接口<1ms)

让我们看看DECT NR+如何满足这些要求。针对可靠性,NR+物理层采用称作混合自动重传请求(HARQ)的方法。不需要涉及太多的细节,HARQ结合了前向纠错和自动重传请求错误控制,以改善数据包及时、按顺序到达的可靠性。如果没有收到完整的数据包,接收器仍然会缓冲接收的内容,并通知发送器传送其余的数据。然后,HARQ处理将分开的传输内容合并为完整的数据包。这种组合是在物理层处理的,所以较高的协议层无需担心重传问题,这也节省了资源。

dect nr+ transmitter

中继节点还可以扫描频率信道,以最大限度地减少干扰。即使在高密度网络中,它们也可以指示其他集群内节点改变信道,以优化干扰规避,从而实现高可靠性和低延迟。

关于超低延迟要求,需要考虑数个事项。首先,DECT NR+在同一个10 ms无线电帧内支持多个接收和传输事件。该帧中有 24 个用于传输的时隙。这是因为模式转换所需的时间非常短,即从接收模式转换到传输模式所需的时间很短。这使得DECT NR+能够满足URLLC对单链路无线电层延迟小于1ms的要求。在mesh拓扑结构中,无线电链路也能够以低延迟运行,以最小化网络中的端到端延迟。

结论

自2020年标准化以来,DECT NR+已经吸引了业界的广泛关注。它是第一个被纳入5G标准的非蜂窝技术,同时用于mMTC和URLLC用例。在本篇博文中,我们探讨了DECT NR+需要满足哪些具体要求以符合这个资质,以及实现这一要求的基础技术和功能。

近期,Nordic拓展其无线产品组合,推出了用于蜂窝物联网和DECT NR+设施的全新SiP产品。这一全新端至端蜂窝物联网解决方案nRF91系列SiP包括三款nRF91系列SiP(其中有两个新器件nRF9161™和 nRF9131™)、评测和开发工具、开发软件、nRFCloud服务和技术支持。Nordic致力于为物联网企业提供完备的设计和部署解决方案。Nordic设计、支持和提供的芯片组、模块、软件和服务,带来了易用性、稳定性和成本效率。这是首次由一家企业提供全方面的蜂窝物联网解决方案。

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