NB-IoT系統(tǒng)概述及特點

武可杰 耿蕾

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NB-IoT系統(tǒng)概述及特點

武可杰1耿蕾2

1.中國聯(lián)通陜西省榆林市分公司，陜西 西安 710075 2.中國聯(lián)通陜西省分公司，陜西 西安 710075

主要描述了移動窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT系統(tǒng)的主要特點、網(wǎng)絡部署模式、NB-IoT網(wǎng)絡與4G網(wǎng)絡的不同，重點介紹了NB-IoT系統(tǒng)的低成本、低功耗、強覆蓋、大連接的優(yōu)點。

NB-IoT系統(tǒng)；部署模式；NB-IoT 系統(tǒng)特點

1 NB-IoT系統(tǒng)簡介

物聯(lián)網(wǎng)有很多技術，在IoT之前加上NB（Narrow Band），連起來NB-IoT即為Narrow Band Internet of Things，翻譯過來是窄帶物聯(lián)網(wǎng)。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）成為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡的一個重要分支。NB-IoT構建于蜂窩網(wǎng)絡，只消耗大約180?kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡、UMTS網(wǎng)絡或LTE網(wǎng)絡，以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級。

2 NB-IoT系統(tǒng)的主要特點

NB-IoT屬于LPWA技術的一種，它具備強覆蓋、低成本、小功耗、大連接這四個關鍵特點。之所以制定NB技術的四大特點，主要是因為當前采用2G/3G/4G承載物聯(lián)網(wǎng)應用有以下主要問題。

（1）典型場景網(wǎng)絡覆蓋不足，例如室內(nèi)的無線抄表、邊遠地區(qū)的環(huán)境監(jiān)控和地下資源監(jiān)控。

（2）終端功耗過高（使用5?Wh電池），2G終端待現(xiàn)網(wǎng)能力差距。

（3）2G/3G/4G無法滿足未來海量終端的應用。

（4）終端種類多、批量小，開發(fā)門檻高，通信模塊成本高，綜合成本高。

以下就主要介紹這四個關鍵特點。

2.1 NB-IoT 系統(tǒng)特點——強覆蓋

強覆蓋，覆蓋廣且深，比GSM覆蓋增強20?dB+。實現(xiàn)方法：（1）提升功率譜密度（約7dB）；（2）多次重傳，（約12dB）；（3）多天線增益（0～3dB）。

提升IoT終端的發(fā)射功率譜密度（PSD，Power Spectral Density），NB上行傳輸有兩種帶寬3.75?kHz和15?kHz可供選擇，縮小帶寬，在功率不變的情況下，即提升了功率譜密度。NB通過重復發(fā)送，獲得時間分集增益，并采用低階調(diào)制方式（QPSK，BPSK），提高解調(diào)性能，增強覆蓋。通過天線分集產(chǎn)生覆蓋增益[1]。例如，對于1T2R來說，比1T1R會有3?dB的增益。（NB支持1T2R，2T4R）。

2.2 NB-IoT 系統(tǒng)特點——低功耗

基于AA電池，使用壽命可超過10年。當前主流通信系統(tǒng)LTE的節(jié)電技術，重點是DRX；而NB中的兩大節(jié)電技術就是eDRX、PSM。

（1）PSM：Power Saving Mode，即在IDLE態(tài)下再新增加一個新的狀態(tài)PSM（IDLE的子狀態(tài)）。在該狀態(tài)下，終端射頻關閉（即能關的都關，進入冬眠狀態(tài)了，而以前的DRX狀態(tài)是淺睡狀態(tài)），相當于關機狀態(tài)（但是核心網(wǎng)側還保留用戶上下文，用戶進入空閑態(tài)/連接態(tài)時無須再附著/PDN建立）。

（2）eDRX：作為Rel-13中新增的功能，相比DRX技術，eDRX主要思想即為支持更長周期的尋呼監(jiān)聽，從而達到節(jié)電目的。LTE 傳統(tǒng)的2.56?s的尋呼間隔對IoT終端的電量消耗較大，而在下行數(shù)據(jù)發(fā)送頻率時，通過核心網(wǎng)和終端的協(xié)商配合，終端跳過大部分的尋呼監(jiān)聽，從而達到省電的目的。終端和核心網(wǎng)通過Attach和TAU流程來協(xié)商eDRX的長度（up to 2.92?h）。

2.3 NB-IoT 系統(tǒng)特點——低成本

2.3.1 芯片價格低于1美元，具體實現(xiàn)方法

（1）半雙工（Half Duplex）。

（2）簡化信道及物理層（協(xié)議棧上物理層、MAC等進行了重大簡化，降低運算能力）。

（3）新硬件結構，裁剪不必要的硬件。

2.3.2 協(xié)議棧簡化

（1）PHY物理層：信道重新設計，降低基本信道的運算開銷。比如PHY層取消了PCFICH、PHICH等信道，上行取消了PUCCH和SRS。

（2）MAC層：協(xié)議棧優(yōu)化，減少芯片協(xié)議棧處理流程的開銷。

僅支持單進程HARQ（說明兩點：一是NB中仍然有HARQ重傳機制；二是相比于LTE原有的最多支持8個進程Process，NB僅支持單個進程。這說明數(shù)據(jù)傳輸中，在沒有得到NACK/ACK反饋之前，終端都必須等著，完全顛覆了LTE中多進程同時傳輸提升傳輸速率和效率的基本思想）；不支持MAC層上行SR、SRS、CQI上報。沒了CQI，LTE中那么重要的AMC（自適應調(diào)制編碼技術）功能基本沒有了；不支持非競爭性隨機接入功能，功控沒有閉環(huán)功控了，只有開環(huán)功控（如果采用閉環(huán)功控，算法就會復雜得多，調(diào)度信令開銷也會很大）。

（3）RLC層：不支持RLC UM（這意味著沒法支持VoLTE類似的語音）、TM模式（這意味著原來在LTE中走TM的系統(tǒng)消息，在NB中也必須走AM）。

（4）PDCP：PDCP的功能被大面積簡化，原LTE中賦予的安全模式、RoHC壓縮等功能直接被閹割掉。

（5）在RRC層：沒有了Mobility管理（意味著NB將不支持切換）；新設計CP、UP方案簡化RRC信令開銷；增加了PSM、eDRX等功能減少耗電。

2.3.3 新硬件結構，裁剪不必要的硬件

（1）終端側RF進行了閹割，據(jù)當前了解到的情況，主流NB終端支持1根天線（當然，協(xié)議規(guī)定NRS支持1或者2天線端口）。

（2）天線模式也就從原來的1T /2R變成了現(xiàn)在的1T/1R，天線本身復雜度，當然也包括天線算法都將有效降低。

（3）FD全雙工閹割為HD半雙工，收發(fā)器從FDD-LTE的兩套減少到只需要一套。

（4）低采樣率、低速率，可以使得緩存Flash/RAM要求?。?8 kByte）。

（5）低功耗，意味著RF設計要求低，小PA功放就能實現(xiàn)（基帶板減?。?/p>

（6）直接砍掉IMS協(xié)議棧，這也就意味著NB將不支持語音（注意實際上eMTC是可以支持的）。

2.4 NB-IoT 系統(tǒng)特點——大連接

50?000以上用戶容量/小區(qū)，單小區(qū)50?000用戶如何做到取決于以下幾個因素。

（1）NB的話務模型決定。NB-IoT的基站是基于物聯(lián)網(wǎng)的模式進行設計的。物聯(lián)網(wǎng)的話務模型和手機不同。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，用戶的連接數(shù)或者接入數(shù)目是控制在1?000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50?000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(wǎng)維持，一旦有數(shù)據(jù)發(fā)送，就可以迅速進入激活態(tài)。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入用戶。

（2）上行調(diào)度顆粒小，效率高。2G/3G/4G的調(diào)度顆粒較大，NB-IoT因為基于窄帶，上行傳輸有兩種帶寬3.75?kHz和15?kHz可供選擇，帶寬越小，上行調(diào)度顆粒小很多，在同樣的資源情況下，資源的利用率會更高，即更小的調(diào)度顆粒、更多的并發(fā)用戶數(shù)。

（3）減小空口信令開銷，提升頻譜效率。目前系統(tǒng)主要支持CP方案與LTE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(shù)據(jù)（DoNAS），實現(xiàn)空口信令交互減少，從而降低終端功耗，提升頻譜效率。

3 NB-IoT網(wǎng)絡部署模式

3GPP為NB-IoT定義了3種部署模式。

（1）“In-band模式”。與傳統(tǒng)LTE小區(qū)共享軟硬件資源，利用原有LTE小區(qū)一個或幾個PRB作為NB-IoT載波。

（2）“Stand-alone模式”。不與傳統(tǒng)LTE小區(qū)共享軟硬件資源，利用例如GERAN系統(tǒng)中的頻段資源，替換其中的1個或幾個GSM載頻，作為NB-IoT載波；或者建立一個全新的NB-IoT小區(qū)。

（3）“Guard-band模式”。與傳統(tǒng)LTE小區(qū)共享軟硬件資源，利用LTE載波保護頻帶內(nèi)未用資源作為NB-IoT載波。

4 NB-IoT網(wǎng)絡與4G網(wǎng)絡的不同

NB-IoT具備強覆蓋、低成本、小功耗、大連接這四個關鍵特點，同時具有帶寬小、速率低、信道簡化這三個主要因素用來降低芯片成本[2]。

4.1 覆蓋方面

（1）因子載波帶寬降低（15?kHz，3.75?kHz），因而提升功了率譜密度。NB-IoT與GSM相比，PSD帶來的增益為7?dB；與LTE比PSD帶來的增益會更高，達到17?dB。

（2）通過PSD增益、重傳增益等方式，整體覆蓋相比GSM增益20?dB。對比3G，4G網(wǎng)絡彌補了典型場景網(wǎng)絡覆蓋不足的問題，例如室內(nèi)的無線抄表、邊遠地區(qū)的環(huán)境監(jiān)控和地下資源監(jiān)控（4G規(guī)劃指標穿透1層墻）。

4.2 功耗方面

（1）NB-IoT eDRX耗電是LTE DRX的1/16，省電效果是非?？捎^的。LTE DRX 24小時耗電24?mAh，NB-IoT eDRX 24小時耗電1.5 mAh。

（2）NB-IoT PSM 為NB-IoT新增加一個狀態(tài)（相對于IDLE的子狀態(tài)）主要目前是用于省電。PSM模式下耗電量是普通的空閑態(tài)下的耗電量的1/200。

（3）NB-IoT引入超幀概念。1024個系統(tǒng)幀為一個超幀。NB的尋呼監(jiān)聽周期為：2.92?h。LTE的尋呼監(jiān)聽周期為2.56?s。終端和核心網(wǎng)通過Attach和TAU流程來協(xié)商eDRX的長度（up to 2.92?h= 1?024（超幀）×1?024（系統(tǒng)幀）×10（無線幀）×1（子幀）/3?600×1?000）。

4.3 容量方面

（1）NB-IoT理論容量為：50?000以上用戶容量/小區(qū)，遠遠大于LTE網(wǎng)絡容量。

（2）NB-IoT的終端發(fā)送的都為小包，發(fā)送包對時延的要求也不敏感，因此可以多接入用戶。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，用戶的連接數(shù)或者接入數(shù)目是控制在1?000左右（單小區(qū)典型用戶為400），遠遠小于NB。

5 結束語

NB-IoT是IoT領域一個新興的技術，支持低功耗設備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）。NB-IoT支持待機時間長、對網(wǎng)絡連接要求較高設備的高效連接。據(jù)說NB-IoT設備電池壽命可以提高至少10年，同時還能提供非常全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋。因為NB-IoT自身具備的這些優(yōu)勢，使其可以廣泛應用于多種垂直行業(yè)，如遠程抄表、資產(chǎn)跟蹤、智能停車、智慧農(nóng)業(yè)等。目前包括我國運營商在內(nèi)諸多運營商都在開展NB-IoT研究。

[1]徐彤. LTE網(wǎng)絡與UMTS網(wǎng)絡在隨機接入中的對比研究[J]. 科技廣場，2014（10）：121-123.

[2]鮑煒，孫韶輝，李國慶. LTE/LTE—A系統(tǒng)自組織網(wǎng)絡技術和標準化進展[J]. 中興通訊技術，2013（1）：5-8.

NB-IoT System Overview and Features

Wu Kejie1Geng Lei2

1. China Unicom Shaanxi Province Yulin City Branch, Shaanxi Xi’an 710075 2. China Unicom Shaanxi Branch, Shaanxi Xi’an 710075

The paper mainly describes the main features of the mobile narrowband Internet of Things NB-IoT system, the network deployment mode, the difference between the NB-IoT network and the 4G network, and focuses on the advantages of low cost, low power consumption, strong coverage, large size and wide connection of the NB-IoT system.

NB-IoT system; deployment mode; NB-IoT system characteristics

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