NB-IoT物聯網覆蓋增強技術及在遠程抄表系統中的應用

福州大學 林 芳

NB-IoT物聯網覆蓋增強技術及在遠程抄表系統中的應用

福州大學 林 芳

在物聯網技術方興未艾之下，誕生了一種全新的蜂窩物聯網技術，即NB-IoT基于蜂窩的窄帶物聯網技術，該技術能夠通過對當前的授權頻譜資源進行充分運用，從而使得各種物聯網業務需求可以得到有效滿足。在這一背景之下，本文將從簡單介紹NB-IoT技術的內涵與具體特點出發，結合遠程抄表系統設計，著重圍繞NB-IoT物聯網覆蓋增強技術進行簡要分析研究。

NB-IoT；物聯網；覆蓋增強技術；遠程抄表系統

0 引言

根據去年出臺的NB-IoT標準，其提出NB-IoT需要進一步實現廣域及深度覆蓋，要求NB-IoT至少要在以往GPRS即通用分組無線服務技術的基礎之上再增加20dB，并進一步降低終端成本與功耗，支持大容量終端接入其中，保障每一個終端的成本不超過5美元，并在5Wh之內可提供至少10年的支持。而增強NB-IoT物聯網覆蓋同樣也在其規劃目標當中，基于此，本文結合智能化建設中的遠程抄表系統設計，對NB-IoT物聯網覆蓋增強技術進行簡要分析。

1 NB-IoT技術的簡要概述

1.1 具體內涵

NB-IoT即Narrow Band Internet of Things，指的就是基于蜂窩的窄帶物聯網技術，其作為物聯網中一項重要的組成部分，通過利用蜂窩網絡，從而在有效完成對LTE、UMTS以及GSM等網絡進行直接部署的同時，其消耗帶寬進行有效控制[1]。一般情況下，基于蜂窩的窄帶物聯網技術所消耗的帶寬不會超過180KHz,其不僅能夠實現平滑升級，還能夠對部署成本進行有效控制。作為當前IoT領域當中的新興技術之一，NB-IoT技術可以使得廣域網蜂窩數據同低功耗的設備進行有效連接。隨著當前物聯網業務和通信需求的不斷增加，儀表智能化已成為通信產業發展的必然趨勢，基于NB-IoT技術的遠程抄表系統將成為“智慧城市”建設與發展中的重要組成。

1.2 實際特點

現階段的基于蜂窩的窄帶物聯網技術基本上能夠將帶寬控制在180kHz以內，與此同時其在上行當中分別支持間隔為15kHz的多載波以及間隔為3.75kHz的單載波，而在下行方面則主要使用OFDMA即正價頻分多址，在OFDM的運用之下子載波化信道，從而使得部分傳輸數據能夠加載與子載波之上，而下行中的子載波間隔與LTE系統相一致，均為15kHz。另外，NB-IoT技術還通過使用半雙工的方式，使用一根接收天線從而有效控制功耗以及終端成本；無論是物理下行共享信道還是物理下行控制信道，均統一使用波導磁場縱向分量為零但電場縱向分量不為零的TM傳播模式。

2 NB-IoT物聯網覆蓋分析方法

在分析和評估NB-IoT物聯網覆蓋方面，大多數人傾向于使用MCL即最大鏈路損耗的方式，即根據發射機功率獲取無線空口路徑損耗，并依照熱噪聲功率+所需信噪比的公式獲取接收機的實際靈敏度，從而精確計算出接收機的處理增益。而最大鏈路損耗等于發射功率減去接收機靈敏度值之后。與接收機處理增益相加的和，而根據上述公式可以求出接收機靈敏度；通過將熱噪聲功率密度與接收機噪聲系數和干擾余量，以及占用信道帶寬即101g進行相加，即可精確計算出有效的噪聲功率，單位為dBm。而通常情況下，熱噪聲功率密度為-174dBm/Hz，干擾余量和接收機處理增益均為0dB,終端發射功率為23dBm,另外信道不同下基站每200KHz發射功率也各不相同[2]。由此可見，將NB-IoT技術應用于遠程抄表系統管理中心數據采集、遠程終端、敏感傳輸器中，可取得良好效果。

3 NB-IoT物聯網覆蓋增強技術

3.1 重復傳輸

目前在NB-IoT物聯網覆蓋增強技術當中，最引人關注的便是通過重復傳輸的方式使得傳輸信號碼元的時間能夠得到有效延長。而重復傳輸技術從本質上來說就是通過運用一個簡單的信道編碼，使得信息傳輸速率得以有效降低。如果接收環境中信噪比比較低，則其解調以及譯碼仍然可以保持較為穩定的可靠度。譬如說在理想情況下，譯碼有10%左右的出錯率，但通過運用重復傳輸的方式，在不斷進行重復的過程中譯碼的出現錯誤的概率將越來越小。根據相關數據顯示，在進行三次重復傳輸時，譯碼的錯誤概率為0.028，而重復傳輸次數增加到五次時，譯碼的錯誤概率則降低為0.0086。重復傳輸次數增加到七次時，譯碼的錯誤概率則再次降低，到達0.0027。有研究顯示當重復傳輸次數增加到十五次時，譯碼的錯誤概率只有0.000034，基本上能夠較為精準地完成譯碼工作。

另外，筆者在查閱相關研究資料的過程中發現有研究顯示使用混合自動重傳請求，即有機整合了前向糾錯編碼以及自動重傳請求的技術同樣也可以實現延長傳輸信號碼元時間的目的。在該技術當中，如果接收方解碼失敗將對接收數據進行自動保存，并向發送方發出重傳數據的請求，之后再將重新接收的數據與之前得到的數據進行合并，重新進行解碼，此時將會產生一定分集增益，但不會增加重傳數次，因此可以有效實現降低時延。NB-IoT物聯網覆蓋增強技術的重復傳輸性，在遠程抄表傳感器系統中具有實質性應用。如將水表水量轉化為“電脈沖信號”進行數據統計與用水量（用戶存儲金額）扣除作用[3]。

3.2 低階調制

NB-IoT技術本身在業務需求方面并不需要過高的速率，有研究顯示在NB-IoT當中超過八成的任務可以在100bps以內的速率下得以有效完成，因此人們提出在增強NB-IoT物聯網覆蓋方面可以使用包括BPSK、QPSK等在內的低階調制技術。所謂的BPSK技術指的就是二進制相移鍵控，是一種將模擬信號轉換成數據值的方式，在信息鍵控移相的表現方面，則主要是使用偏離相位的復數波浪組合。其通過運用基準正弦波以及相位反轉波浪，使得兩方分別為0和1，進而可以完成對2值信息的同步傳送與接收。而QPSK技術則指的是正交相移鍵控技術，是當前數字調制中一種常用的方法手段，雖然其擁有兩種相移方式即絕對和相對相移，但考慮到前者中經常會存在相位模糊的情況，因此基本上在實際使用過程中以相對相移方式為主。

通過相關實踐證明，在低階調制技術的幫助之下，基于NB-IoT技術的遠程抄表不進集成了GPRS通信技術遠程抄表功能，且在一定程度上提升了信息存儲量，其覆蓋能力達到了164dB以上，進一步突破了地域與位置的限制，其流量統計的安全性也有所提升，在一些大型企業或儀表系統中具有重要應用價值。

3.3 編碼技術

在以往的通用無線分組技術當中，使用的是卷積碼即用n個比特編寫k個信息比特，但無論是k值還是n值均比較小，在傳輸過程中可以使用串行的形式，而這對于降低時延有著積極作用。在卷積碼的分組編碼過程中，本組中的n-k個校驗元只同本組中的k個信息元有關，而在譯碼時隨著約束長度不斷增加，卷積碼的糾錯能力也越來越強。而在NB-IoT技術當中則選擇使用Turbo編碼，其作為信道編碼學中的重要一種，長碼擁有偽隨機性。NB-IoT通過運用Turbo編碼，可以通過使用并行級聯的方式使用偽隨機交織器，將原本兩個簡單的分量碼進行重新交織使之形成一個具有偽隨機性的長碼，此后利用多次迭代的方式在兩個軟入/軟出譯碼器之間完成偽隨機譯碼[4]。相比于通用無線分組技術使用的卷積碼，NB-IoT技術使用的Turbo編碼能夠將譯碼信噪比需求降至最低，而通過實踐證明NB-IoT技術通過使用Turbo編碼確實能夠增強大約3到4dB左右的覆蓋距離，可見Turbo編碼對于NB-IoT物聯網增強覆蓋具有積極作用。因此，基于NB-IoT技術的遠程抄表其成本更低，靈敏度與數據準確性更高。

3.4 降低時延

除上述技術之外，NB-IoT還可以通過盡可能降低時延要求，并在其部分下行物理信道當中適當增強功率，同樣可以在一定程度上起到增強Power Boost物聯網覆蓋的效果。有數據顯示，通過使用功率增強的方式，基于蜂窩的窄帶物聯網技術相對應的覆蓋距離基本上能夠增加大約5dB左右，但總體上來看當前眾多用于增強NB-IoT物聯網覆蓋的技術當中，仍然以重復傳輸碼元的技術增強的覆蓋效果最為顯著。

4 結束語

總而言之，在“智慧城市”推動下，為有效實現NB-IoT技術在各領域中的有效應用，如遠程抄表系統等，業內學者紛紛加入到研究NB-IoT物聯網覆蓋增強技術的行列當中，并提出了包括重復傳輸、低階調制、降低時延等在內的眾多技術，并確實能夠在一定程度上達到增強沒覆蓋的效果。相信隨著科學技術的進一步發展，還將出現更多能夠有效增強NB-IoT物聯網覆蓋的技術，用以更好地推動NB-IoT物聯網技術的長久穩定發展。

[1]戴國華,余駿華．NB-IoT的產生背景、標準發展以及特性和業務研究[J]．移動通信,2016,07：31-36．

[2]盧斌．NB-IoT物聯網覆蓋增強技術探討[J]．移動通信,2016,19：55-59．

[3]佘莎,黃嘉銘．基于理論和實測的NB-IOT覆蓋分析[J]．移動信息,2016,12：72-74．

[4]彭雄根,李新,陳旭奇．NB-IoT技術的發展及網絡部署策略研究[J]．郵電設計技術,2017,03：88-90+94．