NB—IoT低功率窄帶物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)及部署策略

【摘要】隨著萬物互聯(lián)的需求的提出，運(yùn)營(yíng)商提出了基于蜂窩的NB-IoT、eMTC等低功率、廣域覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)。NB-IoT低功率窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主流技術(shù)之一，具有低速率、低成本、廣覆蓋、網(wǎng)絡(luò)通信能力強(qiáng)等特點(diǎn)，首先通過對(duì)物聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)和各個(gè)組成部分功能的介紹；其次，從產(chǎn)業(yè)鏈的成熟角度對(duì)NB-IoT的技術(shù)進(jìn)行研究，并討論運(yùn)營(yíng)商低速率、廣域覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)部署策略。

【關(guān)鍵詞】NB-IoT；窄帶物聯(lián)網(wǎng)；低速率；網(wǎng)絡(luò)部署策略

NB-IoT Low Power Narrow-Band Internet Access Technology And Deployment Strategy

Xia Lin

（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， LtdXi'anShaanxi710119）

【Abstract】With the demand of the interconnection of all things， the carrier proposes the Internet access technology of the Internet based on NB-IoT and eMTC. NB-IoT low power narrowband Internet communication technology is one of the main trend of the development of the Internet of things technology， with low rate， low cost， wide coverage， network communication ability and other characteristics， first through the Internet of the overall architecture and function of various components of the introduction； Secondly， from the perspective of industry chain of the mature technology of NB-IoT research， points out that the NB-IoT low rate of narrow-band IoT application advantages， and discuss the operator low rate， wide area coverage of IoT business development and network deployment strategy.

【Key words】NB-IoT；Narrow-band Internet of things；Low rate；Network deployment strategy

1. 背景

（1）隨著人人通話的飽和以及物物連接在各個(gè)行業(yè)的滲透，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為時(shí)代發(fā)展下的產(chǎn)物，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)也將呈現(xiàn)大規(guī)模的增長(zhǎng)。根據(jù)IDC公司的預(yù)測(cè)，到2020年，全球物聯(lián)網(wǎng)總連接數(shù)將達(dá)到300億，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到1.7萬億美金。智慧交通、智能制造、智慧家庭、智慧醫(yī)療等新興市場(chǎng)的開啟，預(yù)示著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)正在穩(wěn)步邁入“重點(diǎn)聚焦、跨界融合、集成創(chuàng)新”的全新里程，萬物互聯(lián)的理念已經(jīng)有了初步的基礎(chǔ)。

（2）NB-IoT是運(yùn)用3GPP技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)而實(shí)施的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，它主要是面向長(zhǎng)距離、低速率、低功耗、多終端業(yè)務(wù)的智能設(shè)備的通信技術(shù)，系統(tǒng)的功耗低、成本低、連接能力強(qiáng)、覆蓋能力強(qiáng)是NB-IoT主要優(yōu)勢(shì)，特別適合遠(yuǎn)距離、多終端智能設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)。NB-IoT是低速率窄寬度物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，而物聯(lián)網(wǎng)的特征如圖1所示。

（3）移動(dòng)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的整體架構(gòu)包括三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。物聯(lián)網(wǎng)的整體架構(gòu)如圖2所示。

（4）NB-IoT作為一個(gè)全新的網(wǎng)絡(luò)，在幀結(jié)構(gòu)、時(shí)隙結(jié)構(gòu)、物理信道、不連續(xù)接收模式等方面與傳統(tǒng)的LTE網(wǎng)絡(luò)都有較大的差別，本文接下來重點(diǎn)分析NB-IoT的基本原理和中國(guó)移動(dòng)NB-IoT的部署策略。

2. NB-IoT的基本原理

2.1NB-IoT的幀結(jié)構(gòu)。

（1）為了減少RF和基帶的復(fù)雜性，同時(shí)便于GSM頻率再利用，NB-IoT的系統(tǒng)帶寬與GSM相一致，都是200kHz，NB-IoT的傳輸帶寬是180kHz。NB-IoT的下行幀結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的LTE幀結(jié)構(gòu)相同，即1個(gè)無線幀（10ms）包含10個(gè)長(zhǎng)度為1ms的子幀，1個(gè)子幀包含2個(gè)長(zhǎng)度為0.5ms的時(shí)隙。在下行，NB-IoT只支持15kHz的子載波間隔，不支持7.5kHz的子載波間隔，僅支持常規(guī)CP，不支持?jǐn)U展CP。

（2）NB-IoT上行有兩種幀結(jié)構(gòu)可供選擇，子載波帶寬為15kHz的幀結(jié)構(gòu)與LTE的下行幀結(jié)構(gòu)相同，1個(gè)10ms的無線幀包含10個(gè)1 ms的子幀，180kHz帶寬上共有12個(gè)子載波；子載波帶寬為3.75kHz的幀結(jié)構(gòu)是一種新設(shè)計(jì)的幀結(jié)構(gòu)，1個(gè)10ms的無線幀包含5個(gè)長(zhǎng)度為2ms的時(shí)隙，180kHz帶寬上共有48個(gè)子載波。上行無線子幀時(shí)隙結(jié)構(gòu)如圖3所示。

（3）下行采用OFDMA多址接入技術(shù)，在頻域內(nèi)帶寬為200kHz，（兩邊各保留10kHz，實(shí)際占用180kHz），子載波帶寬為15kHz，子載波數(shù)目為12。而時(shí)域重用LTE幀結(jié)構(gòu)類型1，一個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度為0.5ms，一個(gè)時(shí)隙包含7個(gè)符號(hào)，一個(gè)字幀包含2個(gè)時(shí)隙，一個(gè)無線幀包含10個(gè)子幀，一個(gè)超幀包含 1024個(gè)無線幀，下行無線子幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2NB-IoT的物理信道。endprint

2.2.1為了減少實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，NB-IoT精簡(jiǎn)了不必要的物理信道，在下行只有三種物理信道和兩種參考信號(hào)，在上行只有兩種物理信道和一種參考信號(hào)。

三種下行物理信道分別如下：

（1）NPBCH（Narrowband Physical BroadcastCHannel，窄帶物理廣播信道）：NPBCH信道傳遞系統(tǒng)幀號(hào)、NB-SIB1的調(diào)度信息、接入限制和操作模式等信息，采用QPSK調(diào)制方式。

（2）NPDCCH（Narrowband Physical Downlink ControlCHannel，窄帶物理下行控制信道）：NPDCCH信道用于指示NPDSCH、NPUSCH的傳輸格式、資源分配等信息，采用QPSK調(diào)制方式（NPDCCH格式見表1）。

（3）NPDSCH（Narrowband Physical Downlink Shared CHannel，窄帶物理下行共享信道）：只支持QPSK，最大TBS是680bits。

通過多次傳輸來增加下行覆蓋。兩種下行物理信號(hào)分別如下：

（4）NRS（Narrowband Reference Signal，窄帶參考信號(hào)）：NRS信號(hào)用于下行信道質(zhì)量測(cè)量和信道估計(jì)，用于NB-IoT UE的相干檢測(cè)和解調(diào)。

（5）NSS（Narrowband Synchronization Signal，窄帶同步信號(hào)）：NSS信號(hào)用于時(shí)間同步，確定小區(qū)唯一的PCI（Physical Cell Identity，物理小區(qū)號(hào)）。

2.2.2總之，NB-IoT的物理信道通過降低目標(biāo)速率、多次傳輸、采用低階調(diào)制方式等措施，以達(dá)到增加覆蓋、降低成本、降低功耗的目的。

2.3下行最大鏈路損耗（Maximum Coupling Loss，MCL）計(jì)算如表2所示。

3. NB-IoT部署策略

就目前中國(guó)移動(dòng)的NB-IoT部署策略主要涉及上行子載波帶寬的選擇、操作模式的選擇、頻率使用策略、站址選擇策略和建設(shè)方式的選擇等。

3.1頻率使用策略。

（1）NB-IoT只支持半雙工FDD模式，中國(guó)移動(dòng)目前可用的FDD頻率有900MHz頻段和1800MHz頻段。因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)設(shè)備無處不在，比手機(jī)有更高的覆蓋能力要求，而900MHz頻段比1800MHz頻段覆蓋能力強(qiáng)，因此900MHz頻段是中國(guó)移動(dòng)部署NB-IoT的首選頻段，同時(shí)NB-IoT所需的帶寬是180kHz/載波，中國(guó)移動(dòng)900MHz頻段釋放能力能夠滿足NB-IoT部署的需要。

（2）900MHz頻段目前也是中國(guó)移動(dòng)GSM語音業(yè)務(wù)的主要承載頻段，同時(shí)是中國(guó)移動(dòng)獲取LTE FDD牌照后LTE FDD部署的主要頻段，因此需要綜合考慮GSM、LTE FDD、NB-IoT的各自需要，統(tǒng)一制定GSM900頻段的使用策略。900MHz頻段使用示意圖如圖5所示：

3.2站址選擇策略。

（1）考慮到移動(dòng)性物聯(lián)網(wǎng)需求，初期的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)應(yīng)實(shí)現(xiàn)區(qū)域的連續(xù)性覆蓋，在900MHz頻段，NB-IoT最大覆蓋距離約是GSM900的2倍左右，同時(shí)中國(guó)移動(dòng)GSM站點(diǎn)在城區(qū)的站間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于GSM的最大覆蓋距離，因此中國(guó)移動(dòng)只需要在少部分GSM站點(diǎn)上部署NB-IoT即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋要求。

（2）城區(qū)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重點(diǎn)區(qū)域，建議中國(guó)移動(dòng)按照先城區(qū)后農(nóng)村的策略部署NB-IoT，對(duì)于投資的節(jié)省，建議中國(guó)移動(dòng)使用現(xiàn)在使用的GSM站址的45%來實(shí)現(xiàn)NB-IoT城區(qū)范圍內(nèi)的連續(xù)覆蓋，城市發(fā)展的后期需要，可以根據(jù)具體的需求來逐步部署。

3.3建設(shè)方式。

NB-IoT建設(shè)主要有三種方式，分別是新建NB-IoT基站、基于TD-LTE建設(shè)NB-IoT基站以及基于GSM建設(shè)NB-IoT基站。新建NB-IoT優(yōu)點(diǎn)是完全不影響現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)，可以獨(dú)立優(yōu)化繼而網(wǎng)絡(luò)性能最優(yōu)，而新建NB-IoT缺點(diǎn)是投資大、新建天饋線難度大。基于TD-LTE建設(shè)NB-IoT基站的優(yōu)點(diǎn)是不影響GSM網(wǎng)絡(luò)，可以利用舊的TD-LTE的部分硬件，投資一般，缺點(diǎn)是新建或替換天饋難度大。基于GSM建設(shè)NB-IoT基站其優(yōu)點(diǎn)是建設(shè)速度快，缺點(diǎn)是NB-IoT的優(yōu)化會(huì)影響GSM的網(wǎng)絡(luò)性能。由于基于GSM建設(shè)NB-IoT基站會(huì)給中國(guó)移動(dòng)LTE FDD帶來不利影響，因此建議中國(guó)移動(dòng)采用新建NB-IoT基站或者基于TD-LTE建設(shè)NB-IoT基站方式建設(shè)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。

4. 總結(jié)

NB-IoT是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域新興連接技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，具備覆蓋廣、多連接、低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì)。NB-IoT可直接“疊加”部署與GSM、LTE網(wǎng)絡(luò)，相比其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，NB-IoT技術(shù)具有很高的應(yīng)用價(jià)值，建議中國(guó)移動(dòng)積極開展NB-IoT實(shí)驗(yàn)網(wǎng)的建設(shè)，初期為客戶提供連接服務(wù)，中期為客戶提供平臺(tái)開放能力、提供終端，最終為客戶提供端到端的解決方案，以便在物聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值鏈中占據(jù)主導(dǎo)地位，獲取最大價(jià)值。

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[文章編號(hào)]1619-2737（2017）08-18-741

[作者簡(jiǎn)介] 夏麟，男，籍貫：陜西西安人，學(xué)歷：學(xué)士，研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。endprint