NB-IoT物聯網覆蓋增強技術探討

蘆君

摘要：隨著通信技術的不斷發展，物聯網將為個人、社會和行業提供高效鏈接，但這又不僅僅是簡單的海量鏈接，更是辦公、購物、醫療、教育、娛樂、交通、社交等多種垂直行業的價值環節和生產要素等資源高度融合的鏈接。NB-IoT（NarrowBand-InternetofThings，窄帶物聯網）是一種3GPP定義的LPWA（LowPowerWideAreaNetwork，低功耗廣域網）基于蜂窩網絡的標準化物聯網解決方案，由于其具有深度覆蓋能力、支持海量連接、速率低、成本低、功耗低、架構優等特點，非常適合于傳感、計量、監控等物聯網應用。基于此，本文主要對NB-IoT物聯網覆蓋增強技術進行分析探討。

關鍵詞：NB-IoT;物聯網;覆蓋增強技術

1、前言

2017年6月，工信部下發《關于全面推進移動物聯網（NBIoT）建設發展的通知》。要求建設廣覆蓋、大連接、低功耗移動物聯網（NB-IoT）基礎設施、發展基于NB-IoT技術的應用，促進“大眾創業、萬眾創新”和“互聯網+”發展;網絡部署方面要求到2017年末，實現NB-IoT網絡覆蓋直轄市、省會城市等主要城市，基站規模達到40萬個。到2020年，NB-IoT網絡實現全國普遍覆蓋，面向室內、交通路網、地下管網等應用場景實現深度覆蓋，基站規模達到150萬個。由此引起廣泛的關于NB-IoT技術及應用的探討。

2、NB-IOT技術概述

2.1概述

物聯網是由物主動發起傳送、物物相連的互聯網，顧名思義，人主動控制信息傳送非物聯網范疇。依據這個概念出現了物連物（M2M）和物主動連人（M2P）的連接新時代。隨著人們對移動網絡實時性、高速率的越來越高的追求蜂窩移動通信網絡由2G、3G發展到如今的4G+階段，5G的研發和商用也在如火如荼進行，移動網絡速度由幾十Kbps發展到幾百Mbps甚至更高，但鑒于物與物連接階段的獨特特性，這些飛速發展的網絡并不適用。

NB-IOT聚焦于低功耗廣覆蓋物聯網（IoT）市場，是一種可在全球范圍內廣泛應用的新興技術。具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗少、架構優等特點。

2.2物聯網接入技術比對

在物聯網接入技術中，包括短距技術、廣域連接技術，其中廣域連接技術指傳統蜂窩網（2G/3G/4G）和LPWA等。針對新型網絡連接技術LPWA，根據標準類型的不同，分為3GPPLPWA和非3GPPLPWA，前者包括eMTC/NB-IOT，后者包括SigFox和LoRa。相比非授權頻段的LoRa及Sigfox技術，電信級的eMTC技術及NB-IOT技術更加安全可靠。

為適應物聯網的應用，3GPP制定了一系列增強型的標準，他們的速率呈倒金字塔型，見表2。這一系列的標準也達到廣覆蓋、多連接、低功耗、低成本的目標。Cat1：適用于中低速需求的應用;另外值得一提的是Cat1支持VOLTE。

Cat0：向CatM1演進的過渡版本。

eMTC：增強型機器類型通信。信道帶寬和射頻接收帶寬均為1.4MHz;降低了終端復雜度及功耗。

NB-IoT：“窄帶物聯網”Narrow-BandIoT（NB-IoT），接收帶寬僅200kHz。進一步降低功耗，提升覆蓋，尤其是遮擋區和地下覆蓋環境。

3、NB-IOT關鍵特性及應用場景

3.1NB-IOT關鍵特性

3.1.1大鏈接：小包傳輸優化空口信令開銷，減少無限資源占用。在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現有無線技術提供50-100倍的接入數。支持低延時敏感度、設備低成本、低功耗，能很好地滿足未來智慧家庭中大量設備聯網需求。

3.1.2覆蓋增強：NB-IoT覆蓋增強20dB增益，可很好地提升室內覆蓋深度和覆蓋概率。對于農村、車庫等深度覆蓋有要求的應用較適用。

3.1.3低功耗：芯片復雜度降低，工作電流小;空口信令簡化，減少單次傳輸功耗;同時PSM/eDRX機制進一步優化了信令交互傳輸功耗;長周期TAU，減少發送位置更新，降低功耗，設備續航時間大幅提升。

3.1.4低成本：NB-IoT的射頻和天線基本上都是復用的。180kHz窄帶系統，系帶復雜度降低;低采樣速率，對緩存要求較小;低速率、低功耗、低帶寬給NB-IoT芯片以及模塊帶來低成本優勢。

4、NB-IoT覆蓋增強技術

從上面分析來看，只要通過有效調整參數，增大MCL，就可以實現NB-IoT的覆蓋增強。

4.1重復傳輸，延長信號碼元的傳輸時間。碼元的重復傳輸事實上就是一個最簡單的信道編碼，盡管降低了信息的傳輸速率，但是在解調或譯碼上的可靠性，特別是在低信噪比的接收環境下更加有效。比如理想下譯碼出錯概率為10%，重復次數增加，使得整體譯碼出錯概率大大降低。如表3所示。

4.2現有的TTIbundling和HARQ重傳技術也可以實現延長信號碼元的傳輸時間。參考文獻[1]給出了相關的提升覆蓋的數值，在VoLTE的商用網絡實踐中已經證明可有效改善信號的覆蓋范圍。

4.3鑒于NB-IoT業務需求的速率很低，100bps左右已經可以實現大部分業務，所以可以采用低階的調制技術，如BPSK、QPSK、更短長度的CRC校驗碼等。

4.4在編碼方面，NB-IoT采用Turbo編碼，GPRS采用卷積碼，優勢體現在對譯碼信噪比需求降低，對應覆蓋距離有3～4dB的增強。

鑒于MTC業務在各種覆蓋增強技術方面需比GPRS增強20dB，而且可支持更低的業務速率，所以采用碼元重復傳輸是主要的覆蓋增強手段。

5、結語

NB-IOT最適宜的場景是固定/游牧終端、小數據量、低頻次、終端主動上報模式的應用，能夠充分利用低功耗的特性。現如今大量不同的物聯網應用場景有著不同的通信需求，合理地選擇恰當的無線物聯網網絡以及綜合利用各種網絡的能力成為物聯網產品和項目成功實施的關鍵要素之一。

參考文獻：

[1]戴博，袁弋非，余媛芳.窄帶物聯網（NB-IoT）標準與關鍵技術[M].北京：人民郵電出版社，2016.

[2]趙艷薇.3GPP通過NB-IoT標準物聯網行業蓄勢待發[J].通信世界，2016（17）：67