NB—IoT系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展

張萬(wàn)春+陸婷+高音

通過(guò)與現(xiàn)有長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）系統(tǒng)對(duì)比，認(rèn)為窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）在物理層、空口高層、接入網(wǎng)、核心網(wǎng)引入的各項(xiàng)優(yōu)化特性能夠很好地滿足物聯(lián)網(wǎng)低功耗、低成本、深度覆蓋的典型需求。NB-IoT在標(biāo)準(zhǔn)體系統(tǒng)一、擴(kuò)展能力上具有巨大優(yōu)勢(shì)，必將成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在全球部署的有力推動(dòng)者。

NB-IoT；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；系統(tǒng)特性

By comparing with the existing long term evolution （LTE） system， we believe that the various optimization characteristics in physical layer， interface level， access network， core network of narrowband Internet of things （NB-IoT） can well meet the typical needs （ low-power， low-cost， depth-coverage） of IoT. With the advantages like unified standard system and easy to expand， NB-IOT will accelerate industry chain progress and enable more business opportunities.

NB-IoT； network architecture； system characteristics

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展已經(jīng)超過(guò)10年，但采用的大多是針對(duì)特定行業(yè)或非標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，存在可靠性低，安全性差，操作維護(hù)成本高等缺點(diǎn)?；诙嗄甑臉I(yè)界實(shí)踐可以看出，物聯(lián)網(wǎng)通信能否成功發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素是標(biāo)準(zhǔn)化。與傳統(tǒng)蜂窩通信不同，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用具有支持海量連接數(shù)、低終端成本、低終端功耗和超強(qiáng)覆蓋能力等特殊需求。這些年來(lái)，不同行業(yè)和標(biāo)準(zhǔn)組織制訂了一系列物聯(lián)網(wǎng)通信方面的標(biāo)準(zhǔn)，例如針對(duì)機(jī)器到機(jī)器（M2M）應(yīng)用的碼分多址（CDMA）2000優(yōu)化版本，長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）R12和R13的低成本終端category0及增強(qiáng)機(jī)器類型通信（eMTC），基于全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）增強(qiáng)等，但從產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展以及技術(shù)本身來(lái)看，仍然無(wú)法很好滿足上述物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求。其他一些工作于免授權(quán)頻段的低功耗標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，如：LoRA、Sigfox、Wi-Fi，雖然存在一定成本和功耗優(yōu)勢(shì)，但在信息安全、移動(dòng)性、容量等方面存在缺陷，因此，一個(gè)新的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)需求越來(lái)越迫切。

在這個(gè)背景下，第3代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）于2015年9月正式確定窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)[1]，全球業(yè)界超過(guò)50家公司積極參與，標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議核心部分在2016年6月宣告完成，并正式發(fā)布基于3GPP LTE R13版本的第1套NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)體系。隨著NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，NB-IoT系統(tǒng)技術(shù)和生態(tài)鏈將逐步成熟，或?qū)㈤_啟物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新篇章。

NB-IoT系統(tǒng)預(yù)期能夠滿足在180 kHz的傳輸帶寬下支持覆蓋增強(qiáng)（提升20 dB的覆蓋能力）、超低功耗（5 Wh電池可供終端使用10年）、巨量終端接入（單扇區(qū)可支持50 000個(gè)連接）的非時(shí)延敏感（上行時(shí)延可放寬到10 s以上）的低速業(yè)務(wù)（支持單用戶上下行至少160 bit/s）需求。NB-IoT基于現(xiàn)有4G LTE系統(tǒng)對(duì)空口物理層和高層、接入網(wǎng)以及核心網(wǎng)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，以更好地滿足上述預(yù)期目標(biāo)。

1 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

NB-IoT系統(tǒng)采用了基于4G LTE/演進(jìn)的分組核心網(wǎng)（EPC）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并結(jié)合NB-IoT系統(tǒng)的大連接、小數(shù)據(jù)、低功耗、低成本、深度覆蓋等特點(diǎn)對(duì)現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和處理流程進(jìn)行了優(yōu)化。

NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，包括：NB-IoT終端、演進(jìn)的統(tǒng)一陸地?zé)o線接入網(wǎng)絡(luò)（E-UTRAN）基站（即eNodeB）、歸屬用戶簽約服務(wù)器（HSS）、移動(dòng)性管理實(shí)體（MME）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（SGW）、公用數(shù)據(jù)網(wǎng)（PDN）網(wǎng)關(guān)（PGW）、服務(wù)能力開放單元（SCEF）、第三方服務(wù)能力服務(wù)器（SCS）和第三方應(yīng)用服務(wù)器（AS）。和現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)相比，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)主要增加了業(yè)務(wù)能力開放單元（SCEF）來(lái)優(yōu)化小數(shù)據(jù)傳輸和支持非IP數(shù)據(jù)傳輸。為了減少物理網(wǎng)元的數(shù)量，可以將MME、SGW和PGW等核心網(wǎng)網(wǎng)元合一部署，稱之為蜂窩物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（C-SGN）[2]。

為了適應(yīng)NB-IoT系統(tǒng)的需求，提升小數(shù)據(jù)的傳輸效率，NB-IoT系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有LTE處理流程進(jìn)行了增強(qiáng)，支持兩種優(yōu)化的小數(shù)據(jù)傳輸方案，包括控制面優(yōu)化傳輸方案和用戶面優(yōu)化傳輸方案?？刂泼鎯?yōu)化傳輸方案使用信令承載在終端和MME之間進(jìn)行IP數(shù)據(jù)或非IP數(shù)據(jù)傳輸，由非接入承載提供安全機(jī)制；用戶面優(yōu)化傳輸方案仍使用數(shù)據(jù)承載進(jìn)行傳輸，但要求空閑態(tài)終端存儲(chǔ)接入承載的上下文信息，通過(guò)連接恢復(fù)過(guò)程快速重建無(wú)線連接和核心網(wǎng)連接來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，簡(jiǎn)化信令過(guò)程。

2 NB-IoT系統(tǒng)特性

2.1 NB-IoT物理層特性

NB-IoT系統(tǒng)支持3種操作模式：獨(dú)立操作模式、保護(hù)帶操作模式及帶內(nèi)操作模式[3]。

·獨(dú)立操作模式：利用目前GSM/EDGE無(wú)線接入網(wǎng)（GERAN）系統(tǒng)占用的頻譜，替代已有的一個(gè)或多個(gè)GSM載波。

·保護(hù)帶操作模式：利用目前在LTE載波保護(hù)帶上還沒(méi)有使用的資源塊。

·帶內(nèi)操作模式：利用LTE載波內(nèi)的資源塊。

（1）NB-IoT下行鏈路

NB-IoT系統(tǒng)下行鏈路[4]的傳輸帶寬為180 kHz，采用了現(xiàn)有LTE相同的15 kHz的子載波間隔，下行多址方式（采用正交頻分多址（OFDMA）技術(shù)）、幀結(jié)構(gòu)（時(shí)域由10個(gè)1 ms子幀構(gòu)成1個(gè)無(wú)線幀，但每個(gè)子幀在頻域只包含12個(gè)連續(xù)的子載波）和物理資源單元等也都盡量沿用了現(xiàn)有LTE的設(shè)計(jì)。