NB—IoT技術(shù)及部署方案

孫凱

【摘要】本文討論了物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)NB-IoT的技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合運(yùn)營(yíng)商的資源提出相應(yīng)的建議和部署的方案。

【關(guān)鍵詞】NB-IoT；LPWAN；GSM、CDMA；LTE；物聯(lián)網(wǎng)

【Abstract】This paper discusses the technical characteristics of the standard NB-IoT， and puts forward the corresponding suggestions and deployment plan according to the resources of the operators.

【Key words】NB-IoT；LPWAN；GSM；CDMA；LTE

1. 前言

（1）移動(dòng)通信正在從人和人的連接，向人與物以及物與物的連接邁進(jìn)，萬(wàn)物互聯(lián)是必然趨勢(shì)。然而當(dāng)前的4G網(wǎng)絡(luò)在物與物連接上能力不足。事實(shí)上，相比藍(lán)牙、ZigBee等短距離通信技術(shù)，移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)具備廣覆蓋、可移動(dòng)以及大連接數(shù)等特性，能夠帶來(lái)更加豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，理應(yīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的主要連接技術(shù)。作為L(zhǎng)TE的演進(jìn)型技術(shù)，4.5G除了具有高達(dá)1Gbps的峰值速率，還意味著基于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的更多連接數(shù)，支持海量M2M連接以及更低時(shí)延，將助推高清視頻、VoLTE以及物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用快速普及。蜂窩物聯(lián)網(wǎng)正在開(kāi)啟一個(gè)前所未有的廣闊市場(chǎng)。

（2）對(duì)于電信運(yùn)營(yíng)商而言，車聯(lián)網(wǎng)、智慧醫(yī)療、智能家居等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將產(chǎn)生海量連接，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人與人之間的通信需求。

（3）因?yàn)镹B-IoT自身具備的低功耗、廣覆蓋、低成本、大容量等優(yōu)勢(shì)，使其可以廣泛應(yīng)用于多種垂直行業(yè)，如遠(yuǎn)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(guó)運(yùn)營(yíng)商在內(nèi)諸多運(yùn)營(yíng)商在開(kāi)展NB-IoT和研究。

2. NB-IoT的技術(shù)特點(diǎn)

基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）成為萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180KHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。

NB-IoT是IoT領(lǐng)域一個(gè)新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）。NB-IoT支持待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。據(jù)說(shuō)NB-IoT設(shè)備電池壽命可以提高至至少10年，同時(shí)還能提供非常全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋。NB-IoT具備四大特點(diǎn)。

2.1 強(qiáng)覆蓋。

（1）物聯(lián)網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的要求要高于現(xiàn)在人與人之間的通信。因?yàn)閭鞲衅饕话愣及惭b在如室內(nèi)、地下、機(jī)器內(nèi)等一些對(duì)深度覆蓋要求較高的場(chǎng)景。因此增強(qiáng)的覆蓋能力是NB-IoT能夠立足的基礎(chǔ)，根據(jù)計(jì)算，NB-IoT相對(duì)于GSM網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)覆蓋可以大約提高20dB， 相當(dāng)于提升了100倍覆蓋區(qū)域的能力。NB-IoT主要通過(guò)F-OFDM、Single-Tone 跳頻接入、共軛雙序列同步以及有限的重復(fù)等技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)窄帶物聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)，有效提升空口覆蓋，從而保證這種超強(qiáng)覆蓋能力。

（2）Filtered-OFDM，基于子帶濾波的OFDM，更容易獲得PSD（功率譜密度）增益。如圖1所示，NB-IoT信道帶寬為15kHz和3.75kHz（一個(gè)LTE子載波或者1/4個(gè)子載波），和GSM相比，能夠?qū)⑾嗤墓β史峙湓诟男诺郎?，功率譜密度提高約10～17 dB。

（3）F-OFDM保留了OFDM靈活資源分配的優(yōu)點(diǎn)，再輔以AMC（自適應(yīng)調(diào)制編碼）和多用戶調(diào)度機(jī)制，可以提供較高的邊緣速率。

F-OFDM借助濾波技術(shù)有效抑制帶外泄露，降低領(lǐng)道干擾，更容易實(shí)現(xiàn)窄帶PSD（功率譜密度）提升（F-OFDM技術(shù)及NB-IoT功率密度示意圖見(jiàn)圖1）。

（4）重復(fù)發(fā)送及編碼，為保證傳輸?shù)目煽啃裕琋B-IoT采用重復(fù)發(fā)送和編碼，可獲得3～12 dB（重復(fù)發(fā)送2～16次）的分集增益和3～4 dB的編碼增益，共計(jì)3～16 dB，如圖2所示。

（5）窄帶跳頻技術(shù)（PRACH），使用PRACH跳頻技術(shù)，應(yīng)對(duì)窄帶下定時(shí)精度的挑戰(zhàn)（TA測(cè)不準(zhǔn)，帶寬越窄，誤差影響越大），解決窄帶上行同步問(wèn)題（PRACH跳頻技術(shù)示意圖見(jiàn)圖3）。

（6）共軛雙序列同步信號(hào)，對(duì)抗窄帶頻偏，使用共軛雙序列同步技術(shù)，通過(guò)兩個(gè)相關(guān)峰偏移量估計(jì)，得到載波頻偏，解決窄帶下行同步精度問(wèn)題（共軛雙序列同步技術(shù)示意圖見(jiàn)圖4）。

（7）因?yàn)镹B-IoT終端發(fā)射功率（最大發(fā)射功率23dBm）較GSM終端發(fā)射功率（最大發(fā)射功率33dBm）要小10dB，即便如此，NB-IoT依然能提供20dB的增益。如圖5所示（覆蓋能力示意圖見(jiàn)圖5）。

2.2 大連接。

NB-IoT具有更小的資源粒度，能支持更多的并發(fā)連接，在混合業(yè)務(wù)模型下（包含自動(dòng)上報(bào)業(yè)務(wù)不同分組大小、不同上報(bào)間隔；包含下行軟件更新、配置等業(yè)務(wù)不同分組大?。?，評(píng)估可達(dá)到每小區(qū)5萬(wàn)左右的連接數(shù)，這相對(duì)于LTE每小區(qū)1200個(gè)連接已實(shí)現(xiàn)了數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)。通過(guò)窄帶功率譜密度提升，空口與全流程協(xié)議優(yōu)化等手段提供海量終端的接入能力。如圖6所示。

2.3 低成本。

NB-IoT通過(guò)新的物理層方案，空口協(xié)議，硬件資源優(yōu)化，將芯片成本降低；相對(duì)于目前蜂窩網(wǎng)的移動(dòng)終端，物聯(lián)網(wǎng)終端芯片工作頻帶窄，速率要求低，不需要多天線，因此射頻部分和協(xié)議棧均可簡(jiǎn)化，而且該成本還有望伴隨規(guī)模效應(yīng)進(jìn)一步降低。如圖7所示。

2.4 低功耗。

NB-IoT通過(guò)一系列的端到端優(yōu)化流程（CP）和空口優(yōu)化協(xié)議PSM（節(jié)電模式）和eDRX（增強(qiáng)型的非連續(xù)接收），使得終端芯片的功耗大大降低，延長(zhǎng)了工作時(shí)間，保證物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的持續(xù)性。

關(guān)鍵技術(shù)1：PSM，終端功耗僅15uW（UE和MME）

關(guān)鍵技術(shù)2：eDRX，減少終端監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)的頻度（UE、基站和MME）

關(guān)鍵技術(shù)3：芯片復(fù)雜度降低，工作電流小（UE）

關(guān)鍵技術(shù)4：空口信令簡(jiǎn)化（CP小數(shù)據(jù)優(yōu)化傳輸），減少單次數(shù)傳功耗（UE、MME和SGW）

關(guān)鍵技術(shù)5：減少數(shù)據(jù)開(kāi)銷（ROHC頭壓縮（UE和MME）、NON-IP （UE、MME、SGW和PGW））減少數(shù)傳功耗。

關(guān)鍵技術(shù)6：基于覆蓋等級(jí)的控制和接入，減少單次數(shù)傳時(shí)間（UE、基站和MME）

關(guān)鍵技術(shù)7：長(zhǎng)周期TAU/RAU，減少終端發(fā)送位置更新的次數(shù)（UE和MME）

關(guān)鍵技術(shù)8：只支持小區(qū)選擇和重選的移動(dòng)性管理，減少測(cè)量開(kāi)銷（UE）

3. NB-IoT的部署方案

3.1 新建NB-IoT系統(tǒng)。

新建NB-IoT系統(tǒng)，增加基帶和天饋，這種方式最簡(jiǎn)單，性能最優(yōu)，但該方案無(wú)論從成本還是天面資源考慮，都不太切合實(shí)際。

3.2 基于LTE系統(tǒng)。

基于現(xiàn)網(wǎng)的LTE站點(diǎn)部署NB-IoT系統(tǒng)，需新增基帶板，可利舊傳輸、主控和時(shí)鐘，但是需要改動(dòng)天面，有可能影響LTE性能，有一定的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 基于GSM/CDMA系統(tǒng)。

基于現(xiàn)網(wǎng)的GSM/CDMA站點(diǎn)部署NB-IoT系統(tǒng)，基于GSM系統(tǒng)部署，需新增基帶板、傳輸、主控和時(shí)鐘，射頻和天饋可以利舊，基于CDMA系統(tǒng)部署，基帶板、傳輸、主控、時(shí)鐘、射頻和天饋均可以利舊，而且還可以考慮同時(shí)部署低頻段的LTE系統(tǒng)，是推薦的部署方式。

3.4 頻率規(guī)劃。

經(jīng)過(guò)分析，考慮到NB-IoT的頻點(diǎn)位置，NB-IoT可分為3種方式，分別是Standalone、Guardband、Inband，如圖10所示，即NB-IoT頻點(diǎn)獨(dú)立設(shè)置、位于保護(hù)帶內(nèi)和位于頻段內(nèi)。

考慮到頻點(diǎn)調(diào)整應(yīng)盡量減少對(duì)現(xiàn)網(wǎng)產(chǎn)生的影響及頻點(diǎn)擴(kuò)展的靈活性，建議采用圖11的分配方式，LTE頻段采用三明治方式，NB-IoT頻點(diǎn)采用Standalone方式部署在高端，這種方式LTE頻段在擴(kuò)展帶寬（如5MHz到10MHz）時(shí)，中心頻點(diǎn)可保持不變，NB-IoT也可根據(jù)容量需求靈活的增加頻點(diǎn)。

3.5 設(shè)備規(guī)劃。

如前分析，考慮到建設(shè)成本和站點(diǎn)天面資源，我們采用利舊GSM/CDMA系統(tǒng)現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)的方式部署NB-IoT，同時(shí)可以兼顧LTE系統(tǒng)。

3.5.1 基帶單元BBU。

在基于GSM/CDMA系統(tǒng)部署NB-IoT，需要考慮新增基帶板，同時(shí)還有視情況增加傳輸和GPS同步源；對(duì)于不支持的設(shè)備應(yīng)進(jìn)行替換。

3.5.2 射頻單元RRU。

（1） RRU是否頻段支持，如果不支持需要更換。

（2） RRU功率是否支持，改造不能影響原有的系統(tǒng)，如果不能保證原系統(tǒng)的覆蓋質(zhì)量，需要更換為更大功率的新設(shè)備。

（3） RRU級(jí)聯(lián)關(guān)系，如果基帶的處理能力受限，需改變?cè)瓉?lái)的級(jí)聯(lián)關(guān)系。

3.5.3 天面。

推薦方案的最大優(yōu)勢(shì)就是可利舊現(xiàn)網(wǎng)天面，對(duì)于天面資源緊張的場(chǎng)景尤為重要，同時(shí)還可降低物業(yè)協(xié)調(diào)難度。對(duì)于不支持的頻段，建議更換為寬頻天線。

4. 總結(jié)

NB-IoT作為物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接技術(shù)的首要選擇，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商積極部署NB-IoT，對(duì)搶占快速增長(zhǎng)的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)份額有著重要意義，本文重點(diǎn)討論了NB-IoT的關(guān)鍵技術(shù)和部署方案，給工程建設(shè)提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 彭雄根，李新，陳旭奇 。 NB-IoT技術(shù)的發(fā)展及網(wǎng)絡(luò)部署策略研究-《郵電設(shè)計(jì)技術(shù)》2017 （3） ：58-61.

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[文章編號(hào)]1619-2737（2017）07-20-663