NB-IoT 低功率窄帶物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)分析

趙 東

（華北電力大學(xué)，北京 102206）

0 引言

在物聯(lián)網(wǎng)的連接過程中，NB-IoT 低功率窄帶連接技術(shù)是一種十分先進的連接技術(shù)，該技術(shù)可以讓智能設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)之間實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、多終端的連接。因此，在物聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)的研究中，相關(guān)學(xué)者和技術(shù)人員應(yīng)加大力度對此項技術(shù)進行研究，以此來提升連接效果，降低成本，促進物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展。

1 移動蜂窩物聯(lián)網(wǎng)概述

目前，以現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)中的一個重要分支，而其中的NB-IoT 便是將現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)，實現(xiàn)物和物之間網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果進一步提升的一種先進技術(shù)。該技術(shù)不僅可以為多個終端的連接提供支持，同時也可以支持更低功能的終端，在個人領(lǐng)域、公共領(lǐng)域、家庭領(lǐng)域以及行業(yè)領(lǐng)域中都十分適用。在移動蜂窩物聯(lián)網(wǎng)中，主要的架構(gòu)層次有三層，其一是感知層，其二是網(wǎng)絡(luò)層，其三是應(yīng)用層，以下是其總體架構(gòu)示意圖：

圖1 移動蜂窩物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)示意圖

2 NB-IoT 基本原理分析

2.1 幀結(jié)構(gòu)分析

為實現(xiàn)基帶以及射頻復(fù)雜性的有效降低，使其為GSN 頻率再利用提供足夠便利，NB-IoT 系統(tǒng)中的帶寬需要和GSM 保持一致，都屬于200kHz 形式的帶寬，具體應(yīng)用中，NB-IoT 所應(yīng)用的帶寬僅僅是180kHz。同時，NB-IoT 有著和傳統(tǒng)LTE 相同的下行幀結(jié)構(gòu)，也就是在一個10ms 的無線幀中包含十個1ms 長度的子幀，每一個子幀中包含著兩個0.5ms 長度的時隙。NB-IoT 在下行方面所支持的子幀波載間隔僅僅為15kHz，并不會對7.5kHz 形式的子載波間隔提供支持，且僅僅對常規(guī)形式的CP 提供支持，不會對擴展形式的CP 提供支持。

在NB-IoT 中，上行的幀結(jié)構(gòu)主要有兩種可供選擇，其一是子載波帶寬是15kHz 形式的幀結(jié)構(gòu)，其二是下行LTE 形式的幀結(jié)構(gòu)，在每一個10ms 形式的無線幀內(nèi)，包含的1ms 子幀個數(shù)為十個；在一個180ms 帶寬上，其子載波個數(shù)共有12個。在當(dāng)今，已經(jīng)有一種新的幀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，其子載波的帶寬是3.75kHz，在每一個10ms 形式的無線幀內(nèi)，可包含的2ms 時隙共有五個，在一個180ms帶寬上，其子載波個數(shù)共有48個[1]。

NB-IoT 的下行接入技術(shù)是OFDMA 形式的多址接入，在頻域之內(nèi)，其帶寬是200kHz，兩邊都需要作出10kHz 的保留，所以實際占用的帶寬是180kHz，子載波的帶寬是15kHz，數(shù)據(jù)是12個。而在時域重用形式的LTE 幀結(jié)構(gòu)中，每一個時隙長度是0.5ms，每一個時隙中的符號數(shù)量是7個，每一個子幀中含有的時隙數(shù)量是2個，每一個無線幀內(nèi)所包含的子幀個數(shù)是10個，每一個超幀中所包含的無損幀數(shù)量是1024個[2]。

2.2 物理信道分析

為有效降低復(fù)雜性，在NB-IoT 的設(shè)計中，將不必要的物理信道進行了精簡處理，僅僅保留了三種下行物理信道、兩種下行參數(shù)信號、兩種上行物理信道以及一種上行參數(shù)信號，具體情況如下：

（1）窄帶物理廣播信道（NPBCH）：該信道主要進行系統(tǒng)幀號、NB-SIBI 中的調(diào)度信息、操作模式以及接入限制等的這些信息傳遞，其調(diào)制方式為QPSK。

（2）窄帶物理下行控制信道（NPDCCH），該信道主要進行NPUSCH、NPDSCH 傳輸格式以及資源分配等的這些信息指示，其調(diào)制方式是QPSK。

（3）窄帶物理下行共享信道（NDDSCH），該信道僅僅對QPSK 提供支持，其TBS 的最大值為680bits，借助于多次的傳輸形式來實現(xiàn)下行覆蓋的增加。

（4）窄帶參考信號（NBS）該信號主要用來對下行信道進行信道估計以及質(zhì)量測量，可對NB-IOTUE 進行相關(guān)的解調(diào)和檢測。

（5）窄帶同步信號{NSS}：該信號主要的功能是對小區(qū)惟一的物理小區(qū)號PCI 進行確定，同時也可以實現(xiàn)時間同步。

以下是NB-IoT 最大的上下行鏈路損耗情況：

表1 NB-IoT最大的上下行鏈路損耗情況

3 NB-IoT 應(yīng)用部署分析

為實現(xiàn)NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)的合理應(yīng)用，本文以中國移動為例，對其應(yīng)用部署進行分析，具體情況如下：

3.1 頻率的應(yīng)用部署

NB-IoT 僅僅可以為半雙工形式的FDD 模式提供支持，就目前來看，中國移動的FDD 可用頻段有兩個，第一是900MHz，第二是1800MHz。因為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在當(dāng)今已經(jīng)隨處可見，所以此類設(shè)備對于覆蓋能力的要求會比手機更高一些，相比較1800MHz 這一頻段而言，900MHz 有著更好的覆蓋能力，所以在中國移動進行NB-IoT 部署的過程中，900MHz 為首選頻段。且NBIoT 的載波帶寬僅需要180kHz，所以900MHz 這一頻段所具備的釋放能力完全可以滿足其實際應(yīng)用需求。

在當(dāng)今，900MHz 是中國移動對LTEFDD 拍照獲取之后的主要部署頻段，所以在具體的部署過程中，不僅需要對NB-IoT 需求加以考慮，同時也需要對LTEFDD以及GSM 的需求加以綜合考慮，以此來實現(xiàn)其應(yīng)用策略的統(tǒng)一制定。

3.2 建設(shè)方式

NB-IoT 的主要建設(shè)方式有三種，其一是NB-IoT 基站建設(shè)，其二是將TD-LTE 作為基礎(chǔ)進行NB-LoT 基站的建設(shè)，第三是將GSM 作為基礎(chǔ)來進行NB-IoT 基站的建設(shè)。但是因為第一種方法需要耗費大量的資金成本，第二種方法替換難度很大，所以在具體的建設(shè)過程中，中國移動應(yīng)選擇第三種方法來進行建設(shè)，也就是將GSM作為基礎(chǔ)來進行NB-IoT 基站的建設(shè)。

3.3 站址選擇

基于移動物聯(lián)網(wǎng)實際需求的考慮，在初期的站址選擇中，應(yīng)保障其覆蓋區(qū)域的連續(xù)性，相比較傳統(tǒng)形式的GSM900而言，NB-IoT 所能覆蓋的最大距離相當(dāng)于其兩倍，且GSM 在城區(qū)的站點間距會遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其最大的覆蓋距離。所以，中國移動只需要在少量的GSM 站點上進行少量的NB-IoT 部署即可有效滿足連續(xù)性的覆蓋需求。在物聯(lián)網(wǎng)的具體應(yīng)用中，城區(qū)是重點的部署區(qū)域，所以在具體的站址選擇中，中國移動需要遵循先城區(qū)再農(nóng)村的方式進行部署。具體部署中，可以先將城區(qū)內(nèi)的45%GSM 站址用來進行NB-IoT 部署，這樣便可保障其連續(xù)覆蓋，并結(jié)合后續(xù)的發(fā)展需求進行進一步的部署。

4 結(jié)束語

綜上所述，在物聯(lián)網(wǎng)的連接技術(shù)中，NB-IoT 是一種先進的連接技術(shù)，該技術(shù)可以為廣域網(wǎng)內(nèi)的低功耗設(shè)備應(yīng)用提供支持，以此來實現(xiàn)蜂窩形式的數(shù)據(jù)連接。因此，在物聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)的應(yīng)用與研究中，我們應(yīng)加大力度進行NB-IoT 連接技術(shù)的研究，全面掌握其技術(shù)原理，并結(jié)合實際情況和實際需求，通過合理的方式來進行應(yīng)用部署。這樣才可以實現(xiàn)其應(yīng)用價值的進一步發(fā)揮，促進物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的良好發(fā)展。