NB—IoT系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展

張萬春+陸婷+高音

通過與現(xiàn)有長期演進（LTE）系統(tǒng)對比，認為窄帶物聯(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在標準體系統(tǒng)一、擴展能力上具有巨大優(yōu)勢，必將成為物聯(lián)網(wǎng)技術及產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展、物聯(lián)網(wǎng)應用在全球部署的有力推動者。

NB-IoT；網(wǎng)絡架構；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)應用發(fā)展已經(jīng)超過10年，但采用的大多是針對特定行業(yè)或非標準化的解決方案，存在可靠性低，安全性差，操作維護成本高等缺點。基于多年的業(yè)界實踐可以看出，物聯(lián)網(wǎng)通信能否成功發(fā)展的一個關鍵因素是標準化。與傳統(tǒng)蜂窩通信不同，物聯(lián)網(wǎng)應用具有支持海量連接數(shù)、低終端成本、低終端功耗和超強覆蓋能力等特殊需求。這些年來，不同行業(yè)和標準組織制訂了一系列物聯(lián)網(wǎng)通信方面的標準，例如針對機器到機器（M2M）應用的碼分多址（CDMA）2000優(yōu)化版本，長期演進（LTE）R12和R13的低成本終端category0及增強機器類型通信（eMTC），基于全球移動通信系統(tǒng)（GSM）的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）增強等，但從產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展以及技術本身來看，仍然無法很好滿足上述物聯(lián)網(wǎng)應用需求。其他一些工作于免授權頻段的低功耗標準協(xié)議，如：LoRA、Sigfox、Wi-Fi，雖然存在一定成本和功耗優(yōu)勢，但在信息安全、移動性、容量等方面存在缺陷，因此，一個新的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)標準需求越來越迫切。

在這個背景下，第3代合作伙伴計劃（3GPP）于2015年9月正式確定窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）標準立項[1]，全球業(yè)界超過50家公司積極參與，標準協(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標準體系。隨著NB-IoT標準的發(fā)布，NB-IoT系統(tǒng)技術和生態(tài)鏈將逐步成熟，或將開啟物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新篇章。

NB-IoT系統(tǒng)預期能夠滿足在180 kHz的傳輸帶寬下支持覆蓋增強（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個連接）的非時延敏感（上行時延可放寬到10 s以上）的低速業(yè)務（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)對空口物理層和高層、接入網(wǎng)以及核心網(wǎng)進行改進和優(yōu)化，以更好地滿足上述預期目標。

1 NB-IoT網(wǎng)絡架構

NB-IoT系統(tǒng)采用了基于4G LTE/演進的分組核心網(wǎng)（EPC）網(wǎng)絡架構，并結合NB-IoT系統(tǒng)的大連接、小數(shù)據(jù)、低功耗、低成本、深度覆蓋等特點對現(xiàn)有4G網(wǎng)絡架構和處理流程進行了優(yōu)化。

NB-IoT的網(wǎng)絡架構如圖1所示，包括：NB-IoT終端、演進的統(tǒng)一陸地無線接入網(wǎng)絡（E-UTRAN）基站（即eNodeB）、歸屬用戶簽約服務器（HSS）、移動性管理實體（MME）、服務網(wǎng)關（SGW）、公用數(shù)據(jù)網(wǎng)（PDN）網(wǎng)關（PGW）、服務能力開放單元（SCEF）、第三方服務能力服務器（SCS）和第三方應用服務器（AS）。和現(xiàn)有4G網(wǎng)絡相比，NB-IoT網(wǎng)絡主要增加了業(yè)務能力開放單元（SCEF）來優(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)服務網(wǎng)關節(jié)點（C-SGN）[2]。

為了適應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)對現(xiàn)有LTE處理流程進行了增強，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。控制面優(yōu)化傳輸方案使用信令承載在終端和MME之間進行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制；用戶面優(yōu)化傳輸方案仍使用數(shù)據(jù)承載進行傳輸，但要求空閑態(tài)終端存儲接入承載的上下文信息，通過連接恢復過程快速重建無線連接和核心網(wǎng)連接來進行數(shù)據(jù)傳輸，簡化信令過程。

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：獨立操作模式、保護帶操作模式及帶內操作模式[3]。

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

·保護帶操作模式：利用目前在LTE載波保護帶上還沒有使用的資源塊。

·帶內操作模式：利用LTE載波內的資源塊。

（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）、幀結構（時域由10個1 ms子幀構成1個無線幀，但每個子幀在頻域只包含12個連續(xù)的子載波）和物理資源單元等也都盡量沿用了現(xiàn)有LTE的設計。