NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)及在遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用

福州大學(xué) 林 芳

NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)及在遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用

福州大學(xué) 林 芳

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方興未艾之下，誕生了一種全新的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，即NB-IoT基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，該技術(shù)能夠通過(guò)對(duì)當(dāng)前的授權(quán)頻譜資源進(jìn)行充分運(yùn)用，從而使得各種物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求可以得到有效滿足。在這一背景之下，本文將從簡(jiǎn)單介紹NB-IoT技術(shù)的內(nèi)涵與具體特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)，著重圍繞NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析研究。

NB-IoT；物聯(lián)網(wǎng)；覆蓋增強(qiáng)技術(shù)；遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)

0 引言

根據(jù)去年出臺(tái)的NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)，其提出NB-IoT需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)廣域及深度覆蓋，要求NB-IoT至少要在以往GPRS即通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)的基礎(chǔ)之上再增加20dB，并進(jìn)一步降低終端成本與功耗，支持大容量終端接入其中，保障每一個(gè)終端的成本不超過(guò)5美元，并在5Wh之內(nèi)可提供至少10年的支持。而增強(qiáng)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)覆蓋同樣也在其規(guī)劃目標(biāo)當(dāng)中，基于此，本文結(jié)合智能化建設(shè)中的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

1 NB-IoT技術(shù)的簡(jiǎn)要概述

1.1 具體內(nèi)涵

NB-IoT即Narrow Band Internet of Things，指的就是基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其作為物聯(lián)網(wǎng)中一項(xiàng)重要的組成部分，通過(guò)利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)，從而在有效完成對(duì)LTE、UMTS以及GSM等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行直接部署的同時(shí)，其消耗帶寬進(jìn)行有效控制[1]。一般情況下，基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所消耗的帶寬不會(huì)超過(guò)180KHz,其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)平滑升級(jí)，還能夠?qū)Σ渴鸪杀具M(jìn)行有效控制。作為當(dāng)前IoT領(lǐng)域當(dāng)中的新興技術(shù)之一，NB-IoT技術(shù)可以使得廣域網(wǎng)蜂窩數(shù)據(jù)同低功耗的設(shè)備進(jìn)行有效連接。隨著當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和通信需求的不斷增加，儀表智能化已成為通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，基于NB-IoT技術(shù)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)將成為“智慧城市”建設(shè)與發(fā)展中的重要組成。

1.2 實(shí)際特點(diǎn)

現(xiàn)階段的基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基本上能夠?qū)捒刂圃?80kHz以內(nèi)，與此同時(shí)其在上行當(dāng)中分別支持間隔為15kHz的多載波以及間隔為3.75kHz的單載波，而在下行方面則主要使用OFDMA即正價(jià)頻分多址，在OFDM的運(yùn)用之下子載波化信道，從而使得部分傳輸數(shù)據(jù)能夠加載與子載波之上，而下行中的子載波間隔與LTE系統(tǒng)相一致，均為15kHz。另外，NB-IoT技術(shù)還通過(guò)使用半雙工的方式，使用一根接收天線從而有效控制功耗以及終端成本；無(wú)論是物理下行共享信道還是物理下行控制信道，均統(tǒng)一使用波導(dǎo)磁場(chǎng)縱向分量為零但電場(chǎng)縱向分量不為零的TM傳播模式。

2 NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)覆蓋分析方法

在分析和評(píng)估NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)覆蓋方面，大多數(shù)人傾向于使用MCL即最大鏈路損耗的方式，即根據(jù)發(fā)射機(jī)功率獲取無(wú)線空口路徑損耗，并依照熱噪聲功率+所需信噪比的公式獲取接收機(jī)的實(shí)際靈敏度，從而精確計(jì)算出接收機(jī)的處理增益。而最大鏈路損耗等于發(fā)射功率減去接收機(jī)靈敏度值之后。與接收機(jī)處理增益相加的和，而根據(jù)上述公式可以求出接收機(jī)靈敏度；通過(guò)將熱噪聲功率密度與接收機(jī)噪聲系數(shù)和干擾余量，以及占用信道帶寬即101g進(jìn)行相加，即可精確計(jì)算出有效的噪聲功率，單位為dBm。而通常情況下，熱噪聲功率密度為-174dBm/Hz，干擾余量和接收機(jī)處理增益均為0dB,終端發(fā)射功率為23dBm,另外信道不同下基站每200KHz發(fā)射功率也各不相同[2]。由此可見，將NB-IoT技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)管理中心數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程終端、敏感傳輸器中，可取得良好效果。

3 NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)

3.1 重復(fù)傳輸

目前在NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)當(dāng)中，最引人關(guān)注的便是通過(guò)重復(fù)傳輸?shù)姆绞绞沟脗鬏斝盘?hào)碼元的時(shí)間能夠得到有效延長(zhǎng)。而重復(fù)傳輸技術(shù)從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)就是通過(guò)運(yùn)用一個(gè)簡(jiǎn)單的信道編碼，使得信息傳輸速率得以有效降低。如果接收環(huán)境中信噪比比較低，則其解調(diào)以及譯碼仍然可以保持較為穩(wěn)定的可靠度。譬如說(shuō)在理想情況下，譯碼有10%左右的出錯(cuò)率，但通過(guò)運(yùn)用重復(fù)傳輸?shù)姆绞剑诓粩噙M(jìn)行重復(fù)的過(guò)程中譯碼的出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率將越來(lái)越小。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在進(jìn)行三次重復(fù)傳輸時(shí)，譯碼的錯(cuò)誤概率為0.028，而重復(fù)傳輸次數(shù)增加到五次時(shí)，譯碼的錯(cuò)誤概率則降低為0.0086。重復(fù)傳輸次數(shù)增加到七次時(shí)，譯碼的錯(cuò)誤概率則再次降低，到達(dá)0.0027。有研究顯示當(dāng)重復(fù)傳輸次數(shù)增加到十五次時(shí)，譯碼的錯(cuò)誤概率只有0.000034，基本上能夠較為精準(zhǔn)地完成譯碼工作。

另外，筆者在查閱相關(guān)研究資料的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有研究顯示使用混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求，即有機(jī)整合了前向糾錯(cuò)編碼以及自動(dòng)重傳請(qǐng)求的技術(shù)同樣也可以實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)傳輸信號(hào)碼元時(shí)間的目的。在該技術(shù)當(dāng)中，如果接收方解碼失敗將對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)保存，并向發(fā)送方發(fā)出重傳數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，之后再將重新接收的數(shù)據(jù)與之前得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，重新進(jìn)行解碼，此時(shí)將會(huì)產(chǎn)生一定分集增益，但不會(huì)增加重傳數(shù)次，因此可以有效實(shí)現(xiàn)降低時(shí)延。NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)的重復(fù)傳輸性，在遠(yuǎn)程抄表傳感器系統(tǒng)中具有實(shí)質(zhì)性應(yīng)用。如將水表水量轉(zhuǎn)化為“電脈沖信號(hào)”進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與用水量（用戶存儲(chǔ)金額）扣除作用[3]。

3.2 低階調(diào)制

NB-IoT技術(shù)本身在業(yè)務(wù)需求方面并不需要過(guò)高的速率，有研究顯示在NB-IoT當(dāng)中超過(guò)八成的任務(wù)可以在100bps以內(nèi)的速率下得以有效完成，因此人們提出在增強(qiáng)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)覆蓋方面可以使用包括BPSK、QPSK等在內(nèi)的低階調(diào)制技術(shù)。所謂的BPSK技術(shù)指的就是二進(jìn)制相移鍵控，是一種將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)值的方式，在信息鍵控移相的表現(xiàn)方面，則主要是使用偏離相位的復(fù)數(shù)波浪組合。其通過(guò)運(yùn)用基準(zhǔn)正弦波以及相位反轉(zhuǎn)波浪，使得兩方分別為0和1，進(jìn)而可以完成對(duì)2值信息的同步傳送與接收。而QPSK技術(shù)則指的是正交相移鍵控技術(shù)，是當(dāng)前數(shù)字調(diào)制中一種常用的方法手段，雖然其擁有兩種相移方式即絕對(duì)和相對(duì)相移，但考慮到前者中經(jīng)常會(huì)存在相位模糊的情況，因此基本上在實(shí)際使用過(guò)程中以相對(duì)相移方式為主。

通過(guò)相關(guān)實(shí)踐證明，在低階調(diào)制技術(shù)的幫助之下，基于NB-IoT技術(shù)的遠(yuǎn)程抄表不進(jìn)集成了GPRS通信技術(shù)遠(yuǎn)程抄表功能，且在一定程度上提升了信息存儲(chǔ)量，其覆蓋能力達(dá)到了164dB以上，進(jìn)一步突破了地域與位置的限制，其流量統(tǒng)計(jì)的安全性也有所提升，在一些大型企業(yè)或儀表系統(tǒng)中具有重要應(yīng)用價(jià)值。

3.3 編碼技術(shù)

在以往的通用無(wú)線分組技術(shù)當(dāng)中，使用的是卷積碼即用n個(gè)比特編寫k個(gè)信息比特，但無(wú)論是k值還是n值均比較小，在傳輸過(guò)程中可以使用串行的形式，而這對(duì)于降低時(shí)延有著積極作用。在卷積碼的分組編碼過(guò)程中，本組中的n-k個(gè)校驗(yàn)元只同本組中的k個(gè)信息元有關(guān)，而在譯碼時(shí)隨著約束長(zhǎng)度不斷增加，卷積碼的糾錯(cuò)能力也越來(lái)越強(qiáng)。而在NB-IoT技術(shù)當(dāng)中則選擇使用Turbo編碼，其作為信道編碼學(xué)中的重要一種，長(zhǎng)碼擁有偽隨機(jī)性。NB-IoT通過(guò)運(yùn)用Turbo編碼，可以通過(guò)使用并行級(jí)聯(lián)的方式使用偽隨機(jī)交織器，將原本兩個(gè)簡(jiǎn)單的分量碼進(jìn)行重新交織使之形成一個(gè)具有偽隨機(jī)性的長(zhǎng)碼，此后利用多次迭代的方式在兩個(gè)軟入/軟出譯碼器之間完成偽隨機(jī)譯碼[4]。相比于通用無(wú)線分組技術(shù)使用的卷積碼，NB-IoT技術(shù)使用的Turbo編碼能夠?qū)⒆g碼信噪比需求降至最低，而通過(guò)實(shí)踐證明NB-IoT技術(shù)通過(guò)使用Turbo編碼確實(shí)能夠增強(qiáng)大約3到4dB左右的覆蓋距離，可見Turbo編碼對(duì)于NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)增強(qiáng)覆蓋具有積極作用。因此，基于NB-IoT技術(shù)的遠(yuǎn)程抄表其成本更低，靈敏度與數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性更高。

3.4 降低時(shí)延

除上述技術(shù)之外，NB-IoT還可以通過(guò)盡可能降低時(shí)延要求，并在其部分下行物理信道當(dāng)中適當(dāng)增強(qiáng)功率，同樣可以在一定程度上起到增強(qiáng)Power Boost物聯(lián)網(wǎng)覆蓋的效果。有數(shù)據(jù)顯示，通過(guò)使用功率增強(qiáng)的方式，基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相對(duì)應(yīng)的覆蓋距離基本上能夠增加大約5dB左右，但總體上來(lái)看當(dāng)前眾多用于增強(qiáng)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)覆蓋的技術(shù)當(dāng)中，仍然以重復(fù)傳輸碼元的技術(shù)增強(qiáng)的覆蓋效果最為顯著。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，在“智慧城市”推動(dòng)下，為有效實(shí)現(xiàn)NB-IoT技術(shù)在各領(lǐng)域中的有效應(yīng)用，如遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)等，業(yè)內(nèi)學(xué)者紛紛加入到研究NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)的行列當(dāng)中，并提出了包括重復(fù)傳輸、低階調(diào)制、降低時(shí)延等在內(nèi)的眾多技術(shù)，并確實(shí)能夠在一定程度上達(dá)到增強(qiáng)沒覆蓋的效果。相信隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，還將出現(xiàn)更多能夠有效增強(qiáng)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)覆蓋的技術(shù)，用以更好地推動(dòng)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的長(zhǎng)久穩(wěn)定發(fā)展。

[1]戴國(guó)華,余駿華．NB-IoT的產(chǎn)生背景、標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展以及特性和業(yè)務(wù)研究[J]．移動(dòng)通信,2016,07：31-36．

[2]盧斌．NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)探討[J]．移動(dòng)通信,2016,19：55-59．

[3]佘莎,黃嘉銘．基于理論和實(shí)測(cè)的NB-IOT覆蓋分析[J]．移動(dòng)信息,2016,12：72-74．

[4]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[J]．郵電設(shè)計(jì)技術(shù),2017,03：88-90+94．