NB—IoT技術及部署方案

孫凱

【摘要】本文討論了物聯網標準NB-IoT的技術特點，結合運營商的資源提出相應的建議和部署的方案。

【關鍵詞】NB-IoT；LPWAN；GSM、CDMA；LTE；物聯網

【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，萬物互聯是必然趨勢。然而當前的4G網絡在物與物連接上能力不足。事實上，相比藍牙、ZigBee等短距離通信技術，移動蜂窩網絡具備廣覆蓋、可移動以及大連接數等特性，能夠帶來更加豐富的應用場景，理應成為物聯網的主要連接技術。作為LTE的演進型技術，4.5G除了具有高達1Gbps的峰值速率，還意味著基于蜂窩物聯網的更多連接數，支持海量M2M連接以及更低時延，將助推高清視頻、VoLTE以及物聯網等應用快速普及。蜂窩物聯網正在開啟一個前所未有的廣闊市場。

（2）對于電信運營商而言，車聯網、智慧醫療、智能家居等物聯網應用將產生海量連接，遠遠超過人與人之間的通信需求。

（3）因為NB-IoT自身具備的低功耗、廣覆蓋、低成本、大容量等優勢，使其可以廣泛應用于多種垂直行業，如遠程抄表、資產跟蹤、智能停車、智慧農業等。目前包括我國運營商在內諸多運營商在開展NB-IoT和研究。

2. NB-IoT的技術特點

基于蜂窩的窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）成為萬物互聯網絡的一個重要分支。NB-IoT構建于蜂窩網絡，只消耗大約180KHz的帶寬，可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，以降低部署成本、實現平滑升級。

NB-IoT是IoT領域一個新興的技術，支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，也被叫作低功耗廣域網（LPWAN）。NB-IoT支持待機時間長、對網絡連接要求較高設備的高效連接。據說NB-IoT設備電池壽命可以提高至至少10年，同時還能提供非常全面的室內蜂窩數據連接覆蓋。NB-IoT具備四大特點。

2.1 強覆蓋。

（1）物聯網對網絡覆蓋的要求要高于現在人與人之間的通信。因為傳感器一般都安裝在如室內、地下、機器內等一些對深度覆蓋要求較高的場景。因此增強的覆蓋能力是NB-IoT能夠立足的基礎，根據計算，NB-IoT相對于GSM網絡來說覆蓋可以大約提高20dB， 相當于提升了100倍覆蓋區域的能力。NB-IoT主要通過F-OFDM、Single-Tone 跳頻接入、共軛雙序列同步以及有限的重復等技術手段來實現窄帶物聯網接入系統，有效提升空口覆蓋，從而保證這種超強覆蓋能力。

（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LTE子載波或者1/4個子載波），和GSM相比，能夠將相同的功率分配在更窄的信道上，功率譜密度提高約10～17 dB。

（3）F-OFDM保留了OFDM靈活資源分配的優點，再輔以AMC（自適應調制編碼）和多用戶調度機制，可以提供較高的邊緣速率。

F-OFDM借助濾波技術有效抑制帶外泄露，降低領道干擾，更容易實現窄帶PSD（功率譜密度）提升（F-OFDM技術及NB-IoT功率密度示意圖見圖1）。

（4）重復發送及編碼，為保證傳輸的可靠性，NB-IoT采用重復發送和編碼，可獲得3～12 dB（重復發送2～16次）的分集增益和3～4 dB的編碼增益，共計3～16 dB，如圖2所示。

（5）窄帶跳頻技術（PRACH），使用PRACH跳頻技術，應對窄帶下定時精度的挑戰（TA測不準，帶寬越窄，誤差影響越大），解決窄帶上行同步問題（PRACH跳頻技術示意圖見圖3）。

（6）共軛雙序列同步信號，對抗窄帶頻偏，使用共軛雙序列同步技術，通過兩個相關峰偏移量估計，得到載波頻偏，解決窄帶下行同步精度問題（共軛雙序列同步技術示意圖見圖4）。

（7）因為NB-IoT終端發射功率（最大發射功率23dBm）較GSM終端發射功率（最大發射功率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，能支持更多的并發連接，在混合業務模型下（包含自動上報業務不同分組大小、不同上報間隔；包含下行軟件更新、配置等業務不同分組大小），評估可達到每小區5萬左右的連接數，這相對于LTE每小區1200個連接已實現了數量級的增長。通過窄帶功率譜密度提升，空口與全流程協議優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通過新的物理層方案，空口協議，硬件資源優化，將芯片成本降低；相對于目前蜂窩網的移動終端，物聯網終端芯片工作頻帶窄，速率要求低，不需要多天線，因此射頻部分和協議棧均可簡化，而且該成本還有望伴隨規模效應進一步降低。如圖7所示。

2.4 低功耗。

NB-IoT通過一系列的端到端優化流程（CP）和空口優化協議PSM（節電模式）和eDRX（增強型的非連續接收），使得終端芯片的功耗大大降低，延長了工作時間，保證物聯網應用的持續性。

關鍵技術1：PSM，終端功耗僅15uW（UE和MME）

關鍵技術2：eDRX，減少終端監聽網絡的頻度（UE、基站和MME）

關鍵技術3：芯片復雜度降低，工作電流小（UE）

關鍵技術4：空口信令簡化（CP小數據優化傳輸），減少單次數傳功耗（UE、MME和SGW）

關鍵技術5：減少數據開銷（ROHC頭壓縮（UE和MME）、NON-IP （UE、MME、SGW和PGW））減少數傳功耗。

關鍵技術6：基于覆蓋等級的控制和接入，減少單次數傳時間（UE、基站和MME）

關鍵技術7：長周期TAU/RAU，減少終端發送位置更新的次數（UE和MME）

關鍵技術8：只支持小區選擇和重選的移動性管理，減少測量開銷（UE）

3. NB-IoT的部署方案

3.1 新建NB-IoT系統。

新建NB-IoT系統，增加基帶和天饋，這種方式最簡單，性能最優，但該方案無論從成本還是天面資源考慮，都不太切合實際。

3.2 基于LTE系統。

基于現網的LTE站點部署NB-IoT系統，需新增基帶板，可利舊傳輸、主控和時鐘，但是需要改動天面，有可能影響LTE性能，有一定的風險。

3.3 基于GSM/CDMA系統。

基于現網的GSM/CDMA站點部署NB-IoT系統，基于GSM系統部署，需新增基帶板、傳輸、主控和時鐘，射頻和天饋可以利舊，基于CDMA系統部署，基帶板、傳輸、主控、時鐘、射頻和天饋均可以利舊，而且還可以考慮同時部署低頻段的LTE系統，是推薦的部署方式。

3.4 頻率規劃。

經過分析，考慮到NB-IoT的頻點位置，NB-IoT可分為3種方式，分別是Standalone、Guardband、Inband，如圖10所示，即NB-IoT頻點獨立設置、位于保護帶內和位于頻段內。

考慮到頻點調整應盡量減少對現網產生的影響及頻點擴展的靈活性，建議采用圖11的分配方式，LTE頻段采用三明治方式，NB-IoT頻點采用Standalone方式部署在高端，這種方式LTE頻段在擴展帶寬（如5MHz到10MHz）時，中心頻點可保持不變，NB-IoT也可根據容量需求靈活的增加頻點。

3.5 設備規劃。

如前分析，考慮到建設成本和站點天面資源，我們采用利舊GSM/CDMA系統現網設備進行升級的方式部署NB-IoT，同時可以兼顧LTE系統。

3.5.1 基帶單元BBU。

在基于GSM/CDMA系統部署NB-IoT，需要考慮新增基帶板，同時還有視情況增加傳輸和GPS同步源；對于不支持的設備應進行替換。

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，如果不能保證原系統的覆蓋質量，需要更換為更大功率的新設備。

（3） RRU級聯關系，如果基帶的處理能力受限，需改變原來的級聯關系。

3.5.3 天面。

推薦方案的最大優勢就是可利舊現網天面，對于天面資源緊張的場景尤為重要，同時還可降低物業協調難度。對于不支持的頻段，建議更換為寬頻天線。

4. 總結

NB-IoT作為物聯網聯接技術的首要選擇，移動運營商積極部署NB-IoT，對搶占快速增長的物聯網市場份額有著重要意義，本文重點討論了NB-IoT的關鍵技術和部署方案，給工程建設提供參考。

參考文獻

[1] 彭雄根，李新，陳旭奇 。 NB-IoT技術的發展及網絡部署策略研究-《郵電設計技術》2017 （3） ：58-61.

[2] 孫彪。 移動運營商NB-IoT部署策略探討-《移動通信》2016 ， 40 （23） ：11-16.

[文章編號]1619-2737（2017）07-20-663