NB—IoT低功率窄帶物聯網接入技術及部署策略

夏麟??

【摘要】隨著萬物互聯的需求的提出，運營商提出了基于蜂窩的NB-IoT、eMTC等低功率、廣域覆蓋的物聯網接入技術。NB-IoT低功率窄帶物聯網通信技術是當前物聯網發展的主流技術之一，具有低速率、低成本、廣覆蓋、網絡通信能力強等特點，首先通過對物聯網整體架構和各個組成部分功能的介紹；其次，從產業鏈的成熟角度對NB-IoT的技術進行研究，并討論運營商低速率、廣域覆蓋的物聯網業務發展和網絡部署策略。

【關鍵詞】NB-IoT；窄帶物聯網；低速率；網絡部署策略

NB-IoT Low Power Narrow-Band Internet Access Technology And Deployment Strategy

Xia Lin

（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， LtdXi'anShaanxi710119）

【Abstract】With the demand of the interconnection of all things， the carrier proposes the Internet access technology of the Internet based on NB-IoT and eMTC. NB-IoT low power narrowband Internet communication technology is one of the main trend of the development of the Internet of things technology， with low rate， low cost， wide coverage， network communication ability and other characteristics， first through the Internet of the overall architecture and function of various components of the introduction； Secondly， from the perspective of industry chain of the mature technology of NB-IoT research， points out that the NB-IoT low rate of narrow-band IoT application advantages， and discuss the operator low rate， wide area coverage of IoT business development and network deployment strategy.

【Key words】NB-IoT；Narrow-band Internet of things；Low rate；Network deployment strategy

1. 背景

（1）隨著人人通話的飽和以及物物連接在各個行業的滲透，物聯網已經成為時代發展下的產物，物聯網業務也將呈現大規模的增長。根據IDC公司的預測，到2020年，全球物聯網總連接數將達到300億，市場規模達到1.7萬億美金。智慧交通、智能制造、智慧家庭、智慧醫療等新興市場的開啟，預示著物聯網產業正在穩步邁入“重點聚焦、跨界融合、集成創新”的全新里程，萬物互聯的理念已經有了初步的基礎。

（2）NB-IoT是運用3GPP技術標準而實施的物聯網通信技術，它主要是面向長距離、低速率、低功耗、多終端業務的智能設備的通信技術，系統的功耗低、成本低、連接能力強、覆蓋能力強是NB-IoT主要優勢，特別適合遠距離、多終端智能設備的物聯網通信技術。NB-IoT是低速率窄寬度物聯網技術，而物聯網的特征如圖1所示。

（3）移動蜂窩物聯網的整體架構包括三層：感知層、網絡層、應用層。物聯網的整體架構如圖2所示。

（4）NB-IoT作為一個全新的網絡，在幀結構、時隙結構、物理信道、不連續接收模式等方面與傳統的LTE網絡都有較大的差別，本文接下來重點分析NB-IoT的基本原理和中國移動NB-IoT的部署策略。

2. NB-IoT的基本原理

2.1NB-IoT的幀結構。

（1）為了減少RF和基帶的復雜性，同時便于GSM頻率再利用，NB-IoT的系統帶寬與GSM相一致，都是200kHz，NB-IoT的傳輸帶寬是180kHz。NB-IoT的下行幀結構與傳統的LTE幀結構相同，即1個無線幀（10ms）包含10個長度為1ms的子幀，1個子幀包含2個長度為0.5ms的時隙。在下行，NB-IoT只支持15kHz的子載波間隔，不支持7.5kHz的子載波間隔，僅支持常規CP，不支持擴展CP。

（2）NB-IoT上行有兩種幀結構可供選擇，子載波帶寬為15kHz的幀結構與LTE的下行幀結構相同，1個10ms的無線幀包含10個1 ms的子幀，180kHz帶寬上共有12個子載波；子載波帶寬為3.75kHz的幀結構是一種新設計的幀結構，1個10ms的無線幀包含5個長度為2ms的時隙，180kHz帶寬上共有48個子載波。上行無線子幀時隙結構如圖3所示。

（3）下行采用OFDMA多址接入技術，在頻域內帶寬為200kHz，（兩邊各保留10kHz，實際占用180kHz），子載波帶寬為15kHz，子載波數目為12。而時域重用LTE幀結構類型1，一個時隙長度為0.5ms，一個時隙包含7個符號，一個字幀包含2個時隙，一個無線幀包含10個子幀，一個超幀包含 1024個無線幀，下行無線子幀結構如圖4所示。

2.2NB-IoT的物理信道。endprint

2.2.1為了減少實現的復雜性，NB-IoT精簡了不必要的物理信道，在下行只有三種物理信道和兩種參考信號，在上行只有兩種物理信道和一種參考信號。

三種下行物理信道分別如下：

（1）NPBCH（Narrowband Physical BroadcastCHannel，窄帶物理廣播信道）：NPBCH信道傳遞系統幀號、NB-SIB1的調度信息、接入限制和操作模式等信息，采用QPSK調制方式。

（2）NPDCCH（Narrowband Physical Downlink ControlCHannel，窄帶物理下行控制信道）：NPDCCH信道用于指示NPDSCH、NPUSCH的傳輸格式、資源分配等信息，采用QPSK調制方式（NPDCCH格式見表1）。

（3）NPDSCH（Narrowband Physical Downlink Shared CHannel，窄帶物理下行共享信道）：只支持QPSK，最大TBS是680bits。

通過多次傳輸來增加下行覆蓋。兩種下行物理信號分別如下：

（4）NRS（Narrowband Reference Signal，窄帶參考信號）：NRS信號用于下行信道質量測量和信道估計，用于NB-IoT UE的相干檢測和解調。

（5）NSS（Narrowband Synchronization Signal，窄帶同步信號）：NSS信號用于時間同步，確定小區唯一的PCI（Physical Cell Identity，物理小區號）。

2.2.2總之，NB-IoT的物理信道通過降低目標速率、多次傳輸、采用低階調制方式等措施，以達到增加覆蓋、降低成本、降低功耗的目的。

2.3下行最大鏈路損耗（Maximum Coupling Loss，MCL）計算如表2所示。

3. NB-IoT部署策略

就目前中國移動的NB-IoT部署策略主要涉及上行子載波帶寬的選擇、操作模式的選擇、頻率使用策略、站址選擇策略和建設方式的選擇等。

3.1頻率使用策略。

（1）NB-IoT只支持半雙工FDD模式，中國移動目前可用的FDD頻率有900MHz頻段和1800MHz頻段。因為物聯網設備無處不在，比手機有更高的覆蓋能力要求，而900MHz頻段比1800MHz頻段覆蓋能力強，因此900MHz頻段是中國移動部署NB-IoT的首選頻段，同時NB-IoT所需的帶寬是180kHz/載波，中國移動900MHz頻段釋放能力能夠滿足NB-IoT部署的需要。

（2）900MHz頻段目前也是中國移動GSM語音業務的主要承載頻段，同時是中國移動獲取LTE FDD牌照后LTE FDD部署的主要頻段，因此需要綜合考慮GSM、LTE FDD、NB-IoT的各自需要，統一制定GSM900頻段的使用策略。900MHz頻段使用示意圖如圖5所示：

3.2站址選擇策略。

（1）考慮到移動性物聯網需求，初期的NB-IoT網絡應實現區域的連續性覆蓋，在900MHz頻段，NB-IoT最大覆蓋距離約是GSM900的2倍左右，同時中國移動GSM站點在城區的站間距遠遠小于GSM的最大覆蓋距離，因此中國移動只需要在少部分GSM站點上部署NB-IoT即可實現連續覆蓋要求。

（2）城區是物聯網應用的重點區域，建議中國移動按照先城區后農村的策略部署NB-IoT，對于投資的節省，建議中國移動使用現在使用的GSM站址的45%來實現NB-IoT城區范圍內的連續覆蓋，城市發展的后期需要，可以根據具體的需求來逐步部署。

3.3建設方式。

NB-IoT建設主要有三種方式，分別是新建NB-IoT基站、基于TD-LTE建設NB-IoT基站以及基于GSM建設NB-IoT基站。新建NB-IoT優點是完全不影響現有的GSM網絡，可以獨立優化繼而網絡性能最優，而新建NB-IoT缺點是投資大、新建天饋線難度大。基于TD-LTE建設NB-IoT基站的優點是不影響GSM網絡，可以利用舊的TD-LTE的部分硬件，投資一般，缺點是新建或替換天饋難度大。基于GSM建設NB-IoT基站其優點是建設速度快，缺點是NB-IoT的優化會影響GSM的網絡性能。由于基于GSM建設NB-IoT基站會給中國移動LTE FDD帶來不利影響，因此建議中國移動采用新建NB-IoT基站或者基于TD-LTE建設NB-IoT基站方式建設NB-IoT網絡。

4. 總結

NB-IoT是物聯網領域新興連接技術，支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，具備覆蓋廣、多連接、低功耗、低成本等優勢。NB-IoT可直接“疊加”部署與GSM、LTE網絡，相比其他物聯網技術，NB-IoT技術具有很高的應用價值，建議中國移動積極開展NB-IoT實驗網的建設，初期為客戶提供連接服務，中期為客戶提供平臺開放能力、提供終端，最終為客戶提供端到端的解決方案，以便在物聯網的價值鏈中占據主導地位，獲取最大價值。

參考文獻

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[文章編號]1619-2737（2017）08-18-741

[作者簡介] 夏麟，男，籍貫：陜西西安人，學歷：學士，研究方向為無線網絡關鍵技術及網絡規劃。endprint