3GPP窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）技術(shù)在R14版本中的增強(qiáng)

1 引言

3GPP在Release 13版本中，已針對(duì)C-IoT（蜂窩物聯(lián)網(wǎng)）市場(chǎng)做了巨大努力，并于2016年6月份標(biāo)準(zhǔn)了三種LPWA技術(shù)，分別是eMTC，NB-IOT，EC-GSMIoT。其中3種技術(shù)各有相應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，應(yīng)用場(chǎng)景及瞄準(zhǔn)的市場(chǎng)也不盡相同。其中，備受關(guān)注的“窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）”技術(shù)于2017年后，迅速得到了產(chǎn)業(yè)化和商用。

而NB-IOT作為基于LTE (E-UTRA)的框架/非后向兼容的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，主要解決了“覆蓋增強(qiáng)、大連接，低吞吐量，低延遲靈敏度，終端成本低，功耗低，優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)”等方面。其中，NB-IoT還從系統(tǒng)架構(gòu)和傳輸方案上引入了兩種傳輸模式：基于CP的優(yōu)化傳輸方案（Control plane CIoT EPS optimization）和基于UP的優(yōu)化傳輸方案（Control plane CIoT EPS optimization）。

這里是從空口接口及性能需求的角度，給出了三種C-IOT（蜂窩物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)的簡(jiǎn)要對(duì)比。（如圖1所示）

3GPP的Rel-13中的NB-IoT技術(shù)，第一次使3GPP系統(tǒng)能擴(kuò)展到以“大連接、廣覆蓋、低成本、低功耗”為特征的LWPA蜂窩物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)。但M2M（機(jī)器到機(jī)器）市場(chǎng)的大規(guī)模爆發(fā)，及來自于運(yùn)營(yíng)商及垂直市場(chǎng)的與日俱增的新需求，均對(duì)NB-IOT的持續(xù)演進(jìn)提出了新要求。NB-IOT也需要適時(shí)的進(jìn)一步引入新技術(shù)，增強(qiáng)某些功能，以確保隨著物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的發(fā)展和多樣化，能適時(shí)做出快速響應(yīng)。本文主要解析R14版本中，NB-IoT的增強(qiáng)。

圖1 R13版本中三種C-IOT技術(shù)的簡(jiǎn)要對(duì)比

2 R14版本中的主要增強(qiáng)

Rel-13版本的NB-IoT技術(shù)，已經(jīng)為超低復(fù)雜度的UE提供了基本的空中接口，使得NB-IOT終端可以在極具挑戰(zhàn)性的覆蓋范圍內(nèi)（MAX MCL=164dbm）連接到網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)具有很長(zhǎng)的電池壽命（Long battery life: up to 10 years of operation with 5 Watt Hour battery），支持每小區(qū)5萬連接數(shù)。但Rel-13版本的NB-IoT技術(shù)，在業(yè)務(wù)支持能力、定位、功耗、移動(dòng)性支持、E2E時(shí)延方面，NB-IOT又存在一定的短板，需要在后續(xù)演進(jìn)中進(jìn)一步增強(qiáng)。本文就R14版本中NB-IoT在“定位、組播、非錨定載波操作、移動(dòng)性增強(qiáng)、功耗和延遲減少”這5方面進(jìn)行一些闡述和探討。

2.1 定位方面的增強(qiáng)

后續(xù)NB-IOT版本中，引入了LPP（定位協(xié)議）信令作為NB-IoT的定位協(xié)議。 UE需要通過UE能力過程，向網(wǎng)絡(luò)指示其是否支持“OTDOA，A-GNSS，E-CID，地面導(dǎo)航服務(wù)，傳感器，WLAN和基于藍(lán)牙的定位”等能力。其中，OTDOA和E-CID在3GPP規(guī)范中進(jìn)行了定義。當(dāng)UE需要空閑模式下針對(duì)這些執(zhí)行測(cè)量時(shí)，UE需要向網(wǎng)絡(luò)指示其這部分能力。

這里關(guān)于NPRS做一些詳細(xì)的說明：

NB-iot演進(jìn)中，基于一個(gè)PRB中的LTE PRS，引入了新的窄帶定位參考信號(hào)（NPRS）。 NPRS一般在網(wǎng)絡(luò)側(cè)可被被配置為在時(shí)域中周期性地發(fā)生。目前規(guī)范支持2種方式：通過位圖(bitmap)指示NPRS映射到10個(gè)或40個(gè)子幀，并指示哪些子幀可以包含NPRS；即“部分A”（part A）模式。還可以多個(gè)連續(xù)子幀的配置的方式。其周期（period）以及在起始子幀的周期內(nèi)的偏置（offset），網(wǎng)絡(luò)側(cè)可以配置，并通過RRC信令傳遞到UE。此即“部分B”（part B）模式。

NPRS的配置模式如圖2所示。這還取決于包含NPRS的NB-IoT是帶內(nèi)部署（in-band），保護(hù)帶部署(gurad-band)，還是獨(dú)立部署(standalone)。 通過根據(jù)頻域中的UE特定ID偏移模式，NPRS的時(shí)頻映射位置可變，如圖3所示。（如圖4所示）

2.2 組播方面的增強(qiáng)

基 于 SC-PTM（Single-Cell-Point to Multipoint）引入組播，簡(jiǎn)化以適應(yīng)NB-IoT UE的低復(fù)雜度。類似于LTE，NB中系統(tǒng)消息SIB20配置每個(gè)小區(qū)的單個(gè)SCMCCH的傳輸，其依次配置可多達(dá)64個(gè)SC-MTCH。傳輸可以在錨定或非錨定NB-IoT載波上。擴(kuò)展了SCMCCH的修改和重復(fù)周期，以解決在NPDCCH和NPDSCH上覆蓋擴(kuò)展的重復(fù)問題。為了保持UE的低復(fù)雜度低，NB-IoT UE僅需要在RRC_IDLE模式接收SCPTM，并且不需要同時(shí)處理SC-MTCH和SC-MCCH，在SC-PTM的傳輸?shù)耐瑫r(shí)，也不需要處理尋呼或RAR（random access response）。

圖4 Figure 1: Illustration of Part A bitmap [0010000100], Part B with period 160 ms, 20 NPRS subframes per occasion and zero starting offset.Muting A = [1001], muting B = [01].

與LTE不同，沒有SC-N-RNTI。相反，在調(diào)度SCMCCH和SC-MTCH的DCI中直接指示SC-MCCH改變的通知。

2.3 非錨定載波操作方面的增強(qiáng)

在一個(gè)新的NB-IoT SIB中可以配置多達(dá)15個(gè)DL和UL非錨定載波（non-anchor carriers），由尋呼，RAR或SC-PTM使用。每個(gè)載波由其中心頻率標(biāo)識(shí)。為了尋呼目的，PO(尋呼時(shí)機(jī))以可配置的不均勻方式分布在非主載波上，使得eNB可以決定每個(gè)載波應(yīng)具有的尋呼負(fù)載（paging load）。對(duì)于隨機(jī)接入，UE可以為Msg1＆3隨機(jī)的選擇UL非錨載波，其Msg2＆4DL載波與選擇的UL 載波對(duì)應(yīng); 或者對(duì)于Npdcch order的隨機(jī)接入，由DCI指示Msg1＆3的載波。 NPDCCH ordered的隨機(jī)接入，支持競(jìng)爭(zhēng)和無競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入。

2.4 移動(dòng)性增強(qiáng)（如圖5所示）

對(duì)于控制平面CIoT EPS優(yōu)化，引入RRC連接重建（RRC Connection Re-establishment）和S1 eNB CP重定位指示（S1 eNB CP Relocation Indication）過程，以允許在無線鏈路故障的情況下維持MME和UE NAS的S1連接和NAS PDU的重傳。由于NB-IOT的UE不支持AS安全性，因此基于NAS安全性的安全性令牌（security token）被包括在RRC連接重建請(qǐng)求（RRC Connection Re-establishment Request）和RRC連接重建（RRC Connection Re-establishment）消息中，以允許MME/eNB對(duì)UE進(jìn)行鑒權(quán)和認(rèn)證。

在對(duì)UE鑒權(quán)和認(rèn)證成功的情況下，MME發(fā)起S1 UE上下文釋放過程以釋放UE在舊eNB中的S1連接。MME可以在釋放過程之前發(fā)起MME CP重定位過程，以便觸發(fā)舊eNB將未遞送的NAS PDU返回給MME。

圖5 R14版本中的NB-IOT，支持RRC連接重建的信令過程

對(duì)于用戶平面CIoT EPS優(yōu)化傳輸中，在無線鏈路故障時(shí)可使用傳統(tǒng)的切換切換方式以保持無線鏈路及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程的無縫和可靠。（legacy handover procedure of with data forwarding）。

2.5 功耗和延遲減少及傳輸速率的增強(qiáng)（如圖6所示）

為了縮短N(yùn)B-IOT UE在傳輸更大消息時(shí)所需的時(shí)間，另外為了縮減UE功率，NB-IoT UE可支持的傳輸塊大小（TBS）的范圍從最大680bit(DL)和1000bit (UL)，增加到2536bit(DL/UL)。這即需要增加一個(gè)新的UE類別：cat NB2。下圖是3GPP TS 36306中關(guān)于CAT NB1和CAT NB2的描述和對(duì)比：

圖6 3GPP TS 36.306中關(guān)于CAT NB1和CAT NB2的描述和對(duì)比

另外，Cat NB2 UE可以可選的具有用于UL和DL的2個(gè)HARQ進(jìn)程，而Rel-13中NB-IOT，其UL/DL只能有一個(gè)harq進(jìn)程。 UE是否使用2個(gè)HARQ進(jìn)程，必須由eNB激活。對(duì)于速率提升方面，下面是一些基本的對(duì)比：

R13版本中： 25 DL / 60 UL kbps

R14版本中（1 HARQ UE）： 80 DL / 105 UL kbps

R14版 本 中（2 HARQ UE）： 125 DL / 140 UL kbps

3 總結(jié)

3GPP的R14版本中NB-IOT技術(shù)，主要彌補(bǔ)了R13版本的NB-IOT技術(shù)的不足，并做了持續(xù)的增強(qiáng)。其中包括：定位方面的增強(qiáng)、組播技術(shù)的引入、非錨定載波操作、移動(dòng)性增強(qiáng)、功耗和延遲減少等五大方面。可以預(yù)見的是，R14版本的NB-IoT技術(shù)更加全面滿足LPWA類業(yè)務(wù)的需求，尤其可滿足智能家居、智慧連接、智能抄表、市政物聯(lián)、物流追蹤、智能穿戴、廣域物聯(lián)和工業(yè)物聯(lián)等LPWA類物聯(lián)網(wǎng)的細(xì)分市場(chǎng)需求，預(yù)計(jì)在不久的將來，R14版本的NB-IOT技術(shù)將會(huì)得到更大規(guī)模的應(yīng)用和發(fā)展。