基于5G 時代中的NB-IOT 技術發展初探

◆江雪蕓

（蘭州交通大學博文學院 甘肅 730000）

1 5G 概述

1.1 5G 標準

國際電信聯盟組織（ITU）在16 年已經正式將5G 命名為IMT-2020。2019 年10 月31 日，三大運營商公布5G 商用套餐，并于11 月1 日正式上線5G 商用套餐[1]。國際通信行業標準組織第三代合作伙伴（3GPP）作為制定通信標準技術規范的指定部門，由最初的3G 時代持續研究發布至5G 時代。通常3GPP 通過版本號對所處的通信時代進行區分，如R8 到R14 推出長期演進技術（LTE）標準與LTE-Advanced 技術標準，即4G；由R15作為開端詳細介紹5G 技術自身特征，其中有非獨立組網（NSA）、新空口（5G NR）以及獨立組網（SA）等，成功部署全球5G 網絡熱潮。然5G 標準并非一個完整且一次成型的標準，在制定過程中由三個時期構成，首先從2017 年12 月結束制定，具備NSA與5G NR 特性，之前4G 網絡基礎上加入5G 基站進行網絡部署，屬于4G 網絡的增強型，只在運行速率上獲得提升；二是在2018 年6 月結束，該標準中部署5G 網絡的方式通過SA 實現，5G 網絡中包括基站與核心網，全面實現5G 網絡的各項指標要求，有超低時延、高速率等；最后是2019 年3 月結束，對NSA 與其他Option 規范進一步完善，重點在于4G 基站與5G 核心網及5G基站采用NSA 的方式部署網絡。

1.2 5G 應用場景

三大應用場景包括：一是大規模物聯網（Massive IOT/MTC/M2M），海量連接設備，超低功耗，深度覆蓋，超低復雜度；二是任務關鍵控制（MCC），任務關鍵性物聯網主要應用于無人駕駛、自動工廠、智能電網等領域，要求超高安全性，超低時延與超高可靠性（URLLC），如AR 或VR、遠程控制和游戲等業務，數據傳到云端分析處理后實時傳回，對時延性要求更高；三是增強的移動寬帶（eMBB），超高傳輸速率（＞20Gbps），5G 時代面向多種應用，含全息技術、4K/8K 超高清視頻、虛擬/增強現實等，移動帶寬急需更高的數據傳輸速率[2]。

5G R15 中并未進一步探索NB-IoT 技術標準，而該標準的制定與5G 標準相比較早，已經被凍結在R13 版本中，在R14 版本中深入分析與完善NB-IoT 技術，并將其他新的特性引入，主要有多播服務、定位服務、移動增強以及數據傳輸速率。

1.3 5G 核心指標（KPI）及關鍵技術

目前推出的5G 新空口無線技術中對兩項重要指標明確規定，分別為用戶面時延（URLLC：0.5ms（DL&UL））與峰值速率（DL：20Gbps、UL：10Gbps）。

在5G 中的8 大核心關鍵技術，包括毫米波技術、大規模天線陣列、新型調制編碼技術、多載波聚合、網絡切片技術、設備到設備直接通信、超密集異構網絡、新型網絡架構。

2 NB-IOT 概述

為進一步加速我國新型物聯網技術NB-IOT 和Emtc 的發展，工業和信息化部于2017 年陸續發布了《工業和信息化部辦公廳關于全面推進移動物聯網（NB-IOT）建設發展的通知》等政策法規，移動物聯網產業迎來了快速布局的政策紅利期，在全產業的共同努力下，NB-IOT 技術快速成熟，在技術標準、網絡部署、應用落地等方面成效顯著[3]。

2.1 NB-IOT 特性及模式

NB-IOT 是3GPP 針對低功耗廣覆蓋類業務而定義的新一代移動物聯網接入技術，主要面向低速率超低成本、低功耗、廣深覆蓋、海量連接需求的物聯網業務，如智能家居、智慧城市、物流追蹤、環境監控、工業物聯等。在業務的滿足需求中，NB-IOT在物理層發送方式、網絡結構、信令流程等方面做了簡化。

網絡部署的難易程度和網絡組建成本是運營商在決策過程中最需要考慮的問題。NB-IOT 模式網絡架構、三大部署模式和雙工模式。NB-IOT 網絡架構基本沿用或基于LTE 網絡架構，也可分為無線接入網（RAN）和核心網兩部分。NB-IOT 網絡部分更新增加：（1）S11-U 接口（采用GTP-U 協議）；（2）T6a 接口（采用DIAMETER 協議）；（3）S6t（采用DIAMETER 協議）；（4）SGd 接口用來直接支持基于SMS 的小數據包傳輸；（5）SCEF網元用來支持Non-IP 數據傳輸；（6）核心網MME 和SGW 兩個網元合并部署于一個物理節點上，統稱CSGN，可減少節點數目和成本并提高數據傳輸效率。

2.2 NB-IOT 頻段、信道

NB-IOT 沿用LTE 定義的頻段號，R13 為NB-IOT 指定了14個FDD 頻段。NB-IOT 的不同信道可以通過重復傳輸提升覆蓋能力，采用NB-IOT 上、下行物理信道。

2.3 NB-IOT 覆蓋、功耗

深度覆蓋或超強覆蓋是物聯網的一個重要特點和要求。采用較低功耗機制、PSM 降低功耗等技術或方法來降低終端功耗。

2.4 NB-IOT 演進增強

在3GPP R14 標準，NB-IOT 還將會增加定位、多播、增強型非錨定PRB、移動性和服務連續性、新的功率等級、降低功耗與時延，增加語音業務支持等，讓NB-IOT 技術更具競爭優勢。

3 5G 時代中的NB-IOT 發展

在5G 時代，現實環境已開始發生改變，然而基于蜂窩移動網絡采用的物聯網技術還是以eMTC 與NB-IoT 為主，NB-IoT 重點在容量大、覆蓋范圍廣、投入成本低以及功耗小。目前針對eMTC 與NB-IoT 設計面向5G 網絡的互聯網連接業務，3GPP 也在5G 物聯網技術標準中列入eMTC 與NB-IoT 的后期演進。

5G 時代的到來，NB-IoT 產業鏈不會在短期內快速退出，而2017 年與2018 年作為5G 網絡的導入期，現在已經開始進入平穩發展階段，如制造平臺、模組以及行業應用的廠家充分發揮企業職能，以擴大物聯網覆蓋面和降低功耗為目標，為物聯網市場向著健康的方向發展奠定基礎。運營商并未丟棄NB-IoT，期望5G 網絡還未在市場上大規模應用時，將NB-IoT 看作是運營商物聯網主要部分，在發展需求基礎上運用優化完善方式逐步實現[4]。未來NB-IoT 技術將邁入迅猛發展時期，成為5G 時代物聯網核心技術的重要部分。由5G 分析，并非一次就成功制定5G 的mMTC 場景，而是在NB-IoT 基礎上，快速推動大連接業務場景的進一步發展[5]。