窄帶物聯網NB-IoT關鍵技術應用分析

孔令華

（內蒙古工業大學 內蒙古自治區呼和浩特市 010051）

在全球信息化技術的發展下，物聯網科學技術已經在各行業得到普及應用，窄帶物聯網NB-IoT 作為物聯網重要的技術分支，其憑借所具有的技術優勢，能夠直接在LTE 網絡、GSM 網絡中部署應用，同時支持長期待機使用，因此能夠直接在很大程度上降低了物聯網技術通訊運營的成本，在窄帶物聯網NB-IoT 的應用過程中，需要做好窄帶物聯網NB-IoT 的規劃部署方式，如此才能夠切實發揮該技術的應用優勢作用。

1 窄帶物聯網NB-IoT的關鍵技術

1.1 窄帶物聯網NB-IoT的關鍵技術

窄帶物聯網簡稱NB-IoT，是萬物物聯網的重要分支，更是基于無線物聯網絡而構建的。常見的NB-IoT 關鍵技術主要有以下幾種：

1.1.1 低消耗關鍵技術

在窄帶物聯網關鍵技術中，一方面可以借助PSM 技術，實現對終端射頻的動態管理，當系統不需要進行數據連接運行的時候，系統可以處于關機狀態，不接受業務，下行處于不可達狀態。但是在該階段中，數據信息仍舊可以實現正常的傳輸。如，數據信息先傳送到MME 中，由MME 傳遞給sgw 進緩存，緩存的數據觸發終端，使得終端退出PSM 狀態，同時實現隨機連接。可以說，PSM 技術的應用確保用戶上行處于在線狀態，下行處于關機睡眠狀態，但是仍舊可以不影響信息傳輸狀態，如此達到了系統省電目標。另一方面是可以借助eDRX 技術，該技術是一種非連續接收技術，其能夠延長尋呼周期，達到節能降耗的作用。

1.1.2 低成本關鍵技術

在窄帶物聯網技術中，其依靠低寬帶技術有效地降低了整體成本，同時下行頻率和上行頻率處于兩個獨立的模塊，因此終端不需要同時接發上下行的數據，由此大大降低了所需要的元器件的數量，降低了電能消耗。

1.1.3 高覆蓋關鍵技術

窄帶物聯網技術的覆蓋能力得到了較高的提升。這主要是因為在NB-IoT 技術中，其擁有高發射率譜密度，上下行子載波大小不同，根據不同的網絡部署方案，上下行能夠發射更高密度的功率波譜密度。另外NB-IoT 技術的上下行支持多次重傳，下行最高可支持2048 次，上行可支持128 次，整體上來說，就是NB-IoT 關鍵技術利用較低速率來換取高覆蓋率，從而即便是在地下車庫、管道等隱蔽性場所都可以實現窄帶物聯網覆蓋。

1.2 窄帶物聯網NB-IoT關鍵技術的性能特點

圖1：NB-IoT 網絡拓撲圖

圖2：NB-IoT 網絡部署方式

基于上述提到的窄帶物聯網低速率、低成本以及高覆蓋率的關鍵技術特點可知，當前在現代社會中搭建起窄帶物聯網系統的產品，具有豐富的性能特點。

（1）窄帶物聯網的信號覆蓋廣且穿透性強。在網絡時代中，網絡已經實現全社會的普及，基本上城市的網絡覆蓋率已經達到99%，但是無線網絡所具有的物理穿透性較差問題，使得即便是一墻之隔，物聯效率都會大打折扣。而窄帶物聯網所具有的高覆蓋性的技術優勢，使其能夠被廣泛地應用于各種特殊的領域。如，窄帶物聯網系統在應用中，信號在進行上下行傳輸中，其能夠通過對信號的重復多次傳輸，有效提高信號傳輸的質量和數據傳輸的準確性。

（2）窄帶物聯網技術的成本較低。窄帶物聯網技術成本低主要表現在窄帶物聯網將物聯網系統的各項程序精簡化，只保留最后的部分，因此網絡設備的成本大大降低；也可以避免因為后期設備維護管理所帶來的成本支出。另外還表現在窄帶物聯網的終端設備都是相同的，因此不需要考慮到設備的兼容性問題，可以實現對芯片等的規模化生產加工，大大降低窄帶物聯網系統構建所需要的成本。

（3）窄帶互聯網技術的能耗較低。由于窄帶物聯網的功能結構相對簡單，其數據傳輸和智能控制僅僅需要簡單的電能支持。同時NB-IoT 技術極大程度地降低了終端芯片的復雜程度，簡化了空口信令，因此在傳輸過程中，減少了一些不必要的設備的啟動和運行，大多數的程序在不需要應用時都處于自動休眠狀態，能夠有效降低能耗，延長使用時間。

2 窄帶物聯網NB-IoT的規劃部署方式

在現代社會中，窄帶物聯網系統的設計理念在于能夠承接海量用戶數，搭建起滿足大量小數據包的基礎網絡系統，同時滿足各種對時延不敏感但是對功耗要求較高的終端設備的信息傳輸應用。因此需要從規劃思路、覆蓋評估、容量評估以及網絡部署方案等方面入手，逐一展開評價分析，從而設計出最佳的窄帶物聯網網絡系統。

2.1 NB-IoT 規劃思路

實現窄帶物聯網在各行業中的有效應用，運營商需要做好前期的規劃準備，因地制宜、因時制宜的提出規劃思路。運營商展開網絡規劃：

（1）展開對窄帶物聯網無線網絡覆蓋范圍的規劃收集。在窄帶物聯網系統產品設計中，需要對業務需求等進行全面的了解，明確窄帶物聯網無線網絡是否能夠全面覆蓋傳統的無線網絡。因此需要進行業務需求分析，完成鏈路預算管理，展開小區半徑監測、單站覆蓋面積計算，最后指定區域內所需要站點數目情況。

（2）展開對現有的物聯網終端基礎設施排查。在窄帶物聯網系統的應用中，其是基于現有的通信設施所展開的一種低速率、高覆蓋率的新型的物聯網絡架構，因此在建設中需要展開對現有的通信基礎設施的排查，避免后續網絡架設出現資源重復。

（3）根據窄帶物聯網技術的特點，制定科學的規劃方案。在窄帶物聯網關鍵技術的應用過程中，雖然該網絡技術具有低成本的特點，但是其需要通過設置數量眾多的站點來實現全覆蓋，高質量數據傳輸。因此在前期規劃中需要根據 NB-IoT 關鍵技術的特點以及組網能力，制定科學合理規劃方案，保證最終容量以及成本之間的平衡關系。

（4）進行窄帶物聯網的終端設備的功率整體規劃。根據對窄帶物聯網上下行速率的大小劃分，從而實現對該產品的功率計算，確保其能夠滿足最大的 MCL（164dB）要求，同時不至于出現資源浪費的情況。

2.2 NB-IoT 覆蓋評估

NB-IoT 覆蓋評估主要是指對窄帶物聯網系統在不同的區域環境下，其覆蓋方式、覆蓋概率以及傳輸方式是不同的，因此需要前期事先展開覆蓋評估，并且利用鏈路預算的方式，獲得物聯網系統所要覆蓋的半徑大小，最終確定該區域的站點數的數量。當前展開窄帶物聯網的覆蓋評估作業需要從以下幾個方面入手：

（1）展開窄帶物聯網的邊緣速率計算。在窄帶物聯網的技術應用中，其雖然具有較高的覆蓋率，但是其邊緣速率仍舊會呈現出下降趨勢，若是在該區域邊緣無線網絡應用中，對于物聯網的速率需求不高的話，則可以不需要進行再次的網絡穩定性和安全性處理。但是若是需要量較大的話，則需要采用自主報告和網絡質量報告兩種模式，如此才能夠確保對于整個窄帶物聯網系統展開傳輸穩定性控制。

（2）展開對TBS的大小的統籌規劃。在確定邊緣速率的基礎上，實現對窄帶物聯網產品系統的TBS 大小的確定，為系統設計提供直接參數參考。

（3）利用鏈路仿真結果，確定 TBS 對應的 SINR。事實上，最早的物聯網系統協議中沒有關于SINR 的公式定義的，因此導致信息傳輸的速率曲線準確性判斷不高。而SINR 的大小的確定則可以對應整個窄帶物聯網可以選取怎樣的MCS，同時將系統的上下行頻譜效率提升到最大。

（4）實現系統上下行的疊加重復次數的規劃，借助對其上下疊加重復此時的統籌規劃部署，能夠獲得覆蓋增益，延長窄帶物聯網的覆蓋的效率。

2.3 NB-IoT容量評估

NB-IoT 的容量評估直接影響到窄帶物聯網的產品應用情況。做好對窄帶物聯網容量評估。

（1）需要確定用戶數量的要求，導入信息技術手段，對于該產品的資源總量以及業務模式的判斷，從而計算得到該系統所能夠支持的最大用戶數量。

（2）展開對運行的用戶數量的容量管理。在物聯網系統中，一開始激活并且進行信息傳輸的用戶數量，窄帶物聯網所發揮的效應是不同的。因此需要通過觀察周期，掌握系統rrc 有效連接的數量大小，確定展開數據傳輸的用戶的應用規律等。

（3）明確窄帶物聯網系統在產品應用中的調度水平。理論上窄帶物聯網系統在運行中可以實現兩個用戶的調度，但是僅僅是支持一個上行用戶、一個下行用戶或者是兩個上行用戶，尚未支持兩個下行用戶同時調度需求。

2.4 NB-IoT網絡部署方案

窄帶物聯網系統是從常規物聯網中發展而來的，因此在網絡整體框架上仍舊保留著傳統的let 基本架構特點。當前所具有的網絡部署方案情況如下所示：

（1）網絡架構。主要采用的網絡基本架構為扁平化架構和全ip 化架構扁平化結構的應用能夠減少繁瑣的信令交互流程，大大減少開銷。在該項目設計中，網絡架構如圖1 所示。

（2）網絡部署方式。常用的網絡部署方式主要有獨立部署、保護帶部署、頻帶內部署方式。當前可以根據窄帶物聯網產品的自身的頻率資源以及經濟投入情況，自行選擇部署方式。常見的網絡部署方式如圖2 所示。如，采用獨立部署方式，其主要是利用4g網絡和2g 網絡未使用的頻率資源來進行部署。保護帶不是方式是指利用LTE 的保護間隔區內進行部署。

3 結束語

綜上所述，伴隨著萬物物聯概念的提出，智能終端生產和設計的水平呈現出指數型增長，大量的物和人介入到無線網絡中，令現有的通信網絡壓力過大，穩定性過大。因此建立起全新的物聯網絡標準至關重要。而窄帶物聯網NB-IoT 技術正在此應運而生，該技術通過后期的高效率的規劃部署，從而打造出高質量的NB-IoT 網絡，保證了窄帶物聯網覆蓋水平和應用質量，為物聯網應用提供保證。