窄带物联网技术探讨

刘 毅，孔建坤，牛海涛，张振刚

（中国移动通信集团山东有限公司网络部，山东 济南 250001）

窄带物联网技术探讨

刘 毅，孔建坤，牛海涛，张振刚

（中国移动通信集团山东有限公司网络部，山东 济南 250001）

随着物联网的飞速发展，窄带物联网技术（NB-IOT）因功耗低、覆盖广的优点，越来越受到人们的关注。研究从物联网发展历程入手，以运营商视角，对窄带物联网发展前景进行了多角度分析，然后从覆盖、部署、配置管理三个方面探究窄带物联网技术的优势，通过符号扩频技术和Burst重复技术信号覆盖能力，采用Standalone或Guardband两种部署方式抑制干扰，利用共主控方式部署优化配置管理。最后，分析评估窄带物联网与无线通信网的关联技术，展望窄带物联网技术在今后应用方面的广阔前景。

NB-IoT；通信运营商；网络层；保障措施；关联技术

0 引 言

物联网（Internet Of Things，IoT）是将各种信息的传感设备进行联网，以最终接入互联网而形成的一个巨大网络系统。它的本质是设备通过通信技术与网络连接，从而实现人与物以及物与物的智能连接。物联网技术自1999年诞生之日起，已经得到飞速发展。预计到2020年，将有超过140亿个网络设备实现互联[1]。但针对分布范围广泛的设备，还没有一个单一的解决方案可以满足所有设备的网络通信要求。根据传输距离，可以分为短距离通信技术和广域网通信技术两大类。短距离通信主要有应用于智能家居等场景的Bluetooth、WiFi、ZigBee、Z-wave等通信技术。广域网通信技术，通常定义为LPWAN（Low-Power Wide-Area Network），已在水系检测、智能抄表、物流监控等领域开展应用。

LPWAN技术根据使用频段不同使用两种制式，一种是标准定义工作在授权频段的技术，如较成熟的GSM、CDMA、WCDMA、LTE通信网络技术及其演进技术等；另一种则工作频段未经3GPP和3GPP2授权的，如SIGFOX、LoRa、RPMA等技术。在2015年9月，3GPP标准组织又立项提出了新的LPWAN通信技术，即窄带物联网（NarrowBand Internet of Things，NB-IoT），以满足更多应用场景的部署应用。

窄带物联网（Narrow Band-IoT）主要聚焦于低功耗广覆盖物联网市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。它连接的设备更简单，具有高耦合、终端成本低、可即插即用、可靠性高、统一的业务平台管理等特点，主要面向低速率、深度覆盖、低功耗、大数据连接的物联网应用场景。该技术可完美匹配LPWA市场需求，使通信运营商进入这个新领域[2]。

1 物联对通信网络带来的挑战

对于物联网的普遍认识是将信息传感设备按约定的通信协议与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理[3]。从层次划分来看，如图1所示，物联网主要由感知层、网络层和应用层组成。

图1 物联网网络架构

运行商在通信网络中一直扮演着核心角色。伴随着物联网时代的到来，运营商也在积极探索在新的网络架构下，尤其是NB-IoT物联网中如何提供技术支撑。

作为运营商，拥有成熟的计费统计功能（如核心网）、丰富的设备终端资源（如便携式无线终端设备）、稳定的数据传输网络（如TD-LTE无线通信网络）。因此，可以从资费、产品及通信传输等多个角度对物联网的发展提供自上而下的服务。

传统的无线网络对物联网业务未进行专门设计和优化，因此无线传播功耗较大，成本较高，并不适用于大连接、低速率、低功耗、低成本的物联网业务场景。针对物联网的业务特点，NB-IoT窄带物联网技术对网络层提供了新的解决方案。

图2 NB-IoT网络架构

NB-IoT属于物联网的一种，其端到端系统架构如图2所示。感知层的NB-IoT终端通过Uu空口连接到网络层E-nodeB基站。NB-IoT基站负责接入处理、小区管理等相关功能，通过MI接口与IoT控制器进行连接。IoT控制器负责与终端非接入层交互的功能，并将IoT业务相关数据转发到IoT平台进行处理[4]。IoT平台汇聚各种接入网得到的IoT数据，根据不同类型转发至相应的应用层。业务应用是IoT数据的最终汇聚点，根据客户的需求进行数据处理等操作。

总体分析，物联网三层中的感知层、业务层相对稳定，感知层受制于感知终端的行业发展，应用层主要因功能的需求而不断发展演进。网络层涉及无线覆盖传播等复杂情况，与通信网无线层面临的覆盖、容量、干扰等质量因素类似。通信运营商应主要关注物联网网络侧与通信网络的差异，评估分析通信网络对物联网数据传输可提供的通道能力。

在覆盖方面，NB-IoT对广度覆盖及深度提出了新的挑战。干扰方面，因频段资源分配等问题，频带资源采用独立部署（Stand-alone）。保护带部署（Guard band）和带内部署（In-band）仍存在争议。部署方式方面，由于NB-IoT定义了有限的移动性，对于低速率、低频次数据传输，通信网需改造邻区参数等，以提升系统稳定性。

总之，NB-IoT的出现对物联网提供了新的发展机遇，但对现有的无线通信网络在数据传输的覆盖范围、稳定及管理等方面提出了更高要求。下面将从覆盖、干扰及配置管理三个角度进行研究探索，并分析合理的技术支撑方案，保障NB-IoT无线网络质量。

2 NB-IoT通信网保障措施

为更好地保障窄带物联网更好地提供服务，在推动接入终端及产品应用外，从通信运营商角度，需不断尝试探索新的网络技术来进一步提升通信网无线技术，从而提升NB-IoT性能。

2.1 覆盖增强技术

覆盖增强可通过技术，综合运用提升覆盖增益，如符号扩频技术和Burst重复技术，提升上行发射功率密度、划分覆盖等级等。

如图3所示，符号扩频是在不延展频谱宽度的情况下，将原始序列使用扩频码进行符号级重复。Burst重复是对符号扩频处理后的序列进行Burst级的重复，以4倍扩频和2倍Burst重复。通过这两种重复方式的处理，使得接收端可以通过合并接收重复序列，获得相应的合并增益。通过现网测试，在下行数据传输中进行4倍扩频和8倍Burst重复后，可提供15 dB的覆盖增益。而在上行数据传输中进行16倍Burst倍重复，可提供12 dB的覆盖增益[5]。

提升上行发射功率密度方面，NB-IoT UE集中在3.75 kHz频宽上发射。GSM的终端是在180 kHz的频宽上发射，功率在越窄的带宽发射能力越集中。因此可以得出，在相同的发射功率下，NB-IoT相比GSM能够提高功率谱密度。通过现场测试发现，约可以提升17 dB[6]。为了降低NB-IoT终端的功耗，如果将NB-IoT UE的发射功率相比GSM UE的发射功率降低10 dB，在覆盖上相比GSM UE，NB-IoT仍可以获得了7 dB增益。

Burst重复等技术主要通过时域层面重复获得增益，但消息在时域上大量重复会造成时域资源的不足，从而降低系统容量。如果对于覆盖区域内所有UE采用相同的功率，在保证可靠传输的前提下，将导致功耗增加、容量降低。为了兼顾覆盖深度和容量性能，可以将NB-IoT小区划分为不同覆盖等级。UE根据信号强度，选择相应的覆盖等级进行业务传输。低覆盖等级信号好，优先保证传输速率；而高覆盖等级信号较弱，优先保证覆盖，数据传输速率降低。

如图4所示，可将NB-IoT基站的覆盖区域划分为3个不同的覆盖等级。在覆盖等级越高的Coverage Class 2范围内优先保证覆盖，这些区域覆盖相对较弱，数据传输重复次数越多，将导致数据传输速率较低。而在覆盖等级越低的Coverage Class 0范围内，优先保证数据传输的容量，从而获得数据传输的高速率。通过这种划分，保证了小区满足覆盖增强的要求，同时也保证了一定的容量。终端可根据接收信号强度调整驻留的覆盖等级。

图4 覆盖划分等级

2.2 干扰抑制技术

良好的用户使用，离不开网络传输的稳定性。在当今如此负责的无线网络环境下，如何降低传输中所出现的干扰，显得尤为重要。而通过多样化的部署方案，可起到干扰抑制的目的。

NB-IoT可以与其他通信制式共站部署，也可以单独部署。从通信运营商角度来看，共站部署速度快，可节省成本，所以本文主要从共站角度来探讨NB-IoT的部署。从共站部署数量来看，NB-IOT可与现网通信基站1∶1部署，或从N个其他通信制式的站点选择一个站点与NB-IoT站点共站部署。NB-IoT基站的覆盖增强技术，使得NB-IoT比传统的基站覆盖范围大，故建议一个NB-IoT站点可同时覆盖多个传统基站的覆盖区域，即采用1∶N的组网部署方式。

而根据运营商获得的频谱资源又可以采用Standalone或Guardband两种部署方式。根据是否增加频谱资源，Standalone又可分为Refarming部署和空闲频谱部署[7]。Refarming部署主要指从GSM频谱中分配出一段频谱资源给NB-IoT使用，以实现在不增加频谱资源的情况下部署NB-IoT网络。GSM的一个载波的带宽为200 kHz，与NBIoT带宽一致。但是，Refarming部署时要考虑NB-IoT带宽两边与GSM制式之间的预留保护带宽。Refarming部署NB-IoT后，通过对GSM网络的重新规划，使得原GSM网络受到影响最小。如图5所示，可以通过将2个GSM载波Refarming给NBIoT网络使用，但NB-IoT与GSM之间预留100 kHz保护带宽，以防影响GSM网络。

图5 GSM网络Refarming部署NB-IoT

运营商拥有的频谱资源中，可能存在部分不满足部署通信制式要求的非标准频谱资源，而这部分空闲频谱资源常常被闲置浪费。NB-IoT是窄带通信技术，可以有效利用这些碎片空闲频谱资源，如在GSM网络或LTE网络外空闲频谱资源部署NB-IoT[8]。

现有的无线通信制式为了避免相邻载波或制式间的干扰，需要在有效带宽之外预留一定的带宽余量。这部分带宽余量称为保护带宽Guard band。一般，无线制式载波间的保护带宽基本都大于或等于200 kHz。NB-IoT是一种窄带通信技术，上行和下行各占200 kHz带宽（有效带宽为180 kHz）。因此，可以利用通信运营商已有无线通信制式频谱的保护带进行部署，既可以在无需获得新频谱资源的前提下开展物联网业务，又有效提高了已有频谱的利用率。如图6所示，可在LTE制式的保护带宽Guard band上部署NB-IoT[9]。

图6 LTE保护带宽上部署NB-IoT

2.3 配置管理优化

部署NB-IoT通常推荐采用共站组网，因此传输推荐与其他通信制式采用共传输线路。当NBIoT与LTE共站组网时，因LTE基站与NB-IoT设备都要配置IP及VLAN，建议采用共主控方式部署。而当NB-IoT与GSM共站组网时，可选择共主控方式部署或分离主控方式部署。

NB-IoT基站无线通信业务资源的利用由于小区覆盖等级的划分，需要注意相关的小区参数配置。对移动性管理需同时对切换、重选及邻区信息在开通前重新规划。

当小区接入的用户数量较多，可能导致小区拥塞时，需要通过小区接入控制，限制部分新接入用户接入网络，以确保业务整体QoS满意度和系统稳定，完成小区资源调度和小区接入拥塞控制的管理。

3 结 语

虽然目前NB-IoT商业化还面临巨大挑战，但是随着客户需求的不断更新，物联网技术的不断进步，越来越多的电信供应商、运营商和垂直设备公司合作开发NB-IoT产品，包括芯片、模块、设备等。这将帮助运营商推动NB-IoT技术解决方案的落地。目前[10]，基于NB-IoT技术的商业模式将趋于成型，从而形成日趋成熟的价值链条，正如今天看到的一些NB-IoT解决方案，智能仪表、智能停车和宠物跟踪等。可见，NB-IoT技术正在以其海量连接、深度覆盖、超低耗能、低成本等诸多优点强势来袭，势必将引发整个物联网行业的革命性变化，成就万物互联的新时代，但同时也为通信运营商带来巨大机遇和挑战。运营商通过技术革新提供好物物相连接管道，利用通信网与物联网的联合技术革新，再利用新技术不断完成管道性能，以期探索获取更多OTT领域的经验，从而为通信运营商探索新的发展之路。

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[10] 赵静.低速率物联网蜂窝通信技术现状及发展趋势[J].移动通信,2016,40(07):231-232. ZHAO Jing.The Status and Trend of Low Rate Cellular Communication Technology for IoT[J].Mobile Communic ations,2016,40(07):231-232.

刘 毅（1985—），男，硕士，工程师，主要研究方向为TD-LTE网络维护与优化等；

孔建坤（1971—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为通信网络运维管理；

牛海涛（1964—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为无线网络运维管理；

张振刚（1975—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为无线网络运维管理工作。

Narrowband IoT Technology

LIU Yi, KONG Jian-kun, NIU Hai-tao, ZHANG Zhen-gang
(Netword Department, China Mobile Group Shandong Co.Ltd., Jinan Shandong 250001, China)

With the rapid development of IoT(Internet of Things)，Narrowband IoT technology, for its advantages of low power consumption and wide coverage, attracts more and more attention from people. This research, begining from the development course of IoT technology, conducts a multi-angle analysis on development prospects of narrowband IoT in vieus of an operator, and explores the technical superiority of narrowband IoT from three aspects of coverage, deployment, and configuration management. Analysis and evaluation are done on the relationship of between narrowband IoT and communication network, and the broad prospects of narrowband IoT application in the future also forecasted.

NB-IoT; communication operators; network layer; assurance measures; correlation technology

TN929.5；TP391.44

A

1002-0802(2016)-12-1671-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.12.018

2016-08-09

2016-11-12 Received date:2016-08-09;Revised date:2016-11-12