NB—IoT测试：一项全新的工程

甘秉鸿

NB-IoT是技术演进和市场竞争的综合产物，NB-IoT作为低功耗、广域覆盖物联网技术，必将在万物互联时代扮演极其重要的角色。

技术背景

物联网技术在行业应用的比例逐年提高，并逐步渗透到生产制造、健康医疗、汽车等行业。万物互联时代正以极其迅速的脚步走进我们的生活。而“万物互联”实现的基础之一在于数据的传输，不同的物联网业务对数据传输能力和实时性都有着不同要求。

物联网通信技术有很多种，从传输距离上区分，可以分为短距离通信技术和广域网通信技术。短距离通信技术代表技术有Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等，典型的应用场景如智能家居；广域网通信技术代表有LPWAN（低功耗广域网），典型应用场景有智能抄表。低功耗广域网LPWAN技术又可分为两类，一是工作在非授权频段的技术：如Lora、Sigfox等。另一类是工作在授权频段的技术，如GSM、CDMA、WCDMA等较成熟的2G/3G蜂窝通信技术，以及目前逐渐部署应用、支持不同category终端类型的LTE及其演进技术。

关键技术

NB-IoT从立项到协议冻结仅用时不到8个月，成为史上建立最快的3GPP标准之一。在2016年9月完成性能标准制定、12月完成一致性测试后，几大运营商目前都在争相布局NB-IoT基站网络，因此，可以预见NB-IoT即将进入大规模商用阶段。

NB-IoT之所以可以解决室内覆盖增强、支持巨量低速率设备接入、低时延敏感、超低设备成本、低功耗和网络架构优化等问题，主要得益于其自身的几大关键技术。

NB-IoT支持独立部署、保护带部署、带内部署三种部署方式。通过三种不同方式的网络部署，NB-IoT充分有效地利用了频谱资源。

在3GPP R13版本中， NB-IoT仅支持FDD半双工Type B模式。而在Type B下，UE在发送上行信号时，其前面的子帧和后面的子帧都不接收下行信号，使得保护时隙加长，这对于设备的要求降低，且提高了信号的可靠性。通过NB-IoT的半双工Type B模式，有效降低了终端的成本和功耗。

NB-IoT系统下行链路的传输带宽为180kHz，采用现有LTE相同的15kHz子载波间隔，下行多址方式为OFDMA、帧结构和物理资源单元也都尽量沿用现有LTE的设计。

针对180kHz下行传输带宽的特点及满足深度覆盖的需求，NB-IoT系统缩减了下行物理信道的类型，重新设计了部分下行物理信道、同步信号和参考信号。NB-IoT系统上行链路传输带宽为180kHz，支持两种子载波间隔。3.75kHz和15kHz。对于覆盖增强场景，3.75kHz子载波间隔比15kHz子载波间隔可以提供更广的覆盖范围。

上行链路支持单子载波Single-tone和多子载波Multi-tone传输，子载波间隔可配置为3.75kHz或15kHz，对于多子载波传输，采用15kHz子载波间隔。上行都是基于SC-FDMA的多址技术。对于15kHz子载波间隔，NB-IoT上线帧结构和LTE相同，对于3.75kHz子载波间隔，NB-IoT新定义了一个2ms长度的窄带时隙，一个无线帧包含5个窄带时隙，每个窄带时隙包含7个符号，并在每个时隙之间预留保护间隔，用于最小化NB-IoT符号和LTE探测参考SRS之间的冲突。NB-IoT系统上行也缩减了上行物理信道类型，重新设计了部分上行物理信道。

覆盖增强技术

在3GPP标准中，要求NB-IoT的路径损耗可高达164dB，以满足布建在小区边缘或地下室等信道质量较低的NB-IoT终端设备。涵盖范围延伸（Coverage Enhancement， CE） 共分为三种等级，分别为达到可对抗最大耦合损失MCL为144dB、154dB、164dB的信号能量衰减。基站与NB-IoT终端间会根据所在的CE Level来选择相对应的信息重复传送次数。

NB-IoT为了解决深度覆盖问题，通过基站与NB-IoT终端之间采用较少数量的子载波与将欲传递的数据作重复传送以利于接收端提高正确解出数据的成功率。依照目前规格的规范，在随机存取信道、控制信道与数据信道所传递之信息的重复传送次数最高可高达2048次。

NB-IoT的重传机制，不是简单的数据重复，而是将数据进行重新排序后再传输的方式，类似于时域分集的理念。

低功耗技術

NB-IoT借助PSM和eDRX可实现更长待机。PSM（Power Saving Mode） 节电模式。R12中新增的功能，在此模式下，终端仍旧注册在网但信令不可达，从而使终端更长时间驻留在深睡眠状态以达到省电的目的。eDRX（Enhanced Discontinuous Reception）延长非连续接收。R13中新增的功能，进一步延长终端在空闲模式下的睡眠周期，减少接收单元不必要的启动，相对于PSM，大幅度提升了下行可达性。NB-IoT目标是对于典型的低速率、低频次业务模型等容量电池寿命可达10年以上。根据TR45.820的仿真数据，在耦合耗损164dB的恶劣环境下，PSM和eDRX均部署，如果终端每天发送一次200字节报文，5瓦时电池寿命可达12.8年。NB-IoT虽然是基于LTE技术的演进，但是，NB-IoT的技术特点决定了它自身的独特之处，因此，NB-IoT的测试同样也需要完全按照3GPP标准的要求进行。

面临挑战

网络未动，测试先行，对于NB-IoT产业也同样如此。相比于现在的LTE技术，NB-IoT的信道宽带、双工方式、无线信道类型、帧结构、资源分配方式等方面均发生了改变，相应的空闲模式流程、随即接入、RRC连接管理、连接重配置、无线链路监测以及可能的重定向等流程也都进行了调整。

因此，在功能方面无法复用LTE测试仪表，需要将NB-IoT视为一项全新的技术进行测试，并覆盖所有的协议功能点。而在RF性能方面，同样将涉及各类发射机/接收机、解调等测试项目。

在通信网络的部署当中，测试仪器对于网络性能的验证至关重要。罗德与施瓦茨公司一直走在NB-IoT测试的最前沿，在2016年6月NB-IoT标准冻结之日，罗德与施瓦茨测试仪表的NB-IoT功能也随之正式发布。2016年底，与三大运营商和几大设备厂商（包括中兴、华为、爱立信、大唐等）之间就已经完成了NB-IoT基站的摸底测试。

罗德与施瓦茨是第一个提供NB-IoT基站测试方案的供应商，基于R&S测试仪表，可以产生与分析NB-IoT信号。NB-IoT测试方案基于完美的测试设备组合，由矢量信号发生器SMW200A和信号与频谱分析仪FSW组成，这两款仪表已经广泛应用于移动网络设备生产厂商的基站测试中。

NB-IoT发射机测试，NB-IoT信号分析通过R&S的VSE矢量信号分析软件选件来实现，用户也可以通过软件把测试系统升级到具有NB-IoT功能，以确保NB-IoT生态系统的成功应用。