NB—IoT技术及部署方案

孙凯

【摘要】本文讨论了物联网标准NB-IoT的技术特点，结合运营商的资源提出相应的建议和部署的方案。

【关键词】NB-IoT；LPWAN；GSM、CDMA；LTE；物联网

【Abstract】This paper discusses the technical characteristics of the standard NB-IoT， and puts forward the corresponding suggestions and deployment plan according to the resources of the operators.

【Key words】NB-IoT；LPWAN；GSM；CDMA；LTE

1. 前言

（1）移动通信正在从人和人的连接，向人与物以及物与物的连接迈进，万物互联是必然趋势。然而当前的4G网络在物与物连接上能力不足。事实上，相比蓝牙、ZigBee等短距离通信技术，移动蜂窝网络具备广覆盖、可移动以及大连接数等特性，能够带来更加丰富的应用场景，理应成为物联网的主要连接技术。作为LTE的演进型技术，4.5G除了具有高达1Gbps的峰值速率，还意味着基于蜂窝物联网的更多连接数，支持海量M2M连接以及更低时延，将助推高清视频、VoLTE以及物联网等应用快速普及。蜂窝物联网正在开启一个前所未有的廣阔市场。

（2）对于电信运营商而言，车联网、智慧医疗、智能家居等物联网应用将产生海量连接，远远超过人与人之间的通信需求。

（3）因为NB-IoT自身具备的低功耗、广覆盖、低成本、大容量等优势，使其可以广泛应用于多种垂直行业，如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业等。目前包括我国运营商在内诸多运营商在开展NB-IoT和研究。

2. NB-IoT的技术特点

基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网（LPWAN）。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说NB-IoT设备电池寿命可以提高至至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。NB-IoT具备四大特点。

2.1 强覆盖。

（1）物联网对网络覆盖的要求要高于现在人与人之间的通信。因为传感器一般都安装在如室内、地下、机器内等一些对深度覆盖要求较高的场景。因此增强的覆盖能力是NB-IoT能够立足的基础，根据计算，NB-IoT相对于GSM网络来说覆盖可以大约提高20dB， 相当于提升了100倍覆盖区域的能力。NB-IoT主要通过F-OFDM、Single-Tone 跳频接入、共轭双序列同步以及有限的重复等技术手段来实现窄带物联网接入系统，有效提升空口覆盖，从而保证这种超强覆盖能力。

（2）Filtered-OFDM，基于子带滤波的OFDM，更容易获得PSD（功率谱密度）增益。如图1所示，NB-IoT信道带宽为15kHz和3.75kHz（一个LTE子载波或者1/4个子载波），和GSM相比，能够将相同的功率分配在更窄的信道上，功率谱密度提高约10～17 dB。

（3）F-OFDM保留了OFDM灵活资源分配的优点，再辅以AMC（自适应调制编码）和多用户调度机制，可以提供较高的边缘速率。

F-OFDM借助滤波技术有效抑制带外泄露，降低领道干扰，更容易实现窄带PSD（功率谱密度）提升（F-OFDM技术及NB-IoT功率密度示意图见图1）。

（4）重复发送及编码，为保证传输的可靠性，NB-IoT采用重复发送和编码，可获得3～12 dB（重复发送2～16次）的分集增益和3～4 dB的编码增益，共计3～16 dB，如图2所示。

（5）窄带跳频技术（PRACH），使用PRACH跳频技术，应对窄带下定时精度的挑战（TA测不准，带宽越窄，误差影响越大），解决窄带上行同步问题（PRACH跳频技术示意图见图3）。

（6）共轭双序列同步信号，对抗窄带频偏，使用共轭双序列同步技术，通过两个相关峰偏移量估计，得到载波频偏，解决窄带下行同步精度问题（共轭双序列同步技术示意图见图4）。

（7）因为NB-IoT终端发射功率（最大发射功率23dBm）较GSM终端发射功率（最大发射功率33dBm）要小10dB，即便如此，NB-IoT依然能提供20dB的增益。如图5所示（覆盖能力示意图见图5）。

2.2 大连接。

NB-IoT具有更小的资源粒度，能支持更多的并发连接，在混合业务模型下（包含自动上报业务不同分组大小、不同上报间隔；包含下行软件更新、配置等业务不同分组大小），评估可达到每小区5万左右的连接数，这相对于LTE每小区1200个连接已实现了数量级的增长。通过窄带功率谱密度提升，空口与全流程协议优化等手段提供海量终端的接入能力。如图6所示。

2.3 低成本。

NB-IoT通过新的物理层方案，空口协议，硬件资源优化，将芯片成本降低；相对于目前蜂窝网的移动终端，物联网终端芯片工作频带窄，速率要求低，不需要多天线，因此射频部分和协议栈均可简化，而且该成本还有望伴随规模效应进一步降低。如图7所示。

2.4 低功耗。

NB-IoT通过一系列的端到端优化流程（CP）和空口优化协议PSM（节电模式）和eDRX（增强型的非连续接收），使得终端芯片的功耗大大降低，延长了工作时间，保证物联网应用的持续性。

关键技术1：PSM，终端功耗仅15uW（UE和MME）

关键技术2：eDRX，减少终端监听网络的频度（UE、基站和MME）

关键技术3：芯片复杂度降低，工作电流小（UE）

关键技术4：空口信令简化（CP小数据优化传输），减少单次数传功耗（UE、MME和SGW）

关键技术5：减少数据开销（ROHC头压缩（UE和MME）、NON-IP （UE、MME、SGW和PGW））减少数传功耗。

关键技术6：基于覆盖等级的控制和接入，减少单次数传时间（UE、基站和MME）

关键技术7：长周期TAU/RAU，减少终端发送位置更新的次数（UE和MME）

关键技术8：只支持小区选择和重选的移动性管理，减少测量开销（UE）

3. NB-IoT的部署方案

3.1 新建NB-IoT系统。

新建NB-IoT系统，增加基带和天馈，这种方式最简单，性能最优，但该方案无论从成本还是天面资源考虑，都不太切合实际。

3.2 基于LTE系统。

基于现网的LTE站点部署NB-IoT系统，需新增基带板，可利旧传输、主控和时钟，但是需要改动天面，有可能影响LTE性能，有一定的风险。

3.3 基于GSM/CDMA系统。

基于现网的GSM/CDMA站点部署NB-IoT系统，基于GSM系统部署，需新增基带板、传输、主控和时钟，射频和天馈可以利旧，基于CDMA系统部署，基带板、传输、主控、时钟、射频和天馈均可以利旧，而且还可以考虑同时部署低频段的LTE系统，是推荐的部署方式。

3.4 频率规划。

经过分析，考虑到NB-IoT的频点位置，NB-IoT可分为3种方式，分别是Standalone、Guardband、Inband，如图10所示，即NB-IoT频点独立设置、位于保护带内和位于频段内。

考虑到频点调整应尽量减少对现网产生的影响及频点扩展的灵活性，建议采用图11的分配方式，LTE频段采用三明治方式，NB-IoT频点采用Standalone方式部署在高端，这种方式LTE频段在扩展带宽（如5MHz到10MHz）时，中心频点可保持不变，NB-IoT也可根据容量需求灵活的增加频点。

3.5 设备规划。

如前分析，考虑到建设成本和站点天面资源，我们采用利旧GSM/CDMA系统现网设备进行升级的方式部署NB-IoT，同时可以兼顾LTE系统。

3.5.1 基带单元BBU。

在基于GSM/CDMA系统部署NB-IoT，需要考虑新增基带板，同时还有视情况增加传输和GPS同步源；对于不支持的设备应进行替换。

3.5.2 射频单元RRU。

（1） RRU是否频段支持，如果不支持需要更换。

（2） RRU功率是否支持，改造不能影响原有的系统，如果不能保证原系统的覆盖质量，需要更换为更大功率的新设备。

（3） RRU级联关系，如果基带的处理能力受限，需改变原来的级联关系。

3.5.3 天面。

推荐方案的最大优势就是可利旧现网天面，对于天面资源紧张的场景尤为重要，同时还可降低物业协调难度。对于不支持的频段，建议更换为宽频天线。

4. 总结

NB-IoT作为物联网联接技术的首要选择，移动运营商积极部署NB-IoT，对抢占快速增长的物联网市场份额有着重要意义，本文重点讨论了NB-IoT的关键技術和部署方案，给工程建设提供参考。

参考文献

[1] 彭雄根，李新，陈旭奇 。 NB-IoT技术的发展及网络部署策略研究-《邮电设计技术》2017 （3） ：58-61.

[2] 孙彪。 移动运营商NB-IoT部署策略探讨-《移动通信》2016 ， 40 （23） ：11-16.

[文章编号]1619-2737（2017）07-20-663