NB—IoT低功率窄带物联网接入技术及部署策略

夏麟��

【摘要】随着万物互联的需求的提出，运营商提出了基于蜂窝的NB-IoT、eMTC等低功率、廣域覆盖的物联网接入技术。NB-IoT低功率窄带物联网通信技术是当前物联网发展的主流技术之一，具有低速率、低成本、广覆盖、网络通信能力强等特点，首先通过对物联网整体架构和各个组成部分功能的介绍；其次，从产业链的成熟角度对NB-IoT的技术进行研究，并讨论运营商低速率、广域覆盖的物联网业务发展和网络部署策略。

【关键词】NB-IoT；窄带物联网；低速率；网络部署策略

NB-IoT Low Power Narrow-Band Internet Access Technology And Deployment Strategy

Xia Lin

（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， LtdXi'anShaanxi710119）

【Abstract】With the demand of the interconnection of all things， the carrier proposes the Internet access technology of the Internet based on NB-IoT and eMTC. NB-IoT low power narrowband Internet communication technology is one of the main trend of the development of the Internet of things technology， with low rate， low cost， wide coverage， network communication ability and other characteristics， first through the Internet of the overall architecture and function of various components of the introduction； Secondly， from the perspective of industry chain of the mature technology of NB-IoT research， points out that the NB-IoT low rate of narrow-band IoT application advantages， and discuss the operator low rate， wide area coverage of IoT business development and network deployment strategy.

【Key words】NB-IoT；Narrow-band Internet of things；Low rate；Network deployment strategy

1. 背景

（1）随着人人通话的饱和以及物物连接在各个行业的渗透，物联网已经成为时代发展下的产物，物联网业务也将呈现大规模的增长。根据IDC公司的预测，到2020年，全球物联网总连接数将达到300亿，市场规模达到1.7万亿美金。智慧交通、智能制造、智慧家庭、智慧医疗等新兴市场的开启，预示着物联网产业正在稳步迈入“重点聚焦、跨界融合、集成创新”的全新里程，万物互联的理念已经有了初步的基础。

（2）NB-IoT是运用3GPP技术标准而实施的物联网通信技术，它主要是面向长距离、低速率、低功耗、多终端业务的智能设备的通信技术，系统的功耗低、成本低、连接能力强、覆盖能力强是NB-IoT主要优势，特别适合远距离、多终端智能设备的物联网通信技术。NB-IoT是低速率窄宽度物联网技术，而物联网的特征如图1所示。

（3）移动蜂窝物联网的整体架构包括三层：感知层、网络层、应用层。物联网的整体架构如图2所示。

（4）NB-IoT作为一个全新的网络，在帧结构、时隙结构、物理信道、不连续接收模式等方面与传统的LTE网络都有较大的差别，本文接下来重点分析NB-IoT的基本原理和中国移动NB-IoT的部署策略。

2. NB-IoT的基本原理

2.1NB-IoT的帧结构。

（1）为了减少RF和基带的复杂性，同时便于GSM频率再利用，NB-IoT的系统带宽与GSM相一致，都是200kHz，NB-IoT的传输带宽是180kHz。NB-IoT的下行帧结构与传统的LTE帧结构相同，即1个无线帧（10ms）包含10个长度为1ms的子帧，1个子帧包含2个长度为0.5ms的时隙。在下行，NB-IoT只支持15kHz的子载波间隔，不支持7.5kHz的子载波间隔，仅支持常规CP，不支持扩展CP。

（2）NB-IoT上行有两种帧结构可供选择，子载波带宽为15kHz的帧结构与LTE的下行帧结构相同，1个10ms的无线帧包含10个1 ms的子帧，180kHz带宽上共有12个子载波；子载波带宽为3.75kHz的帧结构是一种新设计的帧结构，1个10ms的无线帧包含5个长度为2ms的时隙，180kHz带宽上共有48个子载波。上行无线子帧时隙结构如图3所示。

（3）下行采用OFDMA多址接入技术，在频域内带宽为200kHz，（两边各保留10kHz，实际占用180kHz），子载波带宽为15kHz，子载波数目为12。而时域重用LTE帧结构类型1，一个时隙长度为0.5ms，一个时隙包含7个符号，一个字帧包含2个时隙，一个无线帧包含10个子帧，一个超帧包含 1024个无线帧，下行无线子帧结构如图4所示。

2.2NB-IoT的物理信道。endprint

2.2.1为了减少实现的复杂性，NB-IoT精简了不必要的物理信道，在下行只有三种物理信道和两种参考信号，在上行只有两种物理信道和一种参考信号。

三种下行物理信道分别如下：

（1）NPBCH（Narrowband Physical BroadcastCHannel，窄带物理广播信道）：NPBCH信道傳递系统帧号、NB-SIB1的调度信息、接入限制和操作模式等信息，采用QPSK调制方式。

（2）NPDCCH（Narrowband Physical Downlink ControlCHannel，窄带物理下行控制信道）：NPDCCH信道用于指示NPDSCH、NPUSCH的传输格式、资源分配等信息，采用QPSK调制方式（NPDCCH格式见表1）。

（3）NPDSCH（Narrowband Physical Downlink Shared CHannel，窄带物理下行共享信道）：只支持QPSK，最大TBS是680bits。

通过多次传输来增加下行覆盖。两种下行物理信号分别如下：

（4）NRS（Narrowband Reference Signal，窄带参考信号）：NRS信号用于下行信道质量测量和信道估计，用于NB-IoT UE的相干检测和解调。

（5）NSS（Narrowband Synchronization Signal，窄带同步信号）：NSS信号用于时间同步，确定小区唯一的PCI（Physical Cell Identity，物理小区号）。

2.2.2总之，NB-IoT的物理信道通过降低目标速率、多次传输、采用低阶调制方式等措施，以达到增加覆盖、降低成本、降低功耗的目的。

2.3下行最大链路损耗（Maximum Coupling Loss，MCL）计算如表2所示。

3. NB-IoT部署策略

就目前中国移动的NB-IoT部署策略主要涉及上行子载波带宽的选择、操作模式的选择、频率使用策略、站址选择策略和建设方式的选择等。

3.1频率使用策略。

（1）NB-IoT只支持半双工FDD模式，中国移动目前可用的FDD频率有900MHz频段和1800MHz频段。因为物联网设备无处不在，比手机有更高的覆盖能力要求，而900MHz频段比1800MHz频段覆盖能力强，因此900MHz频段是中国移动部署NB-IoT的首选频段，同时NB-IoT所需的带宽是180kHz/载波，中国移动900MHz频段释放能力能够满足NB-IoT部署的需要。

（2）900MHz频段目前也是中国移动GSM语音业务的主要承载频段，同时是中国移动获取LTE FDD牌照后LTE FDD部署的主要频段，因此需要综合考虑GSM、LTE FDD、NB-IoT的各自需要，统一制定GSM900频段的使用策略。900MHz频段使用示意图如图5所示：

3.2站址选择策略。

（1）考虑到移动性物联网需求，初期的NB-IoT网络应实现区域的连续性覆盖，在900MHz频段，NB-IoT最大覆盖距离约是GSM900的2倍左右，同时中国移动GSM站点在城区的站间距远远小于GSM的最大覆盖距离，因此中国移动只需要在少部分GSM站点上部署NB-IoT即可实现连续覆盖要求。

（2）城区是物联网应用的重点区域，建议中国移动按照先城区后农村的策略部署NB-IoT，对于投资的节省，建议中国移动使用现在使用的GSM站址的45%来实现NB-IoT城区范围内的连续覆盖，城市发展的后期需要，可以根据具体的需求来逐步部署。

3.3建设方式。

NB-IoT建设主要有三种方式，分别是新建NB-IoT基站、基于TD-LTE建设NB-IoT基站以及基于GSM建设NB-IoT基站。新建NB-IoT优点是完全不影响现有的GSM网络，可以独立优化继而网络性能最优，而新建NB-IoT缺点是投资大、新建天馈线难度大。基于TD-LTE建设NB-IoT基站的优点是不影响GSM网络，可以利用旧的TD-LTE的部分硬件，投资一般，缺点是新建或替换天馈难度大。基于GSM建设NB-IoT基站其优点是建设速度快，缺点是NB-IoT的优化会影响GSM的网络性能。由于基于GSM建设NB-IoT基站会给中国移动LTE FDD带来不利影响，因此建议中国移动采用新建NB-IoT基站或者基于TD-LTE建设NB-IoT基站方式建设NB-IoT网络。

4. 总结

NB-IoT是物联网领域新兴连接技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，具备覆盖广、多连接、低功耗、低成本等优势。NB-IoT可直接“叠加”部署与GSM、LTE网络，相比其他物联网技术，NB-IoT技术具有很高的应用价值，建议中国移动积极开展NB-IoT实验网的建设，初期为客户提供连接服务，中期为客户提供平台开放能力、提供终端，最终为客户提供端到端的解决方案，以便在物联网的价值链中占据主导地位，获取最大价值。

参考文献

[1]张建国.中国移动NB-IoT部署策略研究[J].移动通信，2017，（01）.

[2]蔡慈贵.关于NB-IoT低速率窄带物联网通信技术现状分析及发展趋势探讨[J].信息通信，2017，（03）.

[3]戴翚.低功耗广域物联网创新运营模式[J].信息通信技术，2017，（01）.

[4]王永斌，张忠平.低功率、大连接广域物联网接入技术及部署策略[J].信息通信技术，2017，（01）.

[文章编号]1619-2737（2017）08-18-741

[作者简介] 夏麟，男，籍贯：陕西西安人，学历：学士，研究方向为无线网络关键技术及网络规划。endprint