关于NB-IoT物联网覆盖增强技术的分析

【摘要】我国经济技术的不断发展，推动了覆盖增强技术的发展进程。这种技术可以重新拟制出一种比较全面的蜂窝物联网技术。在我国现有的授权频谱资源当中，这种覆盖性很广，传输速率很高的广域网无线传输技术很大程度上满足了我国NB-IoT物联网业务的各种需求。本篇文章就通过分析NB-IoT物联网覆盖技术的主要特点，对于这种技术的仿真进行了评估，希望可以对我国今后的物联网覆盖增强技术提供一些参考性的建议。

【关键词】覆盖增强技术  NB-IoT  分析总结  物联网

一、NB-IoT技术的主要特点概述

随着科学技术的迅猛发展，世界已经迎来了大数据和智能化的物联网时代。因此，必须加快建设新一代的信息基础设施，促进信息网络技术的广泛应用，加快建设具有高速性、移动性、安全性和广泛性的新一代信息基础设施，促进通信技术的发展。物联网技术的迅速发展，给人们的生活带来了极大的便利，促进了社会的发展，与人们的生活息息相关。随着人们生活水平的不断提高，人们对互联网性能的要求越来越高，对物联网需求也越来越强烈。物联网通信技术有很多种，从传输距离上可分为两类：一类是短距离通信技术，代表Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth和Z-Wave;另一类是广域网通信技术，通常定义为LPWAN（低功耗广域网），代表为NB-IoT和eMTC。

与短距离通信技术相比，LPWAN采用了公有基站或私有基站的方式，实现了更广泛的覆盖，更适合于物联网的深度覆盖。与LTE网络相比，LPWAN的窄带技术可以更有效的利用频谱，实现更多的连接数，以满足物联网的海量连接数。eMTC的覆盖率目标为155.7dB，在FDD LTE的基础上增加了15dB，比NB-IoT的覆盖率目标低约8dB。eMTC是LTE的增强功能，与LTE共享传输功率和系统带宽，功率谱密度也和LTE相同。eMTC通过重传和跳频技术增强了覆盖度。在3GPP标准中，其最大重复次数可达2048次。NB-IoT采用了窄带技术，其子载波带宽可设置为3.75KHz或15KHz，子载波间隔为15KHz。通过这种窄带技术，极大的提高了功率谱密度，从而使NB-IoT覆盖率达到了164dB。

在3GPP第69次RAN全会上，NB-IoT（窄带物联网）通过立项。根据立项文档，3GPP标准组织拟制定一种全新的蜂窝物联网技术，使用现有授权频谱资源满足广覆盖、低功耗、低速率的物联网业务需求。NB-IoT标准计划在2016年6月份完成冻结，2016年第4季度进行外场测试，2017年上半年实现商用。

NB-IoT物联网覆盖技术的占用宽带是180KHz，这种物联网覆盖技术系统中一个PRB宽带和我国现有LTE系统当中的宽带是完全相同的。对于这种物联网覆盖技术自身的下行来说，主要采用的是OFDMA并且子载波之间的间隔通常是在15KHz之间，这样就使得下行的载波间隔和LTE子载波间隔完全相同，并且他本身拥有全新的物理信道以及信号，对下行的PBCH、PDSCH和PDCCH通常都是用单一的TM传输模式。同时这种物联网覆盖技术采用了半双工的工作机制，避免了PA和LNA的同时工作，降低系统的瞬时功率，为电池供电型设备提供更友好的支持。半双工系统可以只使用一根天线完成，更适合物联网行业对终端的小型化需求，也可以降低企业整个终端的资金投入，还可以在一定程度上解决终端自身存在的各种功耗问题。为了能尽快利用好我国现存有的LTE网络的相关资源，提供更具灵活性的零散频率资源部署，NB-IoT物联网覆盖技术主要可以支持独立部署（Stand alone），保护带部署（Guard band）和带内部署（In-band）三种部署方案。

二、对于NB-IoT计划实现的目标

这种物联网覆蓋技术可以很好地实践广域覆盖以及深度覆盖，在利用我国较为传统的GPRS技术之上，可以提高将近20dB的信号覆盖。这意味着和传统的GPRS相比，NB-IoT可以有效的覆盖居民厨房、市政管网等常规的信号盲区，可以为智慧城市提供信号覆盖支持。此外NB-IoT还能够在最大限度上满足客户大容量终端接入的需求，以及所对其提出的各种要求，对于企业来说还可以降低整个终端的资金投入成本。除此之外，这种物联网覆盖技术有效地实现了资源的节约，真正做到了低功耗，低能耗的要求。当这种技术处于低功耗模式时，系统消耗功率可以小至5uA以下，这样的低功耗技术，可以很好的为电池供电设施提供长久支持。NB-IoT可以在5Wh的电池下可以为设备提供将近十年的支持。

三、覆盖分析方法概述

我国现阶段物联网覆盖增强技术的评估分析主要包括对数据速率的分析，发射机发射功率，接收机接收噪声系统等系统的分析，再加上接收机噪声的若干系数和干扰余量，使得这种技术接收机自身的灵敏度完全等于一个有效的噪声功率加上所需要的信噪比，使得接收机处于增益状态。

在MCL的使用方法上，首先，对于基站每200KHz发射功率，每个信道的取值不尽相同;在终端发射功率的过程当中，数值上显示为23;在热噪声功率密度显示过程当中，数值显示为-174;对于终端接收机噪声系统，数据显示为5;干扰余量数据显示为0。此物联网覆盖技术评估，主要用于控制信道和业务信道，其中各个信道的BLER应保持在10%。

与我国传统的GPRS物联网技术相比，NB-IoT能够提高近20dB的覆盖度，具有广阔的应用前景。NB-IoT覆盖增强的要求只有通过有效地调整参数和尽可能增加MCL（耦合损耗），才能最大限度地满足其覆盖增强的要求，因此对其覆盖进行模拟是非常重要的。

四、NB-IoT覆盖增强技术

综上所述，物联网覆盖增强技术涉及范围比较广，并且只有真正的利用好有效参数尽可能的增大MCL的值，才可以最大限度的满足我国居民对物联网覆盖的整体要求。那么如何增加MTC业务本身的覆盖，则是每一个企业需要重点考虑的问题，本篇文章就研究及下几点方面。

NB-IoT的设计目标是在GPRS上增加20dB。以144dB作为GPRS最大耦合损耗，NB-IoT设计到164dB。下行链路的最大耦合损耗主要取决于增加每个信道重传的最大数量，以提高覆盖率。而其上行覆盖增强主要来自两个方面。首先，在有限的覆盖条件下，可以通过单个子载波传输信号，从而极大地提高了它的功率谱密度。以Single Tone部署的3.75 KHz子载波为例，与GSM 180 KHz带宽相比，PSD可实现约17dB带宽。增加上行信道的最大重传次数，以达到增强覆盖的目的。因此，虽然NB-IoT终端上行传输功率比GPRS低10dB，但其传输带宽变窄重传次数增加，因此系统的上游仍能正常工作，最大路径损耗为164dB。

要想保证物联网覆盖增强技术的整体效率首先要进行重复性传输，延长整个信号码元的整体传输时间。码元的重复传输其实是一种简单化了的信道编码，虽然在很大程度上降低了系统的传输速率，但是对于解调和译码来说，却明显地提升了可靠度。尤其是对于低信噪比的环境来说，发挥的作用更大。例如，在比较理想的状态之下，译码出现错误的概率，一般会在10%左右。随着重复次数的不断增加，可以很大程度的降低整体译码出错的概率，重复传输达到三次时，译码的出错概率则降低到了0.028。如果重复传输次数达到了五次，那么译码错误的概率则降低到了0.0086，从这两组数据可以看出，随着一码重复输出次数不断增加，译码错误发生概率越来越低。

由于本篇文章研究的物联网增强技术自身业务需求速率相对较低，所以当系统处于100bps时，就可以最大限度的满足业务对系统提出的各种要求。可以采用BPSK、QBSK等低阶调制技术和较短的CRC校验码。除此之外，该物联网覆盖增强技术在编码方面主要采用了turbe编码方式，这种编码的优势主要就是可以尽可能降低系统对信噪比的要求。相比于GPRS的卷积码，对于距离大约有4dB的增强。

对于我国现阶段的互联网覆盖增强技术来讲，这种技术可以更好的支持低速率的业务，通过利用码元的重复传输，降低了传输过程当中对信噪比的要求和译码出错的概率，对于整个覆盖增强有着重要的促进作用，也是作为覆盖增强技术的重要手段之一。

五、仿真以及评估结果概述

根据3GPP的研究提案并通过工作研究。我们对单个运营商的独立部署情景进行了模拟。其结果如下：对于M-PBCH，模拟使用了32次重复传输，其中BLER控制在10%的时候，对应的SNR为-6.5dB。对于M-PDSCH，解码错误率主要测试经过18次的重复传输，其中BLER控制在10%的时候，对应的SNR为-6.4dB，对应的M-PDSCH为3.7kbps 。对于M-EPDCCH，模拟使用了18次重复传输，其中BLER控制在10%的时候，对于的SNR为-6.1dB。对于M-PUSCH，使用單载波传输，传输时间为2160ms，其中BLER控制字10%的时候，对应的SNR为-5.8dB，对于的M-PUSCH速率为0.37kbps。

六、总结

随着物联网的迅速发展，信息技术改革的趋势日益明显。因此，必须加快建设新一代的信息基础设施，促进信息网络技术的广泛应用，加快建设具有高速性、移动性、安全性和广泛性的新一代信息基础设施，促进通信技术的发展。由于现有的2G、3G和4G物联网技术覆盖面不够，新一代物联网技术采用了新的物联网技术空中接口设计，具有功耗低、覆盖面广的特点。本篇文章通过深入分析NB-IoT覆盖增强技术，在相同的带宽、LTE和NB-IoT覆盖的比较和分析，促进NB-IoT在物联网新时代的应用前景更加广阔。

参考文献：

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[2]卢斌.NB-IoT物联网覆盖增强技术探讨[J].移动通信，2016，（19）.

[3]朱红军，吴惠惠.NB-IoT物联网技术的应用与建设分析[J].现代信息科技，2017，（6）.

[4]TR 45.820 （RAN6） Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput Internet of Things （CIoT）.

作者简介：王长金（1989-），男，安徽六安，中级工程师，学士，上海奥蓝迪物联网科技有限公司，企业管理。