窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)探討

劉 毅，孔建坤，牛海濤，張振剛

（中國移動通信集團山東有限公司網(wǎng)絡(luò)部，山東 濟南 250001）

窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)探討

劉 毅，孔建坤，牛海濤，張振剛

（中國移動通信集團山東有限公司網(wǎng)絡(luò)部，山東 濟南 250001）

隨著物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（NB-IOT）因功耗低、覆蓋廣的優(yōu)點，越來越受到人們的關(guān)注。研究從物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展歷程入手，以運營商視角，對窄帶物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前景進(jìn)行了多角度分析，然后從覆蓋、部署、配置管理三個方面探究窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，通過符號擴頻技術(shù)和Burst重復(fù)技術(shù)信號覆蓋能力，采用Standalone或Guardband兩種部署方式抑制干擾，利用共主控方式部署優(yōu)化配置管理。最后，分析評估窄帶物聯(lián)網(wǎng)與無線通信網(wǎng)的關(guān)聯(lián)技術(shù)，展望窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在今后應(yīng)用方面的廣闊前景。

NB-IoT；通信運營商；網(wǎng)絡(luò)層；保障措施；關(guān)聯(lián)技術(shù)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet Of Things，IoT）是將各種信息的傳感設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，以最終接入互聯(lián)網(wǎng)而形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它的本質(zhì)是設(shè)備通過通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)連接，從而實現(xiàn)人與物以及物與物的智能連接。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自1999年誕生之日起，已經(jīng)得到飛速發(fā)展。預(yù)計到2020年，將有超過140億個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)互聯(lián)[1]。但針對分布范圍廣泛的設(shè)備，還沒有一個單一的解決方案可以滿足所有設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信要求。根據(jù)傳輸距離，可以分為短距離通信技術(shù)和廣域網(wǎng)通信技術(shù)兩大類。短距離通信主要有應(yīng)用于智能家居等場景的Bluetooth、WiFi、ZigBee、Z-wave等通信技術(shù)。廣域網(wǎng)通信技術(shù)，通常定義為LPWAN（Low-Power Wide-Area Network），已在水系檢測、智能抄表、物流監(jiān)控等領(lǐng)域開展應(yīng)用。

LPWAN技術(shù)根據(jù)使用頻段不同使用兩種制式，一種是標(biāo)準(zhǔn)定義工作在授權(quán)頻段的技術(shù)，如較成熟的GSM、CDMA、WCDMA、LTE通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其演進(jìn)技術(shù)等；另一種則工作頻段未經(jīng)3GPP和3GPP2授權(quán)的，如SIGFOX、LoRa、RPMA等技術(shù)。在2015年9月，3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織又立項提出了新的LPWAN通信技術(shù)，即窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NarrowBand Internet of Things，NB-IoT），以滿足更多應(yīng)用場景的部署應(yīng)用。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band-IoT）主要聚焦于低功耗廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)市場，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。它連接的設(shè)備更簡單，具有高耦合、終端成本低、可即插即用、可靠性高、統(tǒng)一的業(yè)務(wù)平臺管理等特點，主要面向低速率、深度覆蓋、低功耗、大數(shù)據(jù)連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景。該技術(shù)可完美匹配LPWA市場需求，使通信運營商進(jìn)入這個新領(lǐng)域[2]。

1 物聯(lián)對通信網(wǎng)絡(luò)帶來的挑戰(zhàn)

對于物聯(lián)網(wǎng)的普遍認(rèn)識是將信息傳感設(shè)備按約定的通信協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理[3]。從層次劃分來看，如圖1所示，物聯(lián)網(wǎng)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

運行商在通信網(wǎng)絡(luò)中一直扮演著核心角色。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，運營商也在積極探索在新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，尤其是NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)中如何提供技術(shù)支撐。

作為運營商，擁有成熟的計費統(tǒng)計功能（如核心網(wǎng)）、豐富的設(shè)備終端資源（如便攜式無線終端設(shè)備）、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)（如TD-LTE無線通信網(wǎng)絡(luò)）。因此，可以從資費、產(chǎn)品及通信傳輸?shù)榷鄠€角度對物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供自上而下的服務(wù)。

傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)對物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)未進(jìn)行專門設(shè)計和優(yōu)化，因此無線傳播功耗較大，成本較高，并不適用于大連接、低速率、低功耗、低成本的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)場景。針對物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)特點，NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)層提供了新的解決方案。

圖2 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

NB-IoT屬于物聯(lián)網(wǎng)的一種，其端到端系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。感知層的NB-IoT終端通過Uu空口連接到網(wǎng)絡(luò)層E-nodeB基站。NB-IoT基站負(fù)責(zé)接入處理、小區(qū)管理等相關(guān)功能，通過MI接口與IoT控制器進(jìn)行連接。IoT控制器負(fù)責(zé)與終端非接入層交互的功能，并將IoT業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到IoT平臺進(jìn)行處理[4]。IoT平臺匯聚各種接入網(wǎng)得到的IoT數(shù)據(jù)，根據(jù)不同類型轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的應(yīng)用層。業(yè)務(wù)應(yīng)用是IoT數(shù)據(jù)的最終匯聚點，根據(jù)客戶的需求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等操作。

總體分析，物聯(lián)網(wǎng)三層中的感知層、業(yè)務(wù)層相對穩(wěn)定，感知層受制于感知終端的行業(yè)發(fā)展，應(yīng)用層主要因功能的需求而不斷發(fā)展演進(jìn)。網(wǎng)絡(luò)層涉及無線覆蓋傳播等復(fù)雜情況，與通信網(wǎng)無線層面臨的覆蓋、容量、干擾等質(zhì)量因素類似。通信運營商應(yīng)主要關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)與通信網(wǎng)絡(luò)的差異，評估分析通信網(wǎng)絡(luò)對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸可提供的通道能力。

在覆蓋方面，NB-IoT對廣度覆蓋及深度提出了新的挑戰(zhàn)。干擾方面，因頻段資源分配等問題，頻帶資源采用獨立部署（Stand-alone）。保護帶部署（Guard band）和帶內(nèi)部署（In-band）仍存在爭議。部署方式方面，由于NB-IoT定義了有限的移動性，對于低速率、低頻次數(shù)據(jù)傳輸，通信網(wǎng)需改造鄰區(qū)參數(shù)等，以提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。

總之，NB-IoT的出現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)提供了新的發(fā)展機遇，但對現(xiàn)有的無線通信網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)母采w范圍、穩(wěn)定及管理等方面提出了更高要求。下面將從覆蓋、干擾及配置管理三個角度進(jìn)行研究探索，并分析合理的技術(shù)支撐方案，保障NB-IoT無線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

2 NB-IoT通信網(wǎng)保障措施

為更好地保障窄帶物聯(lián)網(wǎng)更好地提供服務(wù)，在推動接入終端及產(chǎn)品應(yīng)用外，從通信運營商角度，需不斷嘗試探索新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來進(jìn)一步提升通信網(wǎng)無線技術(shù)，從而提升NB-IoT性能。

2.1 覆蓋增強技術(shù)

覆蓋增強可通過技術(shù)，綜合運用提升覆蓋增益，如符號擴頻技術(shù)和Burst重復(fù)技術(shù)，提升上行發(fā)射功率密度、劃分覆蓋等級等。

如圖3所示，符號擴頻是在不延展頻譜寬度的情況下，將原始序列使用擴頻碼進(jìn)行符號級重復(fù)。Burst重復(fù)是對符號擴頻處理后的序列進(jìn)行Burst級的重復(fù)，以4倍擴頻和2倍Burst重復(fù)。通過這兩種重復(fù)方式的處理，使得接收端可以通過合并接收重復(fù)序列，獲得相應(yīng)的合并增益。通過現(xiàn)網(wǎng)測試，在下行數(shù)據(jù)傳輸中進(jìn)行4倍擴頻和8倍Burst重復(fù)后，可提供15 dB的覆蓋增益。而在上行數(shù)據(jù)傳輸中進(jìn)行16倍Burst倍重復(fù)，可提供12 dB的覆蓋增益[5]。

提升上行發(fā)射功率密度方面，NB-IoT UE集中在3.75 kHz頻寬上發(fā)射。GSM的終端是在180 kHz的頻寬上發(fā)射，功率在越窄的帶寬發(fā)射能力越集中。因此可以得出，在相同的發(fā)射功率下，NB-IoT相比GSM能夠提高功率譜密度。通過現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，約可以提升17 dB[6]。為了降低NB-IoT終端的功耗，如果將NB-IoT UE的發(fā)射功率相比GSM UE的發(fā)射功率降低10 dB，在覆蓋上相比GSM UE，NB-IoT仍可以獲得了7 dB增益。

Burst重復(fù)等技術(shù)主要通過時域?qū)用嬷貜?fù)獲得增益，但消息在時域上大量重復(fù)會造成時域資源的不足，從而降低系統(tǒng)容量。如果對于覆蓋區(qū)域內(nèi)所有UE采用相同的功率，在保證可靠傳輸?shù)那疤嵯?，將?dǎo)致功耗增加、容量降低。為了兼顧覆蓋深度和容量性能，可以將NB-IoT小區(qū)劃分為不同覆蓋等級。UE根據(jù)信號強度，選擇相應(yīng)的覆蓋等級進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸。低覆蓋等級信號好，優(yōu)先保證傳輸速率；而高覆蓋等級信號較弱，優(yōu)先保證覆蓋，數(shù)據(jù)傳輸速率降低。

如圖4所示，可將NB-IoT基站的覆蓋區(qū)域劃分為3個不同的覆蓋等級。在覆蓋等級越高的Coverage Class 2范圍內(nèi)優(yōu)先保證覆蓋，這些區(qū)域覆蓋相對較弱，數(shù)據(jù)傳輸重復(fù)次數(shù)越多，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸速率較低。而在覆蓋等級越低的Coverage Class 0范圍內(nèi)，優(yōu)先保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘浚瑥亩@得數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俾?。通過這種劃分，保證了小區(qū)滿足覆蓋增強的要求，同時也保證了一定的容量。終端可根據(jù)接收信號強度調(diào)整駐留的覆蓋等級。

圖4 覆蓋劃分等級

2.2 干擾抑制技術(shù)

良好的用戶使用，離不開網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。在當(dāng)今如此負(fù)責(zé)的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，如何降低傳輸中所出現(xiàn)的干擾，顯得尤為重要。而通過多樣化的部署方案，可起到干擾抑制的目的。

NB-IoT可以與其他通信制式共站部署，也可以單獨部署。從通信運營商角度來看，共站部署速度快，可節(jié)省成本，所以本文主要從共站角度來探討NB-IoT的部署。從共站部署數(shù)量來看，NB-IOT可與現(xiàn)網(wǎng)通信基站1∶1部署，或從N個其他通信制式的站點選擇一個站點與NB-IoT站點共站部署。NB-IoT基站的覆蓋增強技術(shù)，使得NB-IoT比傳統(tǒng)的基站覆蓋范圍大，故建議一個NB-IoT站點可同時覆蓋多個傳統(tǒng)基站的覆蓋區(qū)域，即采用1∶N的組網(wǎng)部署方式。

而根據(jù)運營商獲得的頻譜資源又可以采用Standalone或Guardband兩種部署方式。根據(jù)是否增加頻譜資源，Standalone又可分為Refarming部署和空閑頻譜部署[7]。Refarming部署主要指從GSM頻譜中分配出一段頻譜資源給NB-IoT使用，以實現(xiàn)在不增加頻譜資源的情況下部署NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。GSM的一個載波的帶寬為200 kHz，與NBIoT帶寬一致。但是，Refarming部署時要考慮NB-IoT帶寬兩邊與GSM制式之間的預(yù)留保護帶寬。Refarming部署NB-IoT后，通過對GSM網(wǎng)絡(luò)的重新規(guī)劃，使得原GSM網(wǎng)絡(luò)受到影響最小。如圖5所示，可以通過將2個GSM載波Refarming給NBIoT網(wǎng)絡(luò)使用，但NB-IoT與GSM之間預(yù)留100 kHz保護帶寬，以防影響GSM網(wǎng)絡(luò)。

圖5 GSM網(wǎng)絡(luò)Refarming部署NB-IoT

運營商擁有的頻譜資源中，可能存在部分不滿足部署通信制式要求的非標(biāo)準(zhǔn)頻譜資源，而這部分空閑頻譜資源常常被閑置浪費。NB-IoT是窄帶通信技術(shù)，可以有效利用這些碎片空閑頻譜資源，如在GSM網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)外空閑頻譜資源部署NB-IoT[8]。

現(xiàn)有的無線通信制式為了避免相鄰載波或制式間的干擾，需要在有效帶寬之外預(yù)留一定的帶寬余量。這部分帶寬余量稱為保護帶寬Guard band。一般，無線制式載波間的保護帶寬基本都大于或等于200 kHz。NB-IoT是一種窄帶通信技術(shù)，上行和下行各占200 kHz帶寬（有效帶寬為180 kHz）。因此，可以利用通信運營商已有無線通信制式頻譜的保護帶進(jìn)行部署，既可以在無需獲得新頻譜資源的前提下開展物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，又有效提高了已有頻譜的利用率。如圖6所示，可在LTE制式的保護帶寬Guard band上部署NB-IoT[9]。

圖6 LTE保護帶寬上部署NB-IoT

2.3 配置管理優(yōu)化

部署NB-IoT通常推薦采用共站組網(wǎng)，因此傳輸推薦與其他通信制式采用共傳輸線路。當(dāng)NBIoT與LTE共站組網(wǎng)時，因LTE基站與NB-IoT設(shè)備都要配置IP及VLAN，建議采用共主控方式部署。而當(dāng)NB-IoT與GSM共站組網(wǎng)時，可選擇共主控方式部署或分離主控方式部署。

NB-IoT基站無線通信業(yè)務(wù)資源的利用由于小區(qū)覆蓋等級的劃分，需要注意相關(guān)的小區(qū)參數(shù)配置。對移動性管理需同時對切換、重選及鄰區(qū)信息在開通前重新規(guī)劃。

當(dāng)小區(qū)接入的用戶數(shù)量較多，可能導(dǎo)致小區(qū)擁塞時，需要通過小區(qū)接入控制，限制部分新接入用戶接入網(wǎng)絡(luò)，以確保業(yè)務(wù)整體QoS滿意度和系統(tǒng)穩(wěn)定，完成小區(qū)資源調(diào)度和小區(qū)接入擁塞控制的管理。

3 結(jié) 語

雖然目前NB-IoT商業(yè)化還面臨巨大挑戰(zhàn)，但是隨著客戶需求的不斷更新，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來越多的電信供應(yīng)商、運營商和垂直設(shè)備公司合作開發(fā)NB-IoT產(chǎn)品，包括芯片、模塊、設(shè)備等。這將幫助運營商推動NB-IoT技術(shù)解決方案的落地。目前[10]，基于NB-IoT技術(shù)的商業(yè)模式將趨于成型，從而形成日趨成熟的價值鏈條，正如今天看到的一些NB-IoT解決方案，智能儀表、智能停車和寵物跟蹤等。可見，NB-IoT技術(shù)正在以其海量連接、深度覆蓋、超低耗能、低成本等諸多優(yōu)點強勢來襲，勢必將引發(fā)整個物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的革命性變化，成就萬物互聯(lián)的新時代，但同時也為通信運營商帶來巨大機遇和挑戰(zhàn)。運營商通過技術(shù)革新提供好物物相連接管道，利用通信網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)合技術(shù)革新，再利用新技術(shù)不斷完成管道性能，以期探索獲取更多OTT領(lǐng)域的經(jīng)驗，從而為通信運營商探索新的發(fā)展之路。

[1] 曹亙,范斌,劉琪等.基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及業(yè)務(wù)應(yīng)用[J].郵電設(shè)計技術(shù),2015(08):1-6. CAO Heng,FAN Bin,LIU Qi,et al.Key Technologies and Business Application of Internet of Things based on Cellular Network[J].Designing Techniques of Posts and Telecommunica tions,2015(08):1-6.

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劉 毅（1985—），男，碩士，工程師，主要研究方向為TD-LTE網(wǎng)絡(luò)維護與優(yōu)化等；

孔建坤（1971—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為通信網(wǎng)絡(luò)運維管理；

牛海濤（1964—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為無線網(wǎng)絡(luò)運維管理；

張振剛（1975—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為無線網(wǎng)絡(luò)運維管理工作。

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