NB—IoT測試：一項(xiàng)全新的工程

甘秉鴻

NB-IoT是技術(shù)演進(jìn)和市場競爭的綜合產(chǎn)物，NB-IoT作為低功耗、廣域覆蓋物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，必將在萬物互聯(lián)時(shí)代扮演極其重要的角色。

技術(shù)背景

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在行業(yè)應(yīng)用的比例逐年提高，并逐步滲透到生產(chǎn)制造、健康醫(yī)療、汽車等行業(yè)。萬物互聯(lián)時(shí)代正以極其迅速的腳步走進(jìn)我們的生活。而“萬物互聯(lián)”實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)之一在于數(shù)據(jù)的傳輸，不同的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)傳輸能力和實(shí)時(shí)性都有著不同要求。

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)有很多種，從傳輸距離上區(qū)分，可以分為短距離通信技術(shù)和廣域網(wǎng)通信技術(shù)。短距離通信技術(shù)代表技術(shù)有Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等，典型的應(yīng)用場景如智能家居；廣域網(wǎng)通信技術(shù)代表有LPWAN（低功耗廣域網(wǎng)），典型應(yīng)用場景有智能抄表。低功耗廣域網(wǎng)LPWAN技術(shù)又可分為兩類，一是工作在非授權(quán)頻段的技術(shù)：如Lora、Sigfox等。另一類是工作在授權(quán)頻段的技術(shù)，如GSM、CDMA、WCDMA等較成熟的2G/3G蜂窩通信技術(shù)，以及目前逐漸部署應(yīng)用、支持不同category終端類型的LTE及其演進(jìn)技術(shù)。

關(guān)鍵技術(shù)

NB-IoT從立項(xiàng)到協(xié)議凍結(jié)僅用時(shí)不到8個(gè)月，成為史上建立最快的3GPP標(biāo)準(zhǔn)之一。在2016年9月完成性能標(biāo)準(zhǔn)制定、12月完成一致性測試后，幾大運(yùn)營商目前都在爭相布局NB-IoT基站網(wǎng)絡(luò)，因此，可以預(yù)見NB-IoT即將進(jìn)入大規(guī)模商用階段。

NB-IoT之所以可以解決室內(nèi)覆蓋增強(qiáng)、支持巨量低速率設(shè)備接入、低時(shí)延敏感、超低設(shè)備成本、低功耗和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化等問題，主要得益于其自身的幾大關(guān)鍵技術(shù)。

NB-IoT支持獨(dú)立部署、保護(hù)帶部署、帶內(nèi)部署三種部署方式。通過三種不同方式的網(wǎng)絡(luò)部署，NB-IoT充分有效地利用了頻譜資源。

在3GPP R13版本中， NB-IoT僅支持FDD半雙工Type B模式。而在Type B下，UE在發(fā)送上行信號時(shí)，其前面的子幀和后面的子幀都不接收下行信號，使得保護(hù)時(shí)隙加長，這對于設(shè)備的要求降低，且提高了信號的可靠性。通過NB-IoT的半雙工Type B模式，有效降低了終端的成本和功耗。

NB-IoT系統(tǒng)下行鏈路的傳輸帶寬為180kHz，采用現(xiàn)有LTE相同的15kHz子載波間隔，下行多址方式為OFDMA、幀結(jié)構(gòu)和物理資源單元也都盡量沿用現(xiàn)有LTE的設(shè)計(jì)。

針對180kHz下行傳輸帶寬的特點(diǎn)及滿足深度覆蓋的需求，NB-IoT系統(tǒng)縮減了下行物理信道的類型，重新設(shè)計(jì)了部分下行物理信道、同步信號和參考信號。NB-IoT系統(tǒng)上行鏈路傳輸帶寬為180kHz，支持兩種子載波間隔。3.75kHz和15kHz。對于覆蓋增強(qiáng)場景，3.75kHz子載波間隔比15kHz子載波間隔可以提供更廣的覆蓋范圍。

上行鏈路支持單子載波Single-tone和多子載波Multi-tone傳輸，子載波間隔可配置為3.75kHz或15kHz，對于多子載波傳輸，采用15kHz子載波間隔。上行都是基于SC-FDMA的多址技術(shù)。對于15kHz子載波間隔，NB-IoT上線幀結(jié)構(gòu)和LTE相同，對于3.75kHz子載波間隔，NB-IoT新定義了一個(gè)2ms長度的窄帶時(shí)隙，一個(gè)無線幀包含5個(gè)窄帶時(shí)隙，每個(gè)窄帶時(shí)隙包含7個(gè)符號，并在每個(gè)時(shí)隙之間預(yù)留保護(hù)間隔，用于最小化NB-IoT符號和LTE探測參考SRS之間的沖突。NB-IoT系統(tǒng)上行也縮減了上行物理信道類型，重新設(shè)計(jì)了部分上行物理信道。

覆蓋增強(qiáng)技術(shù)

在3GPP標(biāo)準(zhǔn)中，要求NB-IoT的路徑損耗可高達(dá)164dB，以滿足布建在小區(qū)邊緣或地下室等信道質(zhì)量較低的NB-IoT終端設(shè)備。涵蓋范圍延伸（Coverage Enhancement， CE） 共分為三種等級，分別為達(dá)到可對抗最大耦合損失MCL為144dB、154dB、164dB的信號能量衰減。基站與NB-IoT終端間會根據(jù)所在的CE Level來選擇相對應(yīng)的信息重復(fù)傳送次數(shù)。

NB-IoT為了解決深度覆蓋問題，通過基站與NB-IoT終端之間采用較少數(shù)量的子載波與將欲傳遞的數(shù)據(jù)作重復(fù)傳送以利于接收端提高正確解出數(shù)據(jù)的成功率。依照目前規(guī)格的規(guī)范，在隨機(jī)存取信道、控制信道與數(shù)據(jù)信道所傳遞之信息的重復(fù)傳送次數(shù)最高可高達(dá)2048次。

NB-IoT的重傳機(jī)制，不是簡單的數(shù)據(jù)重復(fù)，而是將數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排序后再傳輸?shù)姆绞?，類似于時(shí)域分集的理念。

低功耗技術(shù)

NB-IoT借助PSM和eDRX可實(shí)現(xiàn)更長待機(jī)。PSM（Power Saving Mode） 節(jié)電模式。R12中新增的功能，在此模式下，終端仍舊注冊在網(wǎng)但信令不可達(dá)，從而使終端更長時(shí)間駐留在深睡眠狀態(tài)以達(dá)到省電的目的。eDRX（Enhanced Discontinuous Reception）延長非連續(xù)接收。R13中新增的功能，進(jìn)一步延長終端在空閑模式下的睡眠周期，減少接收單元不必要的啟動，相對于PSM，大幅度提升了下行可達(dá)性。NB-IoT目標(biāo)是對于典型的低速率、低頻次業(yè)務(wù)模型等容量電池壽命可達(dá)10年以上。根據(jù)TR45.820的仿真數(shù)據(jù)，在耦合耗損164dB的惡劣環(huán)境下，PSM和eDRX均部署，如果終端每天發(fā)送一次200字節(jié)報(bào)文，5瓦時(shí)電池壽命可達(dá)12.8年。NB-IoT雖然是基于LTE技術(shù)的演進(jìn)，但是，NB-IoT的技術(shù)特點(diǎn)決定了它自身的獨(dú)特之處，因此，NB-IoT的測試同樣也需要完全按照3GPP標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行。

面臨挑戰(zhàn)

網(wǎng)絡(luò)未動，測試先行，對于NB-IoT產(chǎn)業(yè)也同樣如此。相比于現(xiàn)在的LTE技術(shù)，NB-IoT的信道寬帶、雙工方式、無線信道類型、幀結(jié)構(gòu)、資源分配方式等方面均發(fā)生了改變，相應(yīng)的空閑模式流程、隨即接入、RRC連接管理、連接重配置、無線鏈路監(jiān)測以及可能的重定向等流程也都進(jìn)行了調(diào)整。

因此，在功能方面無法復(fù)用LTE測試儀表，需要將NB-IoT視為一項(xiàng)全新的技術(shù)進(jìn)行測試，并覆蓋所有的協(xié)議功能點(diǎn)。而在RF性能方面，同樣將涉及各類發(fā)射機(jī)/接收機(jī)、解調(diào)等測試項(xiàng)目。

在通信網(wǎng)絡(luò)的部署當(dāng)中，測試儀器對于網(wǎng)絡(luò)性能的驗(yàn)證至關(guān)重要。羅德與施瓦茨公司一直走在NB-IoT測試的最前沿，在2016年6月NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)之日，羅德與施瓦茨測試儀表的NB-IoT功能也隨之正式發(fā)布。2016年底，與三大運(yùn)營商和幾大設(shè)備廠商（包括中興、華為、愛立信、大唐等）之間就已經(jīng)完成了NB-IoT基站的摸底測試。

羅德與施瓦茨是第一個(gè)提供NB-IoT基站測試方案的供應(yīng)商，基于R&S測試儀表，可以產(chǎn)生與分析NB-IoT信號。NB-IoT測試方案基于完美的測試設(shè)備組合，由矢量信號發(fā)生器SMW200A和信號與頻譜分析儀FSW組成，這兩款儀表已經(jīng)廣泛應(yīng)用于移動網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生產(chǎn)廠商的基站測試中。

NB-IoT發(fā)射機(jī)測試，NB-IoT信號分析通過R&S的VSE矢量信號分析軟件選件來實(shí)現(xiàn)，用戶也可以通過軟件把測試系統(tǒng)升級到具有NB-IoT功能，以確保NB-IoT生態(tài)系統(tǒng)的成功應(yīng)用。