NB-IoT功控方式和低功耗技術(shù)分析

王磊，王瑞

(1 中國移動(dòng)通信集團(tuán)陜西有限公司，西安 710071；2 中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司陜西分公司, 西安 710071)

截至2017年8月，全球已有8個(gè)運(yùn)營商商用NBIoT網(wǎng)絡(luò)，十余個(gè)運(yùn)營商計(jì)劃建設(shè)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。在國內(nèi)，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)也是當(dāng)前運(yùn)營商間的建設(shè)和競爭重點(diǎn)，并且各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也已快速發(fā)展起來，如共享單車、共享汽車、智能停車等，其中共享單車呈爆發(fā)式發(fā)展，同時(shí)面臨巨大的管理維護(hù)壓力，電池的續(xù)航能力是重要方面，而目前共享單車使用的基本為2G網(wǎng)絡(luò)，單車芯片與網(wǎng)絡(luò)之間通信造成的功耗并不低，造成維護(hù)的時(shí)間和費(fèi)用成本高，NB-IoT的低功耗廣覆蓋能力更有利于共享單車等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展，待NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的全面商用，能為大量物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供更好的網(wǎng)絡(luò)平臺。本文從介紹NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、物理信道入手，重點(diǎn)介紹其功控方式和低功耗技術(shù)，分析相關(guān)影響因素和參數(shù)。

1 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

NB-IoT是3GPP設(shè)計(jì)定義的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已在2016年凍結(jié)在R13版本。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)如下。

（1）覆蓋廣且深：比GPRS覆蓋增強(qiáng)20 dB+。

（2）低功耗：基于5 W/h電池，使用壽命可超過10年。

（3）低成本：芯片價(jià)格很低。

（4）大連接：50 k+用戶容量/200 kHz小區(qū)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

NB-IoT支持3 種不同的部署方式： 獨(dú)立部署（如圖1所示）、帶內(nèi)部署（如圖2所示）、保護(hù)帶部署（如圖3所示）。獨(dú)立部署不依賴LTE，適合用于重耕GSM頻段，GSM的信道帶寬為200 kHz，剛好為NB-IoT 180 kHz帶寬留出空間，且兩邊留有10 kHz的保護(hù)間隔；帶內(nèi)部署占用LTE的1個(gè)PRB資源，需保證與LTE PRBs的正交性，實(shí)際部署中有限制條件，只能使用某幾個(gè)PRB；保護(hù)帶部署利用LTE邊緣保護(hù)頻帶中未使用的180 kHz帶寬的資源塊，不占LTE資源。

圖1 獨(dú)立部署方式

圖2 帶內(nèi)部署方式

圖3 保護(hù)帶部署方式

NB-IoT目前只在FDD有定義， 終端為半雙工方式。NB-IoT上下行有效帶寬為180 kHz，其中下行采用OFDM，子載波帶寬與LTE相同，為15 kHz；上行有兩種傳輸方式：單載波傳輸（Single-tone）和多載波傳輸（Multi-tone），其中單載波傳輸?shù)淖虞d波帶寬包括3.75 kHz和15 kHz兩種，多載波傳輸子載波間隔為15 kHz，支持3、6、12個(gè)子載波的傳輸。

功率方面，獨(dú)立部署可獨(dú)立設(shè)置發(fā)射功率，例如20 W； 帶內(nèi)部署和保護(hù)帶部署的功率與LTE功率有關(guān)系，通過設(shè)置NB-IoT窄帶參考信號（NRS）與LTE公共參考信號（CRS）的功率差來設(shè)定NB-IoT的功率，目前協(xié)議定義的可設(shè)置NRS比CRS最大高9 dB，實(shí)際大小需根據(jù)設(shè)備的發(fā)射能力而定。

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中建議采用獨(dú)立部署方式（簡稱SA），首先，SA不依賴LTE，未來FDD規(guī)模商用，考慮FDD演進(jìn)需求，使用SA可避免頻繁調(diào)整，最大化利用優(yōu)質(zhì)頻譜資源；其次，使用SA可規(guī)避帶內(nèi)GSM/NB-IoT/FDD三模間，及帶外與鐵路和聯(lián)通頻點(diǎn)間干擾；另外，SA方式可獨(dú)立對發(fā)射功率及相關(guān)功率控制進(jìn)行設(shè)置，有利于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化。

2 NB-IoT功控機(jī)制

2.1 主要物理信道

NB-IoT對物理層做了簡化，保留了LTE網(wǎng)絡(luò)中的廣播信道、下行控制信道、下行共享信道、隨機(jī)接入信道以及上行共享信道，取消了PCFICH、PHICH和PUCCH信道。

NB-IoT系統(tǒng)對于上行信道NPUSCH有功控機(jī)制，對于隨機(jī)接入信道采取一種步長逐步抬升的功控機(jī)制，簡化掉了PUCCH信道和SRS信號。

NPUSCH信道有兩種模式，如表1所示。

表1 NPUSCH信道模式

NPUSCH格式1，用于承載UL-SCH；格式2，用于承載上行控制信息。

2.2 功控計(jì)算原理及影響因素分析

NB-IoT功控計(jì)算原理為：若分配NPUSCH RU重復(fù)次數(shù)大于2，則

NB-IoT主要是間歇性的小分組業(yè)務(wù)，因此取消了LTE采取復(fù)雜的功控調(diào)度算法，從上述計(jì)算公式可以看出，功控的機(jī)制較為簡單，影響發(fā)射功率的因素僅取決于分配載波資源數(shù)量，初始參數(shù)設(shè)置以及路徑損耗這3個(gè)因素。另外，公式中沒有考慮到網(wǎng)內(nèi)干擾抬升的問題，物聯(lián)網(wǎng)間歇式小分組業(yè)務(wù)的特性導(dǎo)致上行干擾不會是主要矛盾，即使稍微受到一些干擾，通過資源分配調(diào)度算法把上行分配的子載波資源以及MCS同時(shí)降下來，既能保證相對穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，也能同時(shí)降低功耗。

3 NB-IoT低功耗技術(shù)

NB-IoT通過簡化物理層設(shè)計(jì)降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，上行Single-tone模式峰值均比低，下行采用Tailbiting卷積碼，降低解碼復(fù)雜度，對移動(dòng)性要求較低，不要求連接態(tài)測量及互操作，不要求異系統(tǒng)測量及互操作，減少了測量對象，從而降低功耗。而NB-IoT實(shí)現(xiàn)低功耗性能，主要采用兩種技術(shù)： PSM (Power Saving Mode)和eDRX（Extended DRX）。

3.1 技術(shù)介紹

3.1.1 PSM

PSM (Power Saving Mode，節(jié)電模式）是3GPP R12版本引入的技術(shù)，即在Idle態(tài)下再新增加一個(gè)新的狀態(tài)PSM（Idle的子狀態(tài)），在該狀態(tài)下，關(guān)閉信號的收發(fā)和接入層相關(guān)功能，相當(dāng)于部分關(guān)機(jī)狀態(tài)（但核心網(wǎng)側(cè)還保留用戶上下文，用戶進(jìn)入空閑態(tài)/連接態(tài)時(shí)無需再附著/PDN建立），從而減少天線、射頻、信令處理等功耗。

在PSM狀態(tài)時(shí)，下行不可達(dá)，DDN到達(dá)MME后，MME通知SGW緩存用戶下行數(shù)據(jù)并延遲觸發(fā)尋呼；上行有數(shù)據(jù)/信令需要發(fā)送時(shí)，觸發(fā)終端進(jìn)入連接態(tài)。

終端何時(shí)進(jìn)入PSM狀態(tài)，以及在PSM狀態(tài)駐留的時(shí)長由核心網(wǎng)和終端協(xié)商。如果設(shè)備支持PSM，在附著或TAU（Tracking Area Update）過程中，向網(wǎng)絡(luò)申請一個(gè)激活定時(shí)器(T3324，0～255 s)，當(dāng)設(shè)備從連接狀態(tài)轉(zhuǎn)移到空閑后，該定時(shí)器開始運(yùn)行，當(dāng)定時(shí)器超時(shí)后，設(shè)備進(jìn)入PSM省電模式。

進(jìn)入PSM模式后設(shè)備不再接收尋呼消息，但設(shè)備仍然注冊在網(wǎng)絡(luò)中。UE進(jìn)入PSM模式后，只有在UE需要發(fā)送MO數(shù)據(jù)，或者周期TAU/RAU定時(shí)器T3412超時(shí)后需要執(zhí)行周期TAU/RAU時(shí)，才會退出PSM模式，TAU最大周期為310 h，默認(rèn)為54 min。

PSM的優(yōu)點(diǎn)是可進(jìn)行長時(shí)間睡眠，缺點(diǎn)是對MT（被叫）業(yè)務(wù)響應(yīng)不及時(shí)，主要應(yīng)用于表類等對下行實(shí)時(shí)性要求不高的業(yè)務(wù)。

3.1.2 eDRX技術(shù)

eDRX（Extended Discontinues Reception，非連續(xù)接收）原理如圖4所示，是3GPP R13版本引入的技術(shù)， 是對原DRX技術(shù)的增強(qiáng)，主要原理為支持更長周期的尋呼監(jiān)聽，從而達(dá)到節(jié)電目的。

圖4 eDRX原理示意圖

傳統(tǒng)的1.28/2.56 s的DRX尋呼間隔對IoT終端的電量消耗較大，而在下行數(shù)據(jù)發(fā)送頻率小時(shí)，通過核心網(wǎng)和終端的協(xié)商配合，終端跳過大部分的尋呼監(jiān)聽，從而達(dá)到省電的目的。終端和核心網(wǎng)通過attach和TAU流程來協(xié)商eDRX的長度，可為20 s、40 s、80 s，最大到 2.92 h。

eDRX優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好于PSM，但節(jié)電效果與PSM相比要差些，即相對于PSM，大幅提升了下行通信鏈路的可到達(dá)性。

表2 功耗評估關(guān)鍵參數(shù)

3.2 低功耗技術(shù)分析

從上面技術(shù)分析來看， PSM和eDRX都可以看成是把UE深度睡眠時(shí)間的占比提升以降低功耗，實(shí)際上犧牲了實(shí)時(shí)性要求。相比較而言，PSM節(jié)電效果很好，但犧牲了實(shí)時(shí)性；eDRX的省電效果差些，但實(shí)時(shí)性好些。對于不同的場景應(yīng)用，可以根據(jù)特點(diǎn)選擇相應(yīng)的節(jié)電技術(shù)，一般情況下，建議PSM為必選項(xiàng)，eDRX功能作為備選項(xiàng)。

4 NB-IoT功耗性能評價(jià)

NB-IoT對于終端功耗的目標(biāo)為基于AA（5000 mAh）電池，使用壽命可超過10年。而NB-IoT相關(guān)節(jié)電技術(shù)和功耗分析的目的也是為了實(shí)現(xiàn)終端電池更持久的使用壽命。功耗評估分兩步完成。

4.1 關(guān)鍵參數(shù)

關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

4.2 電池壽命計(jì)算方法

每天發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的功耗：

e1(mW×ms)=Tx功耗+Rx功耗+非PSM時(shí)的空閑態(tài)功耗=(10)×(2)+(8)×(3)+(9)×(4)

E1(J)=e1/1 000 000

每天的功耗：

E2(J)=每天發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓摹撩刻齑螖?shù)+ 每天PSM狀態(tài)功耗=E1×(7)+(5)×3 600×24/1 000

e2(W/h)=E2/3 600

電池壽命（天數(shù)）：

D=電池容量/每天功耗=(1)/e2

電池壽命（年)： Y=D/365

從上述關(guān)鍵參數(shù)和評估計(jì)算方法來看，NB-IoT終端的電池受用壽命和電池本身性能、NB-IoT網(wǎng)絡(luò)使用的節(jié)電技術(shù)以及技術(shù)中參數(shù)的設(shè)置有密切關(guān)系。對于不同場景的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，應(yīng)根據(jù)其特點(diǎn)評估功耗需求，設(shè)置相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。