NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)探討

蘆君

摘要：隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)將為個(gè)人、社會(huì)和行業(yè)提供高效鏈接，但這又不僅僅是簡(jiǎn)單的海量鏈接，更是辦公、購(gòu)物、醫(yī)療、教育、娛樂(lè)、交通、社交等多種垂直行業(yè)的價(jià)值環(huán)節(jié)和生產(chǎn)要素等資源高度融合的鏈接。NB-IoT（NarrowBand-InternetofThings，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）是一種3GPP定義的LPWA（LowPowerWideAreaNetwork，低功耗廣域網(wǎng)）基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化物聯(lián)網(wǎng)解決方案，由于其具有深度覆蓋能力、支持海量連接、速率低、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點(diǎn)，非常適合于傳感、計(jì)量、監(jiān)控等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。基于此，本文主要對(duì)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行分析探討。

關(guān)鍵詞：NB-IoT;物聯(lián)網(wǎng);覆蓋增強(qiáng)技術(shù)

1、前言

2017年6月，工信部下發(fā)《關(guān)于全面推進(jìn)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)（NBIoT）建設(shè)發(fā)展的通知》。要求建設(shè)廣覆蓋、大連接、低功耗移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）基礎(chǔ)設(shè)施、發(fā)展基于NB-IoT技術(shù)的應(yīng)用，促進(jìn)“大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新”和“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展;網(wǎng)絡(luò)部署方面要求到2017年末，實(shí)現(xiàn)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋直轄市、省會(huì)城市等主要城市，基站規(guī)模達(dá)到40萬(wàn)個(gè)。到2020年，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全國(guó)普遍覆蓋，面向室內(nèi)、交通路網(wǎng)、地下管網(wǎng)等應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)深度覆蓋，基站規(guī)模達(dá)到150萬(wàn)個(gè)。由此引起廣泛的關(guān)于NB-IoT技術(shù)及應(yīng)用的探討。

2、NB-IOT技術(shù)概述

2.1概述

物聯(lián)網(wǎng)是由物主動(dòng)發(fā)起傳送、物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，顧名思義，人主動(dòng)控制信息傳送非物聯(lián)網(wǎng)范疇。依據(jù)這個(gè)概念出現(xiàn)了物連物（M2M）和物主動(dòng)連人（M2P）的連接新時(shí)代。隨著人們對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性、高速率的越來(lái)越高的追求蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)由2G、3G發(fā)展到如今的4G+階段，5G的研發(fā)和商用也在如火如荼進(jìn)行，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)速度由幾十Kbps發(fā)展到幾百M(fèi)bps甚至更高，但鑒于物與物連接階段的獨(dú)特特性，這些飛速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)并不適用。

NB-IOT聚焦于低功耗廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)（IoT）市場(chǎng)，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗少、架構(gòu)優(yōu)等特點(diǎn)。

2.2物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)比對(duì)

在物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)中，包括短距技術(shù)、廣域連接技術(shù)，其中廣域連接技術(shù)指?jìng)鹘y(tǒng)蜂窩網(wǎng)（2G/3G/4G）和LPWA等。針對(duì)新型網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)LPWA，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)類型的不同，分為3GPPLPWA和非3GPPLPWA，前者包括eMTC/NB-IOT，后者包括SigFox和LoRa。相比非授權(quán)頻段的LoRa及Sigfox技術(shù)，電信級(jí)的eMTC技術(shù)及NB-IOT技術(shù)更加安全可靠。

為適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，3GPP制定了一系列增強(qiáng)型的標(biāo)準(zhǔn)，他們的速率呈倒金字塔型，見(jiàn)表2。這一系列的標(biāo)準(zhǔn)也達(dá)到廣覆蓋、多連接、低功耗、低成本的目標(biāo)。Cat1：適用于中低速需求的應(yīng)用;另外值得一提的是Cat1支持VOLTE。

Cat0：向CatM1演進(jìn)的過(guò)渡版本。

eMTC：增強(qiáng)型機(jī)器類型通信。信道帶寬和射頻接收帶寬均為1.4MHz;降低了終端復(fù)雜度及功耗。

NB-IoT：“窄帶物聯(lián)網(wǎng)”Narrow-BandIoT（NB-IoT），接收帶寬僅200kHz。進(jìn)一步降低功耗，提升覆蓋，尤其是遮擋區(qū)和地下覆蓋環(huán)境。

3、NB-IOT關(guān)鍵特性及應(yīng)用場(chǎng)景

3.1NB-IOT關(guān)鍵特性

3.1.1大鏈接：小包傳輸優(yōu)化空口信令開(kāi)銷，減少無(wú)限資源占用。在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)提供50-100倍的接入數(shù)。支持低延時(shí)敏感度、設(shè)備低成本、低功耗，能很好地滿足未來(lái)智慧家庭中大量設(shè)備聯(lián)網(wǎng)需求。

3.1.2覆蓋增強(qiáng)：NB-IoT覆蓋增強(qiáng)20dB增益，可很好地提升室內(nèi)覆蓋深度和覆蓋概率。對(duì)于農(nóng)村、車庫(kù)等深度覆蓋有要求的應(yīng)用較適用。

3.1.3低功耗：芯片復(fù)雜度降低，工作電流小;空口信令簡(jiǎn)化，減少單次傳輸功耗;同時(shí)PSM/eDRX機(jī)制進(jìn)一步優(yōu)化了信令交互傳輸功耗;長(zhǎng)周期TAU，減少發(fā)送位置更新，降低功耗，設(shè)備續(xù)航時(shí)間大幅提升。

3.1.4低成本：NB-IoT的射頻和天線基本上都是復(fù)用的。180kHz窄帶系統(tǒng)，系帶復(fù)雜度降低;低采樣速率，對(duì)緩存要求較小;低速率、低功耗、低帶寬給NB-IoT芯片以及模塊帶來(lái)低成本優(yōu)勢(shì)。

4、NB-IoT覆蓋增強(qiáng)技術(shù)

從上面分析來(lái)看，只要通過(guò)有效調(diào)整參數(shù)，增大MCL，就可以實(shí)現(xiàn)NB-IoT的覆蓋增強(qiáng)。

4.1重復(fù)傳輸，延長(zhǎng)信號(hào)碼元的傳輸時(shí)間。碼元的重復(fù)傳輸事實(shí)上就是一個(gè)最簡(jiǎn)單的信道編碼，盡管降低了信息的傳輸速率，但是在解調(diào)或譯碼上的可靠性，特別是在低信噪比的接收環(huán)境下更加有效。比如理想下譯碼出錯(cuò)概率為10%，重復(fù)次數(shù)增加，使得整體譯碼出錯(cuò)概率大大降低。如表3所示。

4.2現(xiàn)有的TTIbundling和HARQ重傳技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)信號(hào)碼元的傳輸時(shí)間。參考文獻(xiàn)[1]給出了相關(guān)的提升覆蓋的數(shù)值，在VoLTE的商用網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐中已經(jīng)證明可有效改善信號(hào)的覆蓋范圍。

4.3鑒于NB-IoT業(yè)務(wù)需求的速率很低，100bps左右已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)大部分業(yè)務(wù)，所以可以采用低階的調(diào)制技術(shù)，如BPSK、QPSK、更短長(zhǎng)度的CRC校驗(yàn)碼等。

4.4在編碼方面，NB-IoT采用Turbo編碼，GPRS采用卷積碼，優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在對(duì)譯碼信噪比需求降低，對(duì)應(yīng)覆蓋距離有3～4dB的增強(qiáng)。

鑒于MTC業(yè)務(wù)在各種覆蓋增強(qiáng)技術(shù)方面需比GPRS增強(qiáng)20dB，而且可支持更低的業(yè)務(wù)速率，所以采用碼元重復(fù)傳輸是主要的覆蓋增強(qiáng)手段。

5、結(jié)語(yǔ)

NB-IOT最適宜的場(chǎng)景是固定/游牧終端、小數(shù)據(jù)量、低頻次、終端主動(dòng)上報(bào)模式的應(yīng)用，能夠充分利用低功耗的特性?，F(xiàn)如今大量不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景有著不同的通信需求，合理地選擇恰當(dāng)?shù)臒o(wú)線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)以及綜合利用各種網(wǎng)絡(luò)的能力成為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和項(xiàng)目成功實(shí)施的關(guān)鍵要素之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴博，袁弋非，余媛芳.窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）標(biāo)準(zhǔn)與關(guān)鍵技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2016.

[2]趙艷薇.3GPP通過(guò)NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)蓄勢(shì)待發(fā)[J].通信世界，2016（17）：67