NB—IoT業(yè)務(wù)模型與MCU設(shè)計流程分析

劉從柏 蔡文峰 高月

【摘 要】在中國電信計劃大規(guī)模部署異頻組網(wǎng)的環(huán)境下，針對國內(nèi)主流NB-IoT終端模組，控制模組的MCU流程設(shè)計無法滿足一些特定的NB-IoT業(yè)務(wù)模型場景，現(xiàn)有大部分MCU流程會導(dǎo)致終端無法使用最優(yōu)頻點，對業(yè)務(wù)感知有較大影響?；贜B-IoT業(yè)務(wù)模型場景分析，重點分析了國內(nèi)主流NB-IoT模組主要性能機制和存在的問題，并針對耗電敏感、移動性、時延敏感等不同特點的業(yè)務(wù)類型，提出了解決這些問題的合理MCU設(shè)計流程。

業(yè)務(wù)模型；模組；芯片；MCU；異頻組網(wǎng)

1 引言

目前，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)單頻組網(wǎng)下同頻干擾的問題非常嚴(yán)重，現(xiàn)有解決方案僅可通過異頻組網(wǎng)方式予以解決，因此，未來中國電信將準(zhǔn)備大規(guī)模部署實施異頻組網(wǎng)。但是，在異頻組網(wǎng)環(huán)境下，中國電信已商用的主流模組（如上海移遠(yuǎn)BC95-B5）在MCU（微控制單元）流程設(shè)計時，會導(dǎo)致終端無法使用最優(yōu)頻點，無法滿足一些特定的NB-IoT業(yè)務(wù)模型場景。

為了有效解決這個問題，需要模組廠家向終端公司進一步規(guī)范終端MCU設(shè)計流程，確保在耗電敏感、移動性、時延敏感等不同特點的業(yè)務(wù)類型場景下，能有一套最優(yōu)適配的MCU設(shè)計流程，避免終端無法使用最優(yōu)頻點，進一步提升后續(xù)NB-IoT業(yè)務(wù)感知。

2 NB-IoT技術(shù)特點及業(yè)務(wù)模型

2.1 NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)特點

NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，帶寬為180 kHz，主要聚焦于小數(shù)據(jù)量、小速率業(yè)務(wù)應(yīng)用。該技術(shù)設(shè)計以犧牲低速率和傳輸延遲為前提，從而實現(xiàn)強覆蓋、低成本、低功耗、大容量等四大優(yōu)勢的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)。在現(xiàn)有商用網(wǎng)絡(luò)下，其主要技術(shù)特點有[1]：

（1）覆蓋：NB-IoT技術(shù)空口最大耦合損耗（MCL）和GPRS相比有20 dB左右的增益，室外覆蓋信號強度基本可以滿足，室內(nèi)覆蓋程度與樓宇墻面厚度及結(jié)構(gòu)、具體深度有關(guān)。

（2）容量：3GPP定義NB-IoT單扇區(qū)5萬用戶的容量模式，主要是基于NB-IoT小數(shù)據(jù)特征，通過減少終端工作的頻次和強度，拉長終端休眠時間，實現(xiàn)大容量。

（3）時延：針對數(shù)據(jù)上報及接收時延，當(dāng)NB-IoT終端成功接入網(wǎng)絡(luò)后，終端有數(shù)據(jù)傳輸時，終端僅需要建立無線RRC鏈路成功后，立刻發(fā)送數(shù)據(jù)，此時時延大小與發(fā)送數(shù)據(jù)包大小以及無線覆蓋環(huán)境有關(guān)，也與終端所處狀態(tài)（空閑態(tài)或連接態(tài)）、業(yè)務(wù)模式（PSM和eDRX）有關(guān)，一般情況下數(shù)據(jù)發(fā)送和接收時延是秒級別。

（4）速率：在現(xiàn)有NB-IoT網(wǎng)絡(luò)默認(rèn)配置情況下，單用戶上下行理論峰值速率約15.6 kb/s或21.25 kb/s，單小區(qū)上下行理論峰值速率約250 kb/s或227 kb/s。

（5）功耗：NB-IoT終端在PSM態(tài)、空閑態(tài)、監(jiān)聽?wèi)B(tài)、連接態(tài)等不同狀態(tài)下功耗有區(qū)別。當(dāng)終端處于PSM狀態(tài)功耗極小，連接態(tài)功耗最大，連接態(tài)的功耗是PSM態(tài)的24 000倍，監(jiān)聽?wèi)B(tài)的功耗是PSM態(tài)功耗的6 000倍，空閑態(tài)的功耗是PSM態(tài)功耗的200倍。

（6）移動性：目前NB-IoT商用版本為R13，協(xié)議規(guī)定該版本不支持跨基站間的切換功能，更加適合靜止和慢速移動場景，終端移動速度低于30 km/h時數(shù)據(jù)傳輸成功率較高，速度越大成功率越低。

2.2 NB-IoT業(yè)務(wù)模型場景

近些年來，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)類型眾多，每種類型的業(yè)務(wù)都有自身的特點，從3GPP定義的特點來看，主要將NB-IoT業(yè)務(wù)模型場景分為3類[2]：

（1）監(jiān)測上報類：主要用于業(yè)務(wù)終端主動上報數(shù)據(jù)場景，業(yè)務(wù)終端上報數(shù)據(jù)結(jié)束后，很快進入PSM狀態(tài)直至終端再次上報數(shù)據(jù)。根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上報周期差異，一般將監(jiān)控上報類業(yè)務(wù)分為“監(jiān)控上報類——長周期”和“監(jiān)控上報類——短周期”。

（2）下發(fā)控制類：主要用于滿足業(yè)務(wù)終端希望對終端下發(fā)控制需求，為了使業(yè)務(wù)終端能夠相對快地接收到下發(fā)消息，默認(rèn)不開啟PSM功能模式，僅使用eDRX或DRX功能模式。

（3）綜合定制類：主要用于業(yè)務(wù)終端需要同時考慮使用PSM和eDRX的復(fù)雜業(yè)務(wù)場景。未來，NB-IoT終端可以設(shè)計配置PSM或eDRX相關(guān)參數(shù)定時器，從而可以靈活適配個性化業(yè)務(wù)場景。

表1為NB-IoT業(yè)務(wù)模型場景分類：

3 NB-IoT終端模組性能及問題分析

3.1 NB-IoT終端模組發(fā)展現(xiàn)狀

隨著NB-IoT的發(fā)展及商用，NB-IoT芯片和模組產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也非常迅速，為滿足低頻段增強覆蓋的需求，業(yè)界NB-IoT芯片目前僅支持1 GHz以下頻段，主要支持Band5、Band7和Band8頻段。業(yè)界已發(fā)布NB-IoT模組的主流廠商約20多家，其中，國內(nèi)采購NB-IoT模組的廠商約90%以上已采用“華為海思”NB-IoT芯片，且國內(nèi)采用該芯片的模組約90%以上屬于“上海移遠(yuǎn)通信技術(shù)有限公司”廠商。

3.2 NB-IoT商用終端模組性能分析

根據(jù)國內(nèi)NB-IoT終端模組及芯片發(fā)展現(xiàn)狀，針對中國電信使用的BC95-B5（即支持Band5）模組為例，其在“開機搜頻駐留—連接態(tài)—空閑態(tài)—PSM態(tài)”整個過程的性能機制如下[3]：

（1）開機搜頻駐留：若芯片flash保存某個頻點，會優(yōu)先搜索這個頻點進行駐留（滿足RSRP/RSRQ一定門限就駐留），若所處位置無該頻點信號則轉(zhuǎn)向全頻（Band5）搜索；若芯片flash未保存某個頻點，直接進行全頻（Band5）搜索。

（2）連接態(tài)：3GPP R13協(xié)議規(guī)定不支持切換，導(dǎo)致模組不可能執(zhí)行小區(qū)間切換。當(dāng)終端模組發(fā)現(xiàn)無上下行數(shù)據(jù)傳輸時，會啟動UE不活動定時器，等待20 s發(fā)現(xiàn)無數(shù)據(jù)傳輸就釋放進入空閑態(tài)。

（3）空閑態(tài)：針對終端采用的VPN策略，可以得知終端在空閑態(tài)駐留時長（一般情況下，大部分終端側(cè)采用默認(rèn)ctnb的VPN策略，該策略下空閑態(tài)時長為2 s）?，F(xiàn)有商用終端模組大多數(shù)固件版本存在不支持空閑態(tài)小區(qū)重選和未開啟空閑態(tài)小區(qū)重選開關(guān)。

（4）PSM態(tài)：終端關(guān)閉射頻收發(fā)功能，近似關(guān)機狀態(tài)。PSM態(tài)時長主要取決于核心網(wǎng)周期性TAU配置（默認(rèn)TAU更新定時器配置為730 min）。3GPP協(xié)議規(guī)定終端位于該狀態(tài)下將繼續(xù)接收下行尋呼消息。

圖1為NB-IoT終端開機全流程機制：

3.3 NB-IoT商用終端模組問題分析

NB-IoT技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)于2016年底才正式凍結(jié)，距離試商用不到一年時間，為盡可能降低終端功耗，延長待機時長，模組廠商在研發(fā)過程中暫無統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致大部分NB-IoT模組在實際試商用過程中存在諸多問題。根據(jù)中國電信已商用的主流模組BC95-B5在各種狀態(tài)下的性能機制分析，在異頻組網(wǎng)環(huán)境下，目前該款型號模組在MCU流程設(shè)計時，無法滿足一些特定的NB-IoT業(yè)務(wù)模型場景需求，存在影響業(yè)務(wù)感知的可能性，主要存在的問題分析如下：

（1）存在問題1：模組執(zhí)行鎖頻2506頻點操作。因中國電信在試商用網(wǎng)絡(luò)初期采用單頻2506頻點組網(wǎng)，主流模組或芯片廠家在設(shè)計時會直接執(zhí)行鎖頻2506頻點操作，導(dǎo)致終端永遠(yuǎn)只使用2506頻點進行數(shù)據(jù)發(fā)送。若異頻組網(wǎng)下無2506頻點時，會導(dǎo)致終端無法駐留任何小區(qū)。若異頻組網(wǎng)下有2506頻點時，可能影響終端無法使用信號最優(yōu)頻點。

（2）存在問題2：終端模組開機搜頻執(zhí)行AT鎖頻操作。因中國電信在試商用網(wǎng)絡(luò)初期采用單頻2506頻點組網(wǎng)，終端廠家在MCU設(shè)計時會控制模組每次開機搜頻時執(zhí)行“AT+NEARFCN=0 2506”進行鎖頻2506頻點操作，導(dǎo)致終端永遠(yuǎn)只使用2506頻點進行數(shù)據(jù)發(fā)送。若異頻組網(wǎng)下無2506頻點時，會導(dǎo)致終端無法駐留任何小區(qū)。若異頻組網(wǎng)下有2506頻點時，可能影響終端無法使用信號最優(yōu)頻點。

（3）存在問題3：業(yè)務(wù)完成后模組立即執(zhí)行斷電操作。因模組芯片在某個頻點下使用后，芯片flash會保存該頻點，每次開機會優(yōu)先搜索該頻點，當(dāng)滿足“最低接收電平大于-134 dBm”且“最低接入信號質(zhì)量大于-23 dB”的小區(qū)駐留條件時，終端會駐留在該頻點小區(qū)下進入RRC連接態(tài)。當(dāng)終端收到數(shù)據(jù)發(fā)送成功確認(rèn)消息后，MCU會控制模組直接執(zhí)行斷電操作，導(dǎo)致終端永遠(yuǎn)只能使用該頻點進行數(shù)據(jù)發(fā)送，進而可能影響終端無法使用信號最優(yōu)頻點。

（4）存在問題4：終端模組芯片flash保存頻點后無法開機全頻搜索。因模組芯片在某個頻點下使用后，芯片flash會保存該頻點，每次開機會優(yōu)先搜索該頻點，當(dāng)滿足以上小區(qū)駐留條件，終端會駐留在該頻點小區(qū)下進入RRC連接態(tài)。當(dāng)終端發(fā)送完數(shù)據(jù)進入空閑態(tài)后，MCU會控制模組在空閑態(tài)僅駐留2 s時長，該空閑態(tài)時長無法保證終端在異頻組網(wǎng)下進行異頻重選，導(dǎo)致終端下次開機繼續(xù)在該頻點下進行駐留，進而可能影響終端無法使用信號最優(yōu)頻點。

（5）存在問題5：終端模組未開啟小區(qū)重選功能。因模組芯片在某個頻點下使用后，芯片flash會保存該頻點，每次開機會優(yōu)先搜索該頻點，當(dāng)滿足以上小區(qū)駐留條件，終端會駐留在該頻點小區(qū)下進入RRC連接態(tài)。當(dāng)終端發(fā)送完數(shù)據(jù)進入空閑態(tài)后，MCU未設(shè)計控制模組開啟異頻重選功能，無法實現(xiàn)終端在異頻組網(wǎng)下進行異頻重選，導(dǎo)致終端下次開機繼續(xù)在該頻點下進行駐留，進而可能影響終端無法使用信號最優(yōu)頻點。圖2為BC95-B5模組主要存在問題的匯總：

4 NB-IoT終端MCU設(shè)計流程分析

前面提到過，在異頻組網(wǎng)環(huán)境下，為盡可能降低終端功耗及延長待機時長，中國電信已商用主流模組BC95-B5在MCU流程設(shè)計時，無法滿足一些特定的NB-IoT業(yè)務(wù)模型場景，存在影響業(yè)務(wù)感知的可能性。

目前，為降低NB-IoT網(wǎng)絡(luò)帶來的同頻干擾問題，中國電信正在部署實施大規(guī)模異頻組網(wǎng)，這就要求給出合理的終端MCU設(shè)計流程，來規(guī)避以上5個問題。從NB-IoT業(yè)務(wù)模型場景分類來看，MCU設(shè)計流程分析如下[4]。

4.1 耗電不敏感業(yè)務(wù)MCU流程分析

針對耗電不敏感類業(yè)務(wù)，因終端有外部電源供電，終端本身無需考慮耗電情況，終端MCU設(shè)計流程無需關(guān)注省電設(shè)計，為解決以上終端在異頻組網(wǎng)下存在的問題，推薦的設(shè)計流程為：

（1）確保MCU設(shè)計流程中驗證“模組是否鎖頻”，若反饋已鎖屏，需執(zhí)行AT命令取消鎖頻；

（2）確保MCU設(shè)計流程中取消“開機搜頻執(zhí)行AT鎖頻操作”，保證終端可使用不同頻點；

（3）確保MCU設(shè)計流程中增加“下發(fā)AT消除頻點命令”，保證模組芯片不保存上次使用的頻點。

4.2 耗電敏感業(yè)務(wù)MCU流程分析

針對耗電敏感靜止類業(yè)務(wù)，因終端無外部電源供電，終端本身需考慮省電設(shè)計，終端MCU設(shè)計流程需關(guān)注省電設(shè)計，為解決以上終端在異頻組網(wǎng)下存在的問題，從不同業(yè)務(wù)模型場景角度分析，并考慮“靜止類”和“移動類”兩個維度，推薦的設(shè)計流程為：

（1）監(jiān)測上報業(yè)務(wù)MCU流程分析

針對監(jiān)測上報靜止類業(yè)務(wù)，原則上終端使用NB-IoT小區(qū)基本固定不變，既要解決終端在異頻組網(wǎng)下存在的問題，又要解決終端省電的問題，推薦的設(shè)計流程為[5]：

確保MCU設(shè)計流程中驗證“模組是否鎖頻”，若反饋已鎖屏，需執(zhí)行AT命令取消鎖頻；

確保MCU設(shè)計流程中取消“開機搜頻執(zhí)行AT鎖頻操作”，保證終端可使用不同頻點；

確保MCU設(shè)計流程中增加“出現(xiàn)與上次使用PCI不一致即下發(fā)AT消除頻點命令”，保證模組芯片不保存上次使用的頻點。

針對監(jiān)測上報移動類業(yè)務(wù)，原則上終端使用NB-IoT小區(qū)經(jīng)常發(fā)生變化，既要解決終端在異頻組網(wǎng)下存在的問題，又要解決終端省電的問題，推薦的設(shè)計流程為：

確保MCU設(shè)計流程中驗證“模組是否鎖頻”，若反饋已鎖頻，需執(zhí)行AT命令取消鎖頻；

確保MCU設(shè)計流程中取消“開機搜頻執(zhí)行AT鎖頻操作”，保證終端可使用不同頻點；

確保MCU設(shè)計流程中取消“執(zhí)行斷電操作”，保證終端發(fā)送數(shù)據(jù)后可進入空閑態(tài)；

確保MCU設(shè)計流程中驗證“模組是否開啟小區(qū)重選功能”，若反饋未開啟，需執(zhí)行AT命令開啟重選功能；

確保MCU設(shè)計流程中“保證空閑態(tài)時長足夠長（一般建議20 s左右）”，保證異頻重選時間。

（2）下發(fā)控制業(yè)務(wù)MCU流程分析

針對下發(fā)控制時延不敏感業(yè)務(wù)，原則上終端收到下發(fā)控制尋呼消息可以允許非常大的時延，既要解決終端在異頻組網(wǎng)下存在的問題，又要解決終端省電問題，推薦的設(shè)計流程為[6]：

確保MCU設(shè)計流程中驗證“模組是否鎖頻”，若反饋已鎖頻，需執(zhí)行AT命令取消鎖頻；

確保MCU設(shè)計流程中取消“開機搜頻執(zhí)行AT鎖頻操作”，保證終端可使用不同頻點；

確保MCU設(shè)計流程中增加“下發(fā)AT消除頻點命令”，保證模組芯片不保存上次使用頻點；

確保MCU設(shè)計流程中驗證“模組是否開啟PSM和eDRX”，若反饋未開啟，需執(zhí)行AT命令開啟PSM和eDRX功能。

針對下發(fā)控制時延敏感業(yè)務(wù)，原則上終端收到下發(fā)控制尋呼消息要求盡可能實時，既要解決終端在異頻組網(wǎng)下存在的問題，又要解決終端省電的問題，推薦的設(shè)計流程為：

確保MCU設(shè)計流程中驗證“模組是否鎖頻”，若反饋已鎖頻，需執(zhí)行AT命令取消鎖頻；

確保MCU設(shè)計流程中取消“開機搜頻執(zhí)行AT鎖頻操作”，保證終端可使用不同頻點；

確保MCU設(shè)計流程中增加“執(zhí)行斷電操作”，保證終端收到數(shù)據(jù)后馬上斷電，無需控制終端進入空閑態(tài)；

確保MCU設(shè)計流程中增加“下發(fā)AT消除頻點命令”，保證模組芯片不保存上次使用的頻點；

確保MCU設(shè)計流程中驗證“模組是否開啟PSM和eDRX”，若反饋已開啟，需執(zhí)行AT命令關(guān)閉PSM和eDRX功能。

（3）綜合定制類業(yè)務(wù)MCU流程分析

針對綜合定制類業(yè)務(wù)，既要解決終端在異頻組網(wǎng)下存在的問題，又要解決終端省電的問題，推薦的設(shè)計流程需同時考慮終端“耗電敏感”、“時延敏感”和“移動性”三個方面的問題，基本思路可參考以上設(shè)計流程的分析過程。

5 結(jié)束語

本文重點研究分析了針對耗電敏感、移動性、時延敏感等不同特點的業(yè)務(wù)類型，給出了合理的MCU設(shè)計流程，來解決未來在異頻組網(wǎng)環(huán)境下無法使用最優(yōu)頻點的問題?？紤]到運營商無法約束終端公司MCU設(shè)計流程，這就需要運營商未來通過NB-IoT終端入網(wǎng)測試，來約束終端公司的模組MCU設(shè)計流程規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，嚴(yán)格控制終端商用入網(wǎng)部署，提高未來NB-IoT業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)發(fā)送成功率。

參考文獻：

[1] 劉瑋，董江波，任冶冰. NB-IoT的關(guān)鍵性能[J]. 電信科學(xué)， 2018（s1）.

[2] 楊峰，初強. NB-IoT技術(shù)特點與前景[J]. 中國新通信， 2017，19（14）.

[3] 解運洲. NB-IoT技術(shù)詳解與行業(yè)應(yīng)用[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2017.

[4] 王晰，李致遠(yuǎn). NB-IoT終端一致性測試模型設(shè)計[J]. 移動通信， 2018，42（5）： 6-13.

[5] 姚美菱，吳蓬勃，張星，等. 支撐NB-IoT特征的關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 電信快報， 2018（4）.

[6] 廉小親，周棟，成開元，等. 基于NB-IoT的空調(diào)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)[J]. 測控技術(shù)， 2018（5）.