關(guān)于NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強技術(shù)的分析

【摘要】我國經(jīng)濟技術(shù)的不斷發(fā)展，推動了覆蓋增強技術(shù)的發(fā)展進程。這種技術(shù)可以重新擬制出一種比較全面的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。在我國現(xiàn)有的授權(quán)頻譜資源當中，這種覆蓋性很廣，傳輸速率很高的廣域網(wǎng)無線傳輸技術(shù)很大程度上滿足了我國NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的各種需求。本篇文章就通過分析NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)覆蓋技術(shù)的主要特點，對于這種技術(shù)的仿真進行了評估，希望可以對我國今后的物聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強技術(shù)提供一些參考性的建議。

【關(guān)鍵詞】覆蓋增強技術(shù)? NB-IoT? 分析總結(jié)? 物聯(lián)網(wǎng)

一、NB-IoT技術(shù)的主要特點概述

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，世界已經(jīng)迎來了大數(shù)據(jù)和智能化的物聯(lián)網(wǎng)時代。因此，必須加快建設(shè)新一代的信息基礎(chǔ)設(shè)施，促進信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，加快建設(shè)具有高速性、移動性、安全性和廣泛性的新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施，促進通信技術(shù)的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，給人們的生活帶來了極大的便利，促進了社會的發(fā)展，與人們的生活息息相關(guān)。隨著人們生活水平的不斷提高，人們對互聯(lián)網(wǎng)性能的要求越來越高，對物聯(lián)網(wǎng)需求也越來越強烈。物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)有很多種，從傳輸距離上可分為兩類：一類是短距離通信技術(shù)，代表Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth和Z-Wave;另一類是廣域網(wǎng)通信技術(shù)，通常定義為LPWAN（低功耗廣域網(wǎng)），代表為NB-IoT和eMTC。

與短距離通信技術(shù)相比，LPWAN采用了公有基站或私有基站的方式，實現(xiàn)了更廣泛的覆蓋，更適合于物聯(lián)網(wǎng)的深度覆蓋。與LTE網(wǎng)絡(luò)相比，LPWAN的窄帶技術(shù)可以更有效的利用頻譜，實現(xiàn)更多的連接數(shù)，以滿足物聯(lián)網(wǎng)的海量連接數(shù)。eMTC的覆蓋率目標為155.7dB，在FDD LTE的基礎(chǔ)上增加了15dB，比NB-IoT的覆蓋率目標低約8dB。eMTC是LTE的增強功能，與LTE共享傳輸功率和系統(tǒng)帶寬，功率譜密度也和LTE相同。eMTC通過重傳和跳頻技術(shù)增強了覆蓋度。在3GPP標準中，其最大重復(fù)次數(shù)可達2048次。NB-IoT采用了窄帶技術(shù)，其子載波帶寬可設(shè)置為3.75KHz或15KHz，子載波間隔為15KHz。通過這種窄帶技術(shù)，極大的提高了功率譜密度，從而使NB-IoT覆蓋率達到了164dB。

在3GPP第69次RAN全會上，NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）通過立項。根據(jù)立項文檔，3GPP標準組織擬制定一種全新的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使用現(xiàn)有授權(quán)頻譜資源滿足廣覆蓋、低功耗、低速率的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求。NB-IoT標準計劃在2016年6月份完成凍結(jié)，2016年第4季度進行外場測試，2017年上半年實現(xiàn)商用。

NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)覆蓋技術(shù)的占用寬帶是180KHz，這種物聯(lián)網(wǎng)覆蓋技術(shù)系統(tǒng)中一個PRB寬帶和我國現(xiàn)有LTE系統(tǒng)當中的寬帶是完全相同的。對于這種物聯(lián)網(wǎng)覆蓋技術(shù)自身的下行來說，主要采用的是OFDMA并且子載波之間的間隔通常是在15KHz之間，這樣就使得下行的載波間隔和LTE子載波間隔完全相同，并且他本身擁有全新的物理信道以及信號，對下行的PBCH、PDSCH和PDCCH通常都是用單一的TM傳輸模式。同時這種物聯(lián)網(wǎng)覆蓋技術(shù)采用了半雙工的工作機制，避免了PA和LNA的同時工作，降低系統(tǒng)的瞬時功率，為電池供電型設(shè)備提供更友好的支持。半雙工系統(tǒng)可以只使用一根天線完成，更適合物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)對終端的小型化需求，也可以降低企業(yè)整個終端的資金投入，還可以在一定程度上解決終端自身存在的各種功耗問題。為了能盡快利用好我國現(xiàn)存有的LTE網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)資源，提供更具靈活性的零散頻率資源部署，NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)覆蓋技術(shù)主要可以支持獨立部署（Stand alone），保護帶部署（Guard band）和帶內(nèi)部署（In-band）三種部署方案。

二、對于NB-IoT計劃實現(xiàn)的目標

這種物聯(lián)網(wǎng)覆蓋技術(shù)可以很好地實踐廣域覆蓋以及深度覆蓋，在利用我國較為傳統(tǒng)的GPRS技術(shù)之上，可以提高將近20dB的信號覆蓋。這意味著和傳統(tǒng)的GPRS相比，NB-IoT可以有效的覆蓋居民廚房、市政管網(wǎng)等常規(guī)的信號盲區(qū)，可以為智慧城市提供信號覆蓋支持。此外NB-IoT還能夠在最大限度上滿足客戶大容量終端接入的需求，以及所對其提出的各種要求，對于企業(yè)來說還可以降低整個終端的資金投入成本。除此之外，這種物聯(lián)網(wǎng)覆蓋技術(shù)有效地實現(xiàn)了資源的節(jié)約，真正做到了低功耗，低能耗的要求。當這種技術(shù)處于低功耗模式時，系統(tǒng)消耗功率可以小至5uA以下，這樣的低功耗技術(shù)，可以很好的為電池供電設(shè)施提供長久支持。NB-IoT可以在5Wh的電池下可以為設(shè)備提供將近十年的支持。

三、覆蓋分析方法概述

我國現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強技術(shù)的評估分析主要包括對數(shù)據(jù)速率的分析，發(fā)射機發(fā)射功率，接收機接收噪聲系統(tǒng)等系統(tǒng)的分析，再加上接收機噪聲的若干系數(shù)和干擾余量，使得這種技術(shù)接收機自身的靈敏度完全等于一個有效的噪聲功率加上所需要的信噪比，使得接收機處于增益狀態(tài)。

在MCL的使用方法上，首先，對于基站每200KHz發(fā)射功率，每個信道的取值不盡相同;在終端發(fā)射功率的過程當中，數(shù)值上顯示為23;在熱噪聲功率密度顯示過程當中，數(shù)值顯示為-174;對于終端接收機噪聲系統(tǒng)，數(shù)據(jù)顯示為5;干擾余量數(shù)據(jù)顯示為0。此物聯(lián)網(wǎng)覆蓋技術(shù)評估，主要用于控制信道和業(yè)務(wù)信道，其中各個信道的BLER應(yīng)保持在10%。

與我國傳統(tǒng)的GPRS物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相比，NB-IoT能夠提高近20dB的覆蓋度，具有廣闊的應(yīng)用前景。NB-IoT覆蓋增強的要求只有通過有效地調(diào)整參數(shù)和盡可能增加MCL（耦合損耗），才能最大限度地滿足其覆蓋增強的要求，因此對其覆蓋進行模擬是非常重要的。

四、NB-IoT覆蓋增強技術(shù)

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強技術(shù)涉及范圍比較廣，并且只有真正的利用好有效參數(shù)盡可能的增大MCL的值，才可以最大限度的滿足我國居民對物聯(lián)網(wǎng)覆蓋的整體要求。那么如何增加MTC業(yè)務(wù)本身的覆蓋，則是每一個企業(yè)需要重點考慮的問題，本篇文章就研究及下幾點方面。

NB-IoT的設(shè)計目標是在GPRS上增加20dB。以144dB作為GPRS最大耦合損耗，NB-IoT設(shè)計到164dB。下行鏈路的最大耦合損耗主要取決于增加每個信道重傳的最大數(shù)量，以提高覆蓋率。而其上行覆蓋增強主要來自兩個方面。首先，在有限的覆蓋條件下，可以通過單個子載波傳輸信號，從而極大地提高了它的功率譜密度。以Single Tone部署的3.75 KHz子載波為例，與GSM 180 KHz帶寬相比，PSD可實現(xiàn)約17dB帶寬。增加上行信道的最大重傳次數(shù)，以達到增強覆蓋的目的。因此，雖然NB-IoT終端上行傳輸功率比GPRS低10dB，但其傳輸帶寬變窄重傳次數(shù)增加，因此系統(tǒng)的上游仍能正常工作，最大路徑損耗為164dB。

要想保證物聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強技術(shù)的整體效率首先要進行重復(fù)性傳輸，延長整個信號碼元的整體傳輸時間。碼元的重復(fù)傳輸其實是一種簡單化了的信道編碼，雖然在很大程度上降低了系統(tǒng)的傳輸速率，但是對于解調(diào)和譯碼來說，卻明顯地提升了可靠度。尤其是對于低信噪比的環(huán)境來說，發(fā)揮的作用更大。例如，在比較理想的狀態(tài)之下，譯碼出現(xiàn)錯誤的概率，一般會在10%左右。隨著重復(fù)次數(shù)的不斷增加，可以很大程度的降低整體譯碼出錯的概率，重復(fù)傳輸達到三次時，譯碼的出錯概率則降低到了0.028。如果重復(fù)傳輸次數(shù)達到了五次，那么譯碼錯誤的概率則降低到了0.0086，從這兩組數(shù)據(jù)可以看出，隨著一碼重復(fù)輸出次數(shù)不斷增加，譯碼錯誤發(fā)生概率越來越低。

由于本篇文章研究的物聯(lián)網(wǎng)增強技術(shù)自身業(yè)務(wù)需求速率相對較低，所以當系統(tǒng)處于100bps時，就可以最大限度的滿足業(yè)務(wù)對系統(tǒng)提出的各種要求?？梢圆捎肂PSK、QBSK等低階調(diào)制技術(shù)和較短的CRC校驗碼。除此之外，該物聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強技術(shù)在編碼方面主要采用了turbe編碼方式，這種編碼的優(yōu)勢主要就是可以盡可能降低系統(tǒng)對信噪比的要求。相比于GPRS的卷積碼，對于距離大約有4dB的增強。

對于我國現(xiàn)階段的互聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強技術(shù)來講，這種技術(shù)可以更好的支持低速率的業(yè)務(wù)，通過利用碼元的重復(fù)傳輸，降低了傳輸過程當中對信噪比的要求和譯碼出錯的概率，對于整個覆蓋增強有著重要的促進作用，也是作為覆蓋增強技術(shù)的重要手段之一。

五、仿真以及評估結(jié)果概述

根據(jù)3GPP的研究提案并通過工作研究。我們對單個運營商的獨立部署情景進行了模擬。其結(jié)果如下：對于M-PBCH，模擬使用了32次重復(fù)傳輸，其中BLER控制在10%的時候，對應(yīng)的SNR為-6.5dB。對于M-PDSCH，解碼錯誤率主要測試經(jīng)過18次的重復(fù)傳輸，其中BLER控制在10%的時候，對應(yīng)的SNR為-6.4dB，對應(yīng)的M-PDSCH為3.7kbps 。對于M-EPDCCH，模擬使用了18次重復(fù)傳輸，其中BLER控制在10%的時候，對于的SNR為-6.1dB。對于M-PUSCH，使用單載波傳輸，傳輸時間為2160ms，其中BLER控制字10%的時候，對應(yīng)的SNR為-5.8dB，對于的M-PUSCH速率為0.37kbps。

六、總結(jié)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，信息技術(shù)改革的趨勢日益明顯。因此，必須加快建設(shè)新一代的信息基礎(chǔ)設(shè)施，促進信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，加快建設(shè)具有高速性、移動性、安全性和廣泛性的新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施，促進通信技術(shù)的發(fā)展。由于現(xiàn)有的2G、3G和4G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)覆蓋面不夠，新一代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用了新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)空中接口設(shè)計，具有功耗低、覆蓋面廣的特點。本篇文章通過深入分析NB-IoT覆蓋增強技術(shù)，在相同的帶寬、LTE和NB-IoT覆蓋的比較和分析，促進NB-IoT在物聯(lián)網(wǎng)新時代的應(yīng)用前景更加廣闊。

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作者簡介：王長金（1989-），男，安徽六安，中級工程師，學(xué)士，上海奧藍迪物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司，企業(yè)管理。