NB-IoT綜述及性能測試

楊觀止,陳鵬飛,崔新凱,侯維巖

(鄭州大學 信息工程學院,鄭州 450001)

0 概述

在5G時代全面來臨的背景下,物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)的發(fā)展十分迅猛。根據(jù)預測,全球的物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)量將于2020年達到500億左右[1],2025年達到500億～1 000億[2]。國際通信聯(lián)盟(International Telecommuni-cation Union,ITU)為5G定義了三大應用場景,即增強型移動帶寬(enhanced Mobile Broadband,eMMB)、超可靠低時延通信(Ultra-Reliable Low Latency Communication,uRLLC)以及海量機器類通信(massive Machine Type Communication,mMTC)[3]。其中mMTC場景的業(yè)務需求規(guī)模巨大,根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知,到2020年,mMTC業(yè)務將占到物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務總數(shù)的60%左右[4]。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)是3GPP在Rel-13中引入的一項為mMTC場景設計的低功耗廣域網(wǎng)(Low Power Wide Area Network,LPWAN)技術[5-6],可處理大規(guī)模的低功耗連接,提供超大覆蓋范圍,并具有深度室內穿透性能[7],較4G網(wǎng)絡、Zigbee等短距離通信技術,能夠支持更多應用場景[8],具有較高的高業(yè)價值[9]。目前NB-IoT的理論上行峰值速率可達62.5 kb/s,下行也達到21.25 kb/s[10]。為探究NB-IoT的實際傳輸速率和信號質量,本文回顧該技術的標準化歷程,分析其關鍵技術特點、物理層結構和主要信令流程,在此基礎上進行實地性能測試。

1 NB-IoT標準化歷程

NB-IoT的標準化經歷了以下5個階段:

1)2013年初,華為與相關業(yè)內廠商及運營商合作展開窄帶物聯(lián)網(wǎng)領域的研發(fā)工作,命名為LTE-M(LTE for Machine to Machine)。在LTE-M的技術方案選擇上,主要有2種選擇思路:一種是基于現(xiàn)有GSM演進思路(eMTC);另一種是華為提出的新空口思路,稱為NB-M2M。NB-M2M采用FDMA多址技術及GMSK調制,子載波間隔為5 kHz。

2)2014年5月,由沃達豐、中國移動、華為、諾基亞等公司支持的SI“Cellular System Support for UltraLow Complexity and Low Throughput Internet of Things”在3GPP GERAN工作組立項,LTE-M更名為Cellular IoT,簡稱CIoT。

3)2015年5月,華為和高通共同宣布了一種融合的解決方案,即上行采用FDMA多址方式,下行采用OFDM多址方式,命名為NB-CIoT(Narrow Band Cellular IoT)。NB-CIoT的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在增強室內覆蓋、支持海量終端、降低終端復雜度、功耗和時延等方面[11],但相對LTE而言,NB-CIoT是一種全新的空口技術,與舊版的LTE存在兼容問題。

4)2015年8月10日,在GERAN SI階段末次會議上,愛立信聯(lián)合相關公司提出了NB-LTE(Narrow Band LTE)的概念。NB-LTE可與現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡兼容,且易于部署[12]。該方案主要設計目標是使用現(xiàn)有的LTE實體層部分以及盡可能多的上層LTE網(wǎng)絡,減少營運商在布建時的設備升級成本,并且沿用原有的蜂巢網(wǎng)絡架構,達到快速布建的目的。

5)2015年9月,3GPP在RAN全會達成一致,對NB-CIoT和NB-LTE兩個技術方案進行融合形成NB-IoT WID。NB-CIoT由此演進到NB-IoT,并被確立為窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的唯一標準[13]。2016年6月,NB-IoT核心標準正式在3GPP R13中確定。

2 NB-IoT技術特點

作為一項新興的、具有廣闊應用前景的LPWAN技術[14-15],NB-IoT主要有以下技術特點:

1)廣覆蓋。NB-IoT可提供超大的室內覆蓋范圍。在同樣的頻段下,與現(xiàn)有網(wǎng)絡相比,NB-IoT具有接近20 dB的增益[16]。NB-IoT主要通過以下2個方面來實現(xiàn)廣覆蓋:

(1)提升功率譜密度(Power Spectral Density,PSD)。NB-IoT通過重新定義上下行物理信道的格式,使得上下行數(shù)據(jù)可以在比LTE更窄的帶寬中發(fā)送,提高增益。如表1所示,在NB-IoT上行使用3.75 kHz子載波間隔的情況下,PSD約為GSM的5.33倍,相當于7 dB左右的增益。

表1 GSM與NB-IoT的功率譜密度對比

Table 1 Comparison of GSM and NB-IoT power spectral densities

制式功率/mW使用帶寬/kHz功率譜密度/(mW·kHz-1)GSM2 000200.0010.00NB-IoT2003.7553.33

(2)重復傳輸。在信噪比較低的接收環(huán)境中,增加重傳次數(shù)可以大幅降低誤碼率,提高傳輸?shù)目煽啃院桶踩訹17]。在通信理論中,傳輸次數(shù)每增加1倍,速率降低一半,同時產生3 dB的增益。NB-IoT使用重復傳輸?shù)姆绞降玫綍r間分集增益,且所有的信道均可重傳。表2展示了NB-IoT中不同信道的重傳次數(shù),圖1展示了重傳次數(shù)和覆蓋增益的關系。協(xié)議規(guī)定上行最大重復傳輸次數(shù)為128,但考慮到傳輸效率及邊緣情況,一般設置為16,理論上能獲得12 dB的增益,實際約為9 dB[18]。此外,NB-IoT在編譯碼方面也進行了優(yōu)化,可獲得3 dB～4 dB的增益[19]。

表2 NB-IoT中不同信道的重傳次數(shù)

圖1 NB-IoT重傳次數(shù)與覆蓋增益的關系

Fig.1 Relationship between NB-IoT retransmission times and coverage gains

2)低功耗。NB-IoT對終端功耗的目標為:在使用固定容量電池供電時,終端壽命可達10 a左右[20]。因此其引入以下2種節(jié)能技術:

(1)節(jié)電模式(Power Saving Mode,PSM)。如圖2所示,用戶終端設備(User Equipment,UE)完成上行數(shù)據(jù)傳輸后進入空閑態(tài),同時開啟激活定時器(T3324)。激活定時器超時后,UE進入PSM狀態(tài)。在該狀態(tài)下,UE深度休眠,關閉射頻接收,不再接收下行數(shù)據(jù),UE耗電量約為空閑態(tài)的1/200。但NB核心網(wǎng)中依然保留UE的注冊信息,這樣當UE從PSM狀態(tài)中被喚醒時,無需再次進行附著建立即可進入連接態(tài)。PSM最長可持續(xù)310 h,且UE的99%時間處于該狀態(tài),達到高度節(jié)能的目的。但此時UE無法接收下行數(shù)據(jù),也造成了下行實時性差的缺點,因此,PSM適用于對實時性要求不高的場景,如遠程抄表等。

圖2 PSM狀態(tài)示意圖

(2)擴展非連續(xù)接收(extended Discontinuous reception,eDRX)[21-22]是Rel-13中新添加的功能,核心思想是支持周期更長的尋呼監(jiān)聽,達到節(jié)電的目的。傳統(tǒng)IoT的尋呼周期為2.56 s,對UE的消耗較大。在下行數(shù)據(jù)發(fā)送頻率較低時,UE可與NB核心網(wǎng)協(xié)商確定一個eDRX周期(最短20.48 s,最長可達2.92 h)。如圖3所示,在每個eDRX周期內,UE只在尋呼時間窗口(Paging Time Window,PTW)內監(jiān)聽尋呼信道,其他時間深度休眠,以此實現(xiàn)較低的功耗。eDRX技術在節(jié)能方面不如PSM,但在實時性上較PSM更具優(yōu)勢。

圖3 eDRX原理示意圖

3)低成本。為實現(xiàn)大規(guī)模商用,NB-IoT設計將模組成本降至1美元以下。具體措施如下:

(1)NB-IoT僅支持頻分半雙工(Half-Frequency Division Duplexing,H-FDD)的工作模式,上下行傳輸分別在不同時段和頻段上進行。因此,UE只需保留一套收發(fā)信機,結構得到簡化,降低了成本。

(2)與LTE相比,NB-IoT下行取消了物理控制格式指示信道(Physical Control Format Indicator Channel,PCFICH)、物理混合自動重傳指示信道(Physical Hybrid ARQ Indicator Channel,PHICH)等,上行取消了物理上行鏈路控制信道(Physical Uplink Control Channel,PUCCH)。

(3)NB-IoT在硬件上進行簡化,如圖4所示。首先,與Cat-4終端相比,除工作模式由全雙工變?yōu)榘腚p工之外,天線模式也由1T2R變?yōu)?T1R,降低了復雜度;其次,NB-IoT的低采樣率使得對緩存Flash/RAM的要求降低,僅為28 KB;再次,由于 UE的低功耗,不再需要多模多頻段的功放;最后,去除IMS協(xié)議棧,意味著NB-IoT不支持語音功能。

圖4 Cat-4與NB-IoT的硬件結構對比

(4)在MAC層,NB-IoT僅支持單進程的混合自動重傳請求(Hybrid Automatic Repeat Request,HARQ),不支持上行調度請求(Scheduling Request,SR)、信道探測參考信號(Sounding Reference Signal,SRS)、信道質量指示(Channel Quality Indicator,CQI),并且不支持非競爭隨機接入等。

4)海量連接。NB-IoT的設計容量達到每小區(qū)5×104左右。支持NB-IoT實現(xiàn)海量接入的因素包括:

(1)NB-IoT的話務模型決定其可以實現(xiàn)海量接入。NB基站是針對物聯(lián)網(wǎng)場景設計的,由于UE絕大多數(shù)時間處于休眠狀態(tài),且對時延不敏感,因此一個基站可以設計接入更多的UE。

(2)NB-IoT是一種窄帶技術,占用帶寬很小,這決定了其調度顆粒也較小,因此,頻譜資源利用率得到提高。

(3)與傳統(tǒng)LTE網(wǎng)絡相比,NB-IoT優(yōu)化了信令流程,減少了空口信令開銷,提升了頻譜效率。

3 NB-IoT的物理層結構

3.1 NB-IoT的幀結構與部署方式

3.1.1 下行幀結構

在頻域上,NB-IoT下行占用200 kHz帶寬,實際工作帶寬為180 kHz,分為12個連續(xù)的子載波,子載波間隔為15 kHz。在時域上,NB-IoT下行幀結構與LTE類似,如圖5所示。不同之處是NB-IoT引入的超幀的概念,每個超幀由1 024個無線幀組成,NB-IoT的一個最長周期由1 024個超幀組成,時長約為2.92 h。

圖5 NB-IoT下行時域結構

3.1.2 上行幀結構

在頻域上,NB-IoT上行支持15 kHz或3.75 kHz兩種子載波間隔,如圖6所示,同時其支持Single-Tone和Multi-Tone兩種傳輸模式。在時域上,NB-IoT定義了資源單元(Resource Unit,RU)作為上行傳輸時資源調度的基本單位,不同場景下RU的結構如表3所示。

圖6 NB-IoT上行頻域結構

表3 不同場景下的RU結構

Table 3 RU structures in different scenarios

NPUSCH format場景子載波間隔/kHz子載波個數(shù)RU Sbt數(shù)Sbt持續(xù)時長/msRU持續(xù)時長/ms1(普通數(shù)傳)Single-Tone3.751162.03215.001160.5815.00380.54Multi-Tone15.00640.5215.001220.512(UCI)Single-Tone3.75142.0815.00140.52

3.1.3 NB-IoT的部署方式

NB-IoT支持如圖7所示的3種部署方式[23]。

圖7 NB-IoT支持的3種部署方式

具體如下:

1)獨立部署(Standalone operation,ST)。它不依賴LTE網(wǎng)絡且與LTE完全解耦,適合重耕GSM頻段。GSM的信道帶寬為200 kHz,剛好為NB-IoT 180 kHz帶寬辟出空間,兩邊還有10 kHz的保護間隔。在獨立部署方式下,NB-IoT的配置限制較少,不存在與現(xiàn)有系統(tǒng)的兼容問題,且下行容量最優(yōu),約為5×104左右。

2)保護帶部署(Guardband operation,GB)。利用LTE邊緣保護帶中未使用的180 kHz帶寬的資源塊,不占用LTE資源。由于部署在LTE的保護帶內,需要考慮與LTE系統(tǒng)的兼容問題,且可用頻點非常有限,因此保護帶部署方式未來發(fā)展也將受限,該部署方式的下行容量約為2.7×104左右。

3)帶內部署(In-band operation,IB)。占用LTE的一個物理資源塊(Physical Resource Block,PRB)資源[24-25]。 這種方式同樣需要考慮與LTE系統(tǒng)的兼容問題,如避開LTE的PDCCH區(qū)域、同步信號和PBCH、CRS等,且下行容量在3種方式中最低,約為1.9×104。

3.2 NB-IoT的物理信號與信道

3.2.1 下行物理信號與信道

對NB-IoT下行物理信號和信道的介紹如下:

1)窄帶主同步信號(Narrowband Primary Synchro-nization Signal,NPSS)是NB-IoT的下行主同步信號,作用是完成時間和頻率上的初同步,固定在每個無線幀的5號子幀上發(fā)送,如圖8和圖9所示。NPSS在頻域上占據(jù)0～10號的11個子載波;在時域上,由于UE此時還未獲取NB-IoT部署方式,因此預留出前3個OFDM符號,為LTE資源預留位置。在In-band場景下,還需打孔避讓LTE的小區(qū)參考信號(Cell Reference Signal,CRS)。

圖8 Guardband/Standalone場景下的NPSS資源位置

Fig.8 NPSS resource location in Guardband/Standalone scenario

圖9 In-band場景下的NPSS資源位置

2)窄帶輔同步信號(Narrowband Secondary Synchro-nization Signal,NSSS)用于終端獲取PCI信息和幀定時信息,固定在偶數(shù)無線幀的9號子幀上發(fā)送,周期為20 ms,如圖10和圖11所示。NSSS在頻域上占據(jù)整個工作帶寬,在時域上與NPSS所占位置相同。

圖10 Guardband/Standalone場景下的NSSS資源位置

Fig.10 NSSS resource location in Guardband/Standalone scenario

圖11 In-band場景下的NSSS資源位置

3)窄帶參考信號(Narrowband Reference Signal,NRS)的作用是下行信道質量測量估計以及終端的相干檢測和解調,在NPBCH/NPDCCH/NPDSCH信道上發(fā)送,每天線端口每子幀使用8個RE,如圖12和圖13所示。

圖12 Guardband/Standalone場景下的NRS資源位置

Fig.12 NRS resource location in Guardband/Standalone scenario

圖13 In-band場景下的NRS資源位置

4)窄帶物理廣播信道(Narrowband Physical Broadcast Channel,NPBCH)的作用是攜帶主系統(tǒng)信息塊MIB(Master Information Block),固定在每個無線幀的0號子幀上發(fā)送,發(fā)射周期為640 ms,如圖14所示。NPBCH在子幀內所占位置和NSSS相同,如圖15和圖16所示。

圖14 NPBCH周期

圖15 Guardband/Standalone場景下的NPBCH資源位置

Fig.15 NPBCH resource location in Guardband/Standalone scenario

圖16 In-band場景下的NPBCH資源位置

5)窄帶物理下行控制信道(Narrowband Physical Downlink Control Channel,NPDCCH)的作用是承載下行控制消息(Downlink Control Information,DCI),使用窄帶控制信道單元(Narrowband Control Channel Elements,NCCE)作為資源調度的基本單位。每個NCCE在頻域上占用6個子載波帶寬;在時域上,由于此時UE已經獲知NB-IoT的部署模式,因此只在In-Band模式下為LTE 預留資源,如圖17和圖18所示。

6)窄帶物理下行共享信道(Narrowband Physical Downlink Shared Channel,NPDSCH)用于傳播單播業(yè)務數(shù)據(jù)、尋呼消息以及隨機接入響應(Random Access Response,RAR)消息等,子幀結構和NPDCCH相同,資源映射方式也基本相同,如圖19和圖20所示。NPDSCH與NPDCCH時分復用。

圖17 Guardband/Standalone場景下的NPDCCH資源位置

Fig.17 NPDCCH resource location in Guardband/Standalone scenario

圖18 In-band場景下的NPDCCH資源位置

圖19 Guardband/Standalone場景下的NPDSCH資源位置

Fig.19NPDSCH resource location in Guardband/Standalone scenario

圖20 In-band場景下的NPDSCH資源位置

3.2.2 上行物理信號與信道

1)窄帶物理隨機接入信道(Narrowband Physical Random Access Channel,NPRACH)用于終端發(fā)起隨機接入請求,獲取上行同步及必要的調度信息。UE通過在NPRACH中發(fā)送RA Preamble(隨機接入前導碼)來完成隨機接入請求。RA Preamble在時域上統(tǒng)一占用8 ms,并支持重傳,最多可達128次[26]。NPRACH在頻域上占據(jù)45kHz,即12個子載波帶寬。NB-IoT的工作帶寬最多劃分為4個NPRACH band,如圖21所示。

圖21 NPRACH資源位置

2)窄帶物理上行共享信道(Narrowband Physical Uplink Shared Channel,NPUSCH)的作用是傳遞上行數(shù)據(jù)和控制信息,可使用Single-Tone和Multi-Tone方案傳輸。NPUSCH使用RU作為資源調度的基本單位,如表3所示。

3)上行解調參考信號(Demodulation Reference Signal,DMRS)用于信號的解調和同步測量。由于與NPUSCH復用,不同場景下DMRS的位置也不同,如圖22所示。

圖22 DMRS資源位置

4 NB-IoT信令流程

4.1 小區(qū)選擇與系統(tǒng)消息接收

UE開機入網(wǎng)的主要流程如圖23所示。當UE開機或進入覆蓋區(qū)域后,通過讀取系統(tǒng)消息SIB2獲得公共陸地移動網(wǎng)絡(Public Land Mobile Network,PLMN)列表。UE首先嘗試選擇上一次注冊過的PLMN進行注冊,如果失敗,則根據(jù)SIM卡信息選擇其他的PLMN,完成小區(qū)選擇和駐留。最后進行隨機接入及附著流程,完成入網(wǎng)。

圖23 UE開機入網(wǎng)流程

NB-IoT的系統(tǒng)消息由一個MIB和7個系統(tǒng)信息塊(System Information Blocks,SIBs)構成,分別稱為SIB1、SIB2、SIB3、SIB4、SIB5、SIB14、SIB16[27]。每個系統(tǒng)信息塊的主要參數(shù)如表4所示。

表4 NB-IoT系統(tǒng)消息構成

NB-IoT的系統(tǒng)消息調度關系如圖24所示。MIB消息由NPBCH承載,調度周期為640 ms,UE可直接在NPBCH上接收;SIB1在NPDSCH上發(fā)送,調度周期為2 560 ms,具體位置由MIB調度;而其他的SIB使用系統(tǒng)信息下發(fā),由SIB1調度映射到SI中[28-30]。

UE讀取系統(tǒng)消息流程如圖25所示。首先盲檢NPSS,完成下行時間和頻率的同步;然后盲檢NSSS,完成幀定時和PCI信息的獲取;獲取PCI后,UE可以知道小區(qū)的NRS信息,從而獲取小區(qū)的信號強度RSRP;同時,在完成下行同步后,UE通過盲檢NPBCH信道讀取MIB信息,得到SIB1的調度信息,再通過讀取NPBSCH獲得SIB1信息,最后通過SIB1獲取其他SIB信息。

2.4 年齡對圍產兒死亡發(fā)生影響 圍產兒死亡的發(fā)生率，在經產婦中隨年齡組的增高而增高， RR值更高。見表5。

圖24 系統(tǒng)信息調度關系

圖25 系統(tǒng)信息讀取流程

4.2 隨機接入

隨機接入是UE進行通信前,由UE向基站請求接入,收到基站響應,并由基站分配隨機接入信道的過程,目的是獲得上行的時頻資源以及時間同步。隨機接入的主要流程如圖26所示。

圖26 隨機接入流程

具體步驟如下:

1)UE通過SIB2獲取RACH相關配置信息,根據(jù)RSRP測量結果和SIB2中的門限值選擇對應的覆蓋等級向基站發(fā)起隨機接入請求(Msg1)。

2)基站收到Preamble ID后,根據(jù)其所在的時頻資源位置推算隨機接入無線網(wǎng)絡臨時標識(Random Access Radio Network Temporary Identifier,RA-RNTI)加擾NPDCCH,并在NPDSCH上發(fā)送隨機接入響應RAR(Msg2),包括TC-RNTI、UL grant等信息。UE通過RA-RNTI解調NPDCCH來獲取RAR在NPDSCH上的位置。

3)UE收到Msg2后,在RAR分配的資源上發(fā)送RRC Connection Request(Msg3),通過UL-SCH信道傳輸上行調度信息。

4)UE在發(fā)送Msg3后,啟動競爭解決定時器,接受競爭完成消息?；驹贛AC層進行競爭決議,下發(fā)Msg4,觸發(fā)信令無線承載(Signaling Radio Bearer,SRB1)和SRB1bis建立。UE通過TC-RNTI解調NPDCCH來獲取Msg4在NPDSCH上的位置。

5)UE完成SRB1bis無線資源配置,發(fā)送RRC connection complete消息給基站,完成隨機接入。

4.3 數(shù)據(jù)傳輸流程

NB-IoT支持控制面(Control Plane,CP)傳輸和用戶面(User Plane,UP)傳輸2種模式。

4.3.1 CP傳輸模式

由于UE大部分時間都是小包傳輸,并且發(fā)包間隔較長,為了節(jié)省開銷,提出了CP傳輸方案。CP傳輸模式無需建立DRB(Data Radio Bearer,數(shù)據(jù)無線承載),數(shù)據(jù)通過承載在SRB上的NAS協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Ptotocol Data Unit,PDU)進行傳輸。

CP模式傳輸流程如圖27所示。當處于空閑態(tài)的UE有上行數(shù)據(jù)要傳輸時,先向基站發(fā)起RRC連接建立請求,并將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過NAS PDU發(fā)送至基站;基站收到NAS PDU后,通過S1-AP Initial UE Message將其繼續(xù)轉發(fā)給移動管理實體(Mobility Management Entity,MME)。MME在檢查完整性及解密后,向服務網(wǎng)關(Serving GateWay,S-GW)發(fā)起承載修改請求;S-GW再將承載修改請求發(fā)至PDN網(wǎng)關(PDN GateWay,P-GW),請求處理完成后,給MME回復一條承載修改響應。

完成承載修改后,MME會把數(shù)據(jù)轉發(fā)給S-GW及P-GW,完成上行數(shù)據(jù)傳輸。當有下行數(shù)據(jù)傳輸時,MME將數(shù)據(jù)進行加密及完整性保護,通過下行S1-AP消息,將數(shù)據(jù)封裝在NAS中傳遞給基站?；纠^續(xù)通過RRC下行消息將數(shù)據(jù)發(fā)送至UE,并向MME發(fā)送一條通知消息,完成下行數(shù)據(jù)傳輸。在上下行傳輸完成后,基站會進行激活狀態(tài)檢測,如果沒有數(shù)據(jù)傳輸,則進入去激活狀態(tài),進行S1釋放流程,使終端重新進入空閑態(tài)。

圖27 CP傳輸模式流程

4.3.2 UP傳輸模式

UP傳輸模式流程如圖28所示。在隨機接入后,基站通過S1-AP初始信息將NAS請求轉發(fā)給MME。MME會進行資源分配,并通過S1-AP初始UE上下文建立請求消息發(fā)送至基站,基站收到后,通知UE發(fā)送安全模式配置及RRC連接重配置消息,配置完成后,基站通知MME空口的相關資源配置已經完成。接著MME向S-GW發(fā)送承載修改請求。完成承載修改后,即可進行上下行數(shù)據(jù)傳輸。

圖28 UP傳輸模式流程

如果一段時間內沒有數(shù)據(jù)發(fā)送,基站同樣會激活承載釋放流程,使UE回到空閑態(tài)?？紤]到UP面承載建立和釋放過程開銷較大,對NB-IoT小包業(yè)務來說效率較低,因此UP模式增加了掛起(Suspend)和釋放(Resume)流程,如圖29和圖30所示。UE在無數(shù)據(jù)傳輸時,基站緩存UE的AS上下行信息,使UE進入掛起狀態(tài)。處于掛起狀態(tài)的UE進行主被叫業(yè)務時,會通過Msg3發(fā)送Connection Resume Request通知基站退出RRC-IDLE狀態(tài),基站激活UE進入連接態(tài)。

圖29 Suspend流程

圖30 Resume流程

5 NB-IoT性能測試

為深入探究NB-IoT的實際應用性能,本節(jié)通過構建包含NB模塊、NB基站及后臺控制程序3個環(huán)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng),對NB-IoT的各方面性能進行實地測試,包括距離對信號質量的影響、距離對上下行吞吐量的影響、PING時延及半封閉環(huán)境下的穿透性等。

5.1 閉環(huán)測試系統(tǒng)

5.1.1 閉環(huán)測試系統(tǒng)架構

開發(fā)板與后臺程序所形成的閉環(huán)系統(tǒng)架構如圖31所示?；九cNB模塊建立連接之后,將模塊的發(fā)出請求或數(shù)據(jù)送至核心網(wǎng),由NB核心網(wǎng)將數(shù)據(jù)接入互聯(lián)網(wǎng),再通過路由,送至指定IP地址的后臺控制程序上。

圖31 閉環(huán)系統(tǒng)架構

5.1.2 NB模塊開發(fā)板以及后臺控制程序

測試采用移遠公司的bc95模塊開發(fā)板,如圖32所示。開發(fā)板采用stm32f103芯片,搭載基于華為公司Boudica 120芯片的NB模塊,利用Visual Studio編寫一款測試軟件。該軟件的主要功能是與NB模塊互聯(lián),下發(fā)命令獲取相應數(shù)據(jù),并通過界面顯示。軟件包含2個測試界面,分別如圖33和圖34所示。其中:圖33為子界面1,用于顯示NB基站及NB模塊信息,測試將RSRP和SNR作為主要指標;圖34為子界面2,用于測試NB模塊的上下行吞吐量以及PING時延。

圖32 NB模塊開發(fā)板實物圖

圖33 后臺控制界面1

圖34 后臺控制界面2

5.1.3 測試環(huán)境、測試指標及測試方案

測試選在某大學校區(qū)內進行。該校區(qū)內NB基站的分布如圖35所示。

圖35 NB基站分布

本文進行以下4個測試:

測試1測試NB模塊在距基站不同距離的信號強度,評估距離對信號質量的影響。

測試2測試NB模塊在距基站不同距離的下行吞吐量,以及Single-Tone、3.75 kHz子載波間隔下的上行吞吐量,評估距離對上下行吞吐量的影響。采用發(fā)送AT指令的方式直接查詢MAC層吞吐量。

測試3測試NB模塊在不同信號強度下的發(fā)送時延,評估信號強度對發(fā)送時延的影響。采用發(fā)送AT指令的方式查詢PING時延。發(fā)送一定字節(jié)數(shù)的數(shù)據(jù)包,立即查詢PING時延,顯示查詢結果。

測試4根據(jù)文獻[10]可知,NB-IoT具有深度室內穿透性能。本項測試選用一處半封閉干擾場景對以上3項指標進行測試,以檢驗NB-IoT的穿透性能。

5.2 實測數(shù)據(jù)

在進行測試1～測試3時,用NB模塊連接2個NB基站,代碼分別為733880和733882(下稱基站1、基站2),分別選擇距離基站50 m、100 m、150 m、200 m、250 m的5個點來測試上述3項指標。兩基站測試位置分別如圖36和圖37所示,其中標志點指示的測試點處于高大建筑群中,這對模塊的信號質量可能會產生一定影響。

圖36 基站1測試點位置

圖37 基站2測試點位置

測試1測試NB模塊的信號強度,評估距離對信號質量的影響。

在2個基站每個測試點分別進行10組測試,對測試結果取平均值,如表5所示。

表5 測試1實測數(shù)據(jù)

測試2測試NB模塊上下行吞吐量,評估距離對吞吐量的影響。

在2個基站每個測試點分別進行10組測試,對測試結果取平均值,如表6所示。

表6 測試2實測數(shù)據(jù)

測試3測試NB模塊的PING時延,評估信號強度對時延的影響。

在連接兩基站的各測試點分別進行10組測試,對測試結果取平均值,如表7所示。

表7 測試3實測數(shù)據(jù)

測試4測試NB模塊在半封閉環(huán)境下的信號質量,評估NB-IoT的穿透性能。

本項測試選用校區(qū)附近一處地鐵站的4個進站口作為測試點,每個測試點都在地面上以及進站后的地下半封閉環(huán)境分別測試,4個測試點及其所連接的基站位置如圖38所示。

圖38 測試4測試點位置

在4個測試點的地上、地下環(huán)境分別測試NB模塊的RSRP,SNR及PING時延3項指標。4個測試點均連接基站733885,在每個測試點對上述3項指標分別進行10組測試,將測試數(shù)據(jù)取平均值后得到如表8所示的測試數(shù)據(jù)。

表8 測試4實測數(shù)據(jù)

5.3 實驗結果分析

通過上述測試,可以得出以下結論:

1)由表5可以看出,當距基站250 m左右時,模塊仍保持-80 dbm～-70 dbm的信號強度。此外也可以看出,在與基站距離相近的情況下,高大建筑群對信號質量有一定影響。

2)在一定距離內,模塊的上下行速率比較穩(wěn)定,下行處于13 kb/s～18 kb/s之間,上行吞吐量約為4 kb/s左右,這與文獻[11]中62.5 kb/s的上行峰值速率有較大差距。主要原因是測試中NB模塊使用Single-Tone及3.75 kHz子載波間隔進行上行傳輸,而文獻[11]中的數(shù)據(jù)是在Multi-Tone,以及12個子載波同時調度的模式下計算出的峰值速率。另根據(jù)文獻[18]中對NB-IoT鏈路速率的計算,在Single-Tone及3.75 kHz子載波間隔下,上行速率為3.65 kb/s～4.08 kb/s之間,與本次測試結果基本吻合。

3)在一定距離內,模塊的PING時延比較穩(wěn)定,約在350 ms～380 ms之間。這與文獻[31]中NB-IoT的業(yè)務態(tài)單向時延測試所得的400 ms的數(shù)據(jù)基本一致。

4)在干擾較強的地下場景,NB模塊的信號質量受到較大影響,信號的RSRP,SNR等性能指標都有不同程度的下降。其中RSRP下降20 dB左右,這與文獻[18]中對室外場景的覆蓋分析給出的城市墻體穿透損耗為17 dB～-25 dB的數(shù)據(jù)基本吻合,也說明NB-IoT在建筑物內部覆蓋的實際效果一般,今后需著重研究增強覆蓋的其他措施。

6 結束語

本文介紹NB-IoT技術的相關知識,包括標準化歷程、技術特點、物理層結構、主要信令流程等,并對其實地性能進行測試。目前的NB-IoT技術在數(shù)據(jù)安全與傳輸可靠性方面還存在不足,但其在低速率、高時延、低頻次以及弱移動性[32-33]場景下表現(xiàn)非常突出。下一步將在本文基礎上,研究NB-IoT與Zigbee、WiFi等無線通信技術的融合與集成方法。