NB-IoT技術(shù)深度解析

圖2 NB-IoT的3種不同部署方式

獨立部署模式：可以利用單獨的頻帶，適合用于GSM頻段的重耕;Guard-band模式：可以利用LTE系統(tǒng)中邊緣無用頻帶;

帶內(nèi)模式：可以利用LTE載波中間的任何資源塊。

RF帶寬180kHz(上行/下行)(考慮兩邊保護帶，也被描述為200kHz)。

下行：OFDMA，子載波間隔15kHz。

上行：SC-FDMA，Single-tone：3.75kHz/15kHz，Multi-tone：15kHz。

僅需支持半雙工。

終端支持對Single-tone和Multi-tone能力的指示。

MAC/RLC/PDCP/RRC層處理基于已有的LTE流程和協(xié)議，物理層進行相關(guān)優(yōu)化。

設(shè)計單獨的同步信號。

TR45.820中對速率的預期指標要求是上下行至少支持160kbps，目前NB-IoT速率預估的范圍為下行小于250kbps，上行小于250kbps(Multi-tone)/20kbps(Single-tone)。

根據(jù)TR45.820中典型業(yè)務模型下的仿真測試數(shù)據(jù)，單小區(qū)可支持5萬個NB-IoT終端接入。

終端模塊的成本對于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展至關(guān)重要，特別是巨量接入的物聯(lián)網(wǎng)應用場景，而NB-IoT模塊的成本預估可控制在5美金以內(nèi)，甚至更低。

(2)覆蓋增強、低時延敏感

根據(jù)TR45.820的仿真數(shù)據(jù)，可以確定在獨立部署方式下，NB-IoT覆蓋能力應也可達164dB，帶內(nèi)部署和保護帶部署還有待仿真測試。

NB-IoT為實現(xiàn)覆蓋增強采用了重傳(可達200次)和低階調(diào)制等機制，目前是否NB-IoT不需支持16QAM仍在被討論中。

同時在耦合耗損達164dB的環(huán)境下，如果提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，由于大量數(shù)據(jù)重傳將導致時延增加，TR45.820中仿真測試了異常報告業(yè)務場景、保證99%可靠性、不同耦合耗損環(huán)境下的時延(區(qū)分有無頭壓縮)，結(jié)果如表3所示。

表3 異常報告業(yè)務場景、保證99%可靠性、不同耦合耗損環(huán)境下的時延

目前3GPP IoT設(shè)想允許時延約為10s，但實際可以支持更低時延，如6s左右(最大耦合耗損環(huán)境)，更詳細可查閱TR45.820中NB-CIoT的仿真結(jié)果。

(3)不支持連接態(tài)的移動性管理

NB-IoT最初就被設(shè)想為適用于移動性支持不強的應用場景(如智能抄表、智能停車)，同時也可簡化終端的復雜度、降低終端功耗，Rel-13中NB-IoT將不支持連接態(tài)的移動性管理，包括相關(guān)測量、測量報告、切換等。

(4)低功耗

NB-IoT借助PSM和eDRX可實現(xiàn)更長待機。其中PSM(Power Saving Mode，節(jié)電模式)技術(shù)是Rel-12中新增的功能，在此模式下，終端仍舊注冊在網(wǎng)但信令不可達，從而使終端更長時間駐留在深睡眠以達到省電的目的。eDRX是Rel-13中新增的功能，進一步延長終端在空閑模式下的睡眠周期，減少接收單元不必要的啟動，相對于PSM，大幅度提升了下行可達性。PSM和eDRX節(jié)電機制如圖3所示：

圖3 PSM和eDRX節(jié)電機制

NB-IoT目標是對于典型的低速率、低頻次業(yè)務模型，等容量電池壽命可達10年以上。根據(jù)TR45.820的仿真數(shù)據(jù)，在耦合耗損164dB的惡劣環(huán)境，PSM和eDRX均部署，如果終端每天發(fā)送一次200byte報文，5瓦時電池壽命可達12.8年，如表4所示：

表4 集成PA的電池壽命估算

5、基于NB-IoT的主要業(yè)務舉例

考慮NB-IoT的特性， NB-IoT技術(shù)可滿足對低功耗/長待機、深覆蓋、大容量有所要求的低速率業(yè)務;同時由于對于移動性支持較差，更適合靜態(tài)業(yè)務場景或非連續(xù)移動、實時傳輸數(shù)據(jù)的業(yè)務場景，并且業(yè)務對時延低敏感，可以考慮的業(yè)務類型如下：

(1)自主異常報告業(yè)務類型。如煙霧報警探測器、智能電表停電的通知等，上行數(shù)據(jù)極小數(shù)據(jù)量需求(十字節(jié)量級)，周期多以年、月為單位。

(2)自主周期報告業(yè)務類型。如智能公用事業(yè)(煤氣/水/電)測量報告、智能農(nóng)業(yè)、智能環(huán)境等，

上行較小數(shù)據(jù)量需求(百字節(jié)量級)，周期多以天、小時為單位。

(3)網(wǎng)絡(luò)指令業(yè)務類型。如開啟/關(guān)閉、設(shè)備觸發(fā)發(fā)送上行報告、請求抄表，下行極小數(shù)據(jù)量需求(十字節(jié)量級)，周期多以天、小時為單位。

(4)軟件更新業(yè)務類型。如軟件補丁/更新，上行下行較大數(shù)據(jù)量需求(千字節(jié)量級)，周期多以天、小時為單位。

華為已與全球多家運營商在中國、德國、西班牙、阿聯(lián)酋等國共同完成了基于NB-IoT技術(shù)智能水表、智能停車、智能垃圾箱業(yè)務的功能驗證。

其中沃達豐和華為于2015年底在西班牙完成了NB-IoT預標準的第一個試商用測試，成功地將NB-IoT技術(shù)整合到沃達豐現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)送NB-IoT消息給水表中的物聯(lián)網(wǎng)模塊，水表的放置環(huán)境通常在壁櫥等隱蔽環(huán)境，且水表無法外接電源，NB-IoT可有效解決覆蓋及功耗等問題。

華為與中國聯(lián)通、中國移動也均已開始商用測試和合作，其中2015年MWC，華為聯(lián)合上海聯(lián)通部署首個基于商用網(wǎng)絡(luò)的智能停車實驗網(wǎng)絡(luò)。由于NB-IoT標準化未完成，目前的試商用都是非標的方案，不過與最終凍結(jié)的標準NB-IoT業(yè)務效果相比，差異應該并不大。

6、結(jié)語

NB-IoT是技術(shù)演進和市場競爭的綜合產(chǎn)物，由于未來的市場被一致看好，設(shè)備廠商在標準制定過程中曾激烈爭奪話語權(quán)，但預期達到的特性指標仍是基本一致的，標準也仍在加速制定中。

目前產(chǎn)業(yè)鏈也在積極地開展試驗測試及試商用，在不遠的將來，NB-IoT將很可能被廣泛應用在不同的垂直行業(yè)，并就此開啟萬物互連的新領(lǐng)域、新時代。