【摘要】我國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，推動(dòng)了覆蓋增強(qiáng)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)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(guó)現(xiàn)有的授權(quán)頻譜資源當(dāng)中，這種覆蓋性很廣，傳輸速率很高的廣域網(wǎng)無(wú)線傳輸技術(shù)很大程度上滿足了我國(guó)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的各種需求。本篇文章就通過(guò)分析NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)覆蓋技術(shù)的主要特點(diǎn)，對(duì)于這種技術(shù)的仿真進(jìn)行了評(píng)估，希望可以對(duì)我國(guó)今后的物聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)提供一些參考性的建議。

【關(guān)鍵詞】覆蓋增強(qiáng)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(diǎn)概述

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，世界已經(jīng)迎來(lái)了大數(shù)據(jù)和智能化的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。因此，必須加快建設(shè)新一代的信息基礎(chǔ)設(shè)施，促進(jìn)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(dòng)性、安全性和廣泛性的新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施，促進(jìn)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(lái)了極大的便利，促進(jìn)了社會(huì)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(duì)互聯(lián)網(wǎng)性能的要求越來(lái)越高，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)需求也越來(lái)越強(qiáng)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L(zhǎng)PWAN（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(shí)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(shí)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(biāo)為155.7dB，在FDD LTE的基礎(chǔ)上增加了15dB，比NB-IoT的覆蓋率目標(biāo)低約8dB。eMTC是LTE的增強(qiáng)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(guò)重傳和跳頻技術(shù)增強(qiáng)了覆蓋度。在3GPP標(biāo)準(zhǔn)中，其最大重復(fù)次數(shù)可達(dá)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(guò)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(dá)到了164dB。

在3GPP第69次RAN全會(huì)上，NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）通過(guò)立項(xiàng)。根據(jù)立項(xiàng)文檔，3GPP標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃在2016年6月份完成凍結(jié)，2016年第4季度進(jìn)行外場(chǎng)測(cè)試，2017年上半年實(shí)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(gè)PRB寬帶和我國(guó)現(xiàn)有LTE系統(tǒng)當(dāng)中的寬帶是完全相同的。對(duì)于這種物聯(lián)網(wǎng)覆蓋技術(shù)自身的下行來(lái)說(shuō)，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?yè)碛腥碌奈锢硇诺酪约靶盘?hào)，對(duì)下行的PBCH、PDSCH和PDCCH通常都是用單一的TM傳輸模式。同時(shí)這種物聯(lián)網(wǎng)覆蓋技術(shù)采用了半雙工的工作機(jī)制，避免了PA和LNA的同時(shí)工作，降低系統(tǒng)的瞬時(shí)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(duì)終端的小型化需求，也可以降低企業(yè)整個(gè)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(wèn)題。為了能盡快利用好我國(guó)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(dú)立部署（Stand alone），保護(hù)帶部署（Guard band）和帶內(nèi)部署（In-band）三種部署方案。

二、對(duì)于NB-IoT計(jì)劃實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)

這種物聯(lián)網(wǎng)覆蓋技術(shù)可以很好地實(shí)踐廣域覆蓋以及深度覆蓋，在利用我國(guó)較為傳統(tǒng)的GPRS技術(shù)之上，可以提高將近20dB的信號(hào)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(hào)盲區(qū)，可以為智慧城市提供信號(hào)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(duì)其提出的各種要求，對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)還可以降低整個(gè)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(shí)現(xiàn)了資源的節(jié)約，真正做到了低功耗，低能耗的要求。當(dāng)這種技術(shù)處于低功耗模式時(shí)，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(zhǎng)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(guó)現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)的評(píng)估分析主要包括對(duì)數(shù)據(jù)速率的分析，發(fā)射機(jī)發(fā)射功率，接收機(jī)接收噪聲系統(tǒng)等系統(tǒng)的分析，再加上接收機(jī)噪聲的若干系數(shù)和干擾余量，使得這種技術(shù)接收機(jī)自身的靈敏度完全等于一個(gè)有效的噪聲功率加上所需要的信噪比，使得接收機(jī)處于增益狀態(tài)。

在MCL的使用方法上，首先，對(duì)于基站每200KHz發(fā)射功率，每個(gè)信道的取值不盡相同;在終端發(fā)射功率的過(guò)程當(dāng)中，數(shù)值上顯示為23;在熱噪聲功率密度顯示過(guò)程當(dāng)中，數(shù)值顯示為-174;對(duì)于終端接收機(jī)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(píng)估，主要用于控制信道和業(yè)務(wù)信道，其中各個(gè)信道的BLER應(yīng)保持在10%。

與我國(guó)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(qiáng)的要求只有通過(guò)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(qiáng)的要求，因此對(duì)其覆蓋進(jìn)行模擬是非常重要的。

四、NB-IoT覆蓋增強(qiáng)技術(shù)

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強(qiáng)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(guó)居民對(duì)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(gè)企業(yè)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，本篇文章就研究及下幾點(diǎn)方面。

NB-IoT的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在GPRS上增加20dB。以144dB作為GPRS最大耦合損耗，NB-IoT設(shè)計(jì)到164dB。下行鏈路的最大耦合損耗主要取決于增加每個(gè)信道重傳的最大數(shù)量，以提高覆蓋率。而其上行覆蓋增強(qiáng)主要來(lái)自兩個(gè)方面。首先，在有限的覆蓋條件下，可以通過(guò)單個(gè)子載波傳輸信號(hào)，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(shí)現(xiàn)約17dB帶寬。增加上行信道的最大重傳次數(shù)，以達(dá)到增強(qiáng)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(qiáng)技術(shù)的整體效率首先要進(jìn)行重復(fù)性傳輸，延長(zhǎng)整個(gè)信號(hào)碼元的整體傳輸時(shí)間。碼元的重復(fù)傳輸其實(shí)是一種簡(jiǎn)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(duì)于解調(diào)和譯碼來(lái)說(shuō)，卻明顯地提升了可靠度。尤其是對(duì)于低信噪比的環(huán)境來(lái)說(shuō)，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(cuò)誤的概率，一般會(huì)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(cuò)的概率，重復(fù)傳輸達(dá)到三次時(shí)，譯碼的出錯(cuò)概率則降低到了0.028。如果重復(fù)傳輸次數(shù)達(dá)到了五次，那么譯碼錯(cuò)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(cuò)誤發(fā)生概率越來(lái)越低。

由于本篇文章研究的物聯(lián)網(wǎng)增強(qiáng)技術(shù)自身業(yè)務(wù)需求速率相對(duì)較低，所以當(dāng)系統(tǒng)處于100bps時(shí)，就可以最大限度的滿足業(yè)務(wù)對(duì)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(yàn)碼。除此之外，該物聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強(qiáng)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(shì)主要就是可以盡可能降低系統(tǒng)對(duì)信噪比的要求。相比于GPRS的卷積碼，對(duì)于距離大約有4dB的增強(qiáng)。

對(duì)于我國(guó)現(xiàn)階段的互聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)來(lái)講，這種技術(shù)可以更好的支持低速率的業(yè)務(wù)，通過(guò)利用碼元的重復(fù)傳輸，降低了傳輸過(guò)程當(dāng)中對(duì)信噪比的要求和譯碼出錯(cuò)的概率，對(duì)于整個(gè)覆蓋增強(qiáng)有著重要的促進(jìn)作用，也是作為覆蓋增強(qiáng)技術(shù)的重要手段之一。

五、仿真以及評(píng)估結(jié)果概述

根據(jù)3GPP的研究提案并通過(guò)工作研究。我們對(duì)單個(gè)運(yùn)營(yíng)商的獨(dú)立部署情景進(jìn)行了模擬。其結(jié)果如下：對(duì)于M-PBCH，模擬使用了32次重復(fù)傳輸，其中BLER控制在10%的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的SNR為-6.5dB。對(duì)于M-PDSCH，解碼錯(cuò)誤率主要測(cè)試經(jīng)過(guò)18次的重復(fù)傳輸，其中BLER控制在10%的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的SNR為-6.4dB，對(duì)應(yīng)的M-PDSCH為3.7kbps 。對(duì)于M-EPDCCH，模擬使用了18次重復(fù)傳輸，其中BLER控制在10%的時(shí)候，對(duì)于的SNR為-6.1dB。對(duì)于M-PUSCH，使用單載波傳輸，傳輸時(shí)間為2160ms，其中BLER控制字10%的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的SNR為-5.8dB，對(duì)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(shì)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(jìn)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(dòng)性、安全性和廣泛性的新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施，促進(jìn)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(jì)，具有功耗低、覆蓋面廣的特點(diǎn)。本篇文章通過(guò)深入分析NB-IoT覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，在相同的帶寬、LTE和NB-IoT覆蓋的比較和分析，促進(jìn)NB-IoT在物聯(lián)網(wǎng)新時(shí)代的應(yīng)用前景更加廣闊。

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作者簡(jiǎn)介：王長(zhǎng)金（1989-），男，安徽六安，中級(jí)工程師，學(xué)士，上海奧藍(lán)迪物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司，企業(yè)管理。