殷武峰

中國(guó)鐵塔股份有限公司江西分公司 江西南昌 330000

1 NB-iot的演近史

NB-iot作為低速物聯(lián)網(wǎng)的一種通信方式，主要適用于需要頻繁傳輸且傳輸數(shù)據(jù)量少的場(chǎng)景，將會(huì)在以下領(lǐng)域大放異彩：以物品追蹤、智能停車、智能抄表為代表的智能生產(chǎn)、智能城市、智能家居等。2014年華為與英國(guó)沃達(dá)豐共同提出NB-M2M（Machine to Machine）。同年7月，美國(guó)高通和華為提出NB-OFDMA融合解決方案。即下行采用15kHz子載波。2015年5月左右，在沃達(dá)豐、高通和華為等公司成立工作組后，真正融入該技術(shù)，將LTE-M演化為 Cellular IOT，命名為 NB-CIoT（Narrow Band Cellular IoTInternet of Things using3GPP technology）。2015 年 7 月，NB_LTE跟NB-CIoT進(jìn)一步融合形成NB-iot。最終在2015年9月的RAN#69會(huì)議，全會(huì)達(dá)成統(tǒng)一，NB-iot（Narrow Band IoT）是NB-CIoT和NB-LTE兩個(gè)技術(shù)方案的融合[1]。

2 NB-iot關(guān)鍵技術(shù)

2.1 低成本技術(shù)方案

（1）采用新物理層方案，從而降低器件復(fù)雜度。主要有多址技術(shù)：上行采用SC-FDMA，下行采用OFD鄄MA；子載波帶寬：上行3.75kHz/15kHz，下行15kHz；發(fā)射功率上行23dBm，下行43dBm；幀長(zhǎng)度上下行均是1ms；符號(hào)重復(fù)最大次數(shù)上下行均是32；TTI長(zhǎng)度上行1ms/8ms，下行1ms。

（2）采用新硬件結(jié)構(gòu)，從而裁剪不必要的硬件。相對(duì)于Cat-4、Cat-0，NB-iot簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，芯片的配置及復(fù)雜度降低。

（3）采用新空口協(xié)議，從而降低芯片運(yùn)算開(kāi)銷。通過(guò)協(xié)議棧優(yōu)化，減少了在芯片協(xié)議棧處理流程的開(kāi)銷。

除了上述措施，還可以通過(guò)優(yōu)化RF和信號(hào)處理器、規(guī)模效應(yīng)、僅僅支持單一的無(wú)線接入技術(shù)、支持單一頻率、降低CMOS晶體管的成本等措施進(jìn)一步降低成本。

2.2 提高電池壽命的技術(shù)-節(jié)電工作模式

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用一項(xiàng)重要指標(biāo)是低功耗特性，對(duì)于一些不能經(jīng)常更換電池的設(shè)備和場(chǎng)合尤為重要，如安置在高山荒野偏遠(yuǎn)地區(qū)中的各類傳感監(jiān)測(cè)設(shè)備，長(zhǎng)達(dá)幾年的電池使用壽命是最本質(zhì)的需求，因?yàn)樗鼈儾豢赡芟裰悄苁謾C(jī)一天一充電。新增的“節(jié)電”工作模式剛好滿足這一需求。在這種模式下，終端仍在網(wǎng)絡(luò)中注冊(cè)，但信令無(wú)法到達(dá)，因此終端可以長(zhǎng)時(shí)間處于深度睡眠狀態(tài)以節(jié)省功耗。在周期性TAU為10min，每周對(duì)設(shè)備上傳一次數(shù)據(jù)的條件下，兩節(jié)5號(hào)電池就可以使用132月（大約11年之久）。

2.3 覆蓋增強(qiáng)技術(shù)

（1）上行功率譜密度增強(qiáng)約7dB。以典型IOT設(shè)備（功率23dBm）為例，上行3.75kHz子載波，相對(duì)于LTE上行180kHz，提升7dB功率譜密度。

（2）重復(fù)傳輸（Repetition）。通過(guò)將信號(hào)碼元的傳輸時(shí)間延長(zhǎng)，雖然使信息的傳輸速率降低，但是其在編碼或者譯碼上的可靠性得到提高，尤其是在低信噪比的接收環(huán)境下。除此之外，還可以通過(guò)放寬性能要求、部署Small Cell基站、設(shè)計(jì)新的信號(hào)和信道結(jié)構(gòu)來(lái)增加覆蓋范圍。

2.4 低消耗關(guān)鍵技術(shù)

NB-iot集中在小數(shù)據(jù)、小速率等方面的應(yīng)用，因此，NB-iot消耗十分低，其終端待機(jī)時(shí)間能夠持續(xù)10年。NB-iot借助PSM技術(shù)與EDRX技術(shù)以保證設(shè)備時(shí)刻在線，并可以避免不必要的信令傳輸，以及PSM狀態(tài)下不接收尋呼信息。

（1）PSM技術(shù)。借助PSM技術(shù)可關(guān)閉終端射頻，此時(shí)與關(guān)機(jī)狀態(tài)類似，不接收尋呼信息，也不接收業(yè)務(wù)呼叫，下行處于不可達(dá)狀態(tài)。該階段，若有數(shù)據(jù)信息送達(dá)到了MME中，MME會(huì)傳遞給SGW緩存數(shù)據(jù)同時(shí)延遲尋呼。若上行需要發(fā)送信令或者數(shù)據(jù)，此時(shí)終端需要退出PSM狀態(tài)，同時(shí)觸發(fā)隨機(jī)連接狀態(tài)。由于此時(shí)終端仍處于在線狀態(tài)，因此用戶上下文仍然保留在核心側(cè)，而不需要再建立或者附著PDN。即是說(shuō)，PSM技術(shù)能夠保證用戶仍然處于在線狀態(tài)但是信令不可傳遞，該狀態(tài)下終端處于類似于關(guān)機(jī)的睡眠狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)省電目標(biāo)[2]。

（2）EDRX技術(shù)。EDRX技術(shù)是3GPP P13引進(jìn)的新技術(shù)。在R13前便已經(jīng)存在DRX技術(shù)，而EDRX技術(shù)是DRX技術(shù)的升級(jí)加強(qiáng)版，其支持的尋呼時(shí)間更長(zhǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)省電目的。具體來(lái)看，DRX技術(shù)屬于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中十分成熟的技術(shù)，其自2G時(shí)代開(kāi)始，歷經(jīng)了3G、4G，到如今的5G時(shí)代仍然在使用，DRX技術(shù)可以讓終端設(shè)備某些情況下進(jìn)入休眠中，不用監(jiān)聽(tīng)PDCCH子幀。當(dāng)需要監(jiān)聽(tīng)時(shí)就會(huì)從休眠狀態(tài)下醒來(lái)。

終端根據(jù)是否需要傳送數(shù)據(jù)將其劃分為空間狀態(tài)與連接狀態(tài)。UE在某個(gè)區(qū)域進(jìn)入空閑狀態(tài)時(shí)，之后隨機(jī)接入后又可以馬上轉(zhuǎn)換為連接狀態(tài)?？臻e狀態(tài)主要功能是監(jiān)聽(tīng)尋呼，但是DRX技術(shù)下無(wú)需實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)，終端只需要監(jiān)聽(tīng)?zhēng)в袑ず魳?biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)即可。DRX周期內(nèi)只需要進(jìn)行1次尋呼接收即可，故而，周期越長(zhǎng)越省電。加強(qiáng)升級(jí)版的EDRX技術(shù)尋呼周期較DRX技術(shù)更長(zhǎng)，也因此更加省電[3]。

3 NB-iot應(yīng)用場(chǎng)景

NB物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以滿足低功耗、長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間、覆蓋深度、大容量、低速率服務(wù)的要求。它更適合于靜態(tài)業(yè)務(wù)、對(duì)時(shí)延低靈敏度、不連續(xù)的移動(dòng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景。NB-iot廣泛應(yīng)用于多種垂直行業(yè)，如智慧物流、資產(chǎn)跟蹤、智能停車、智慧農(nóng)業(yè)等。比如福建好運(yùn)聯(lián)聯(lián)已率先將NB-iot技術(shù)應(yīng)用到物流行業(yè)；自主研發(fā)車載寶智慧物流系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集人、車、貨全方位數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)可預(yù)警、可回溯、異常狀態(tài)一目了然。此外，在農(nóng)業(yè)和環(huán)境方面，如農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、畜牧業(yè)、空氣實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；在移動(dòng)支付、智能社區(qū)、智能家居、文物保護(hù)等其他應(yīng)用領(lǐng)域。NB物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳感器相結(jié)合，外殼全密封，成本低，散落在野外、水下、山林中，只要網(wǎng)絡(luò)覆蓋到位，就能幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上一個(gè)大臺(tái)階。對(duì)于近郊和部分已覆蓋區(qū)域，NB物聯(lián)網(wǎng)可以極大地改善水產(chǎn)業(yè)、溫室、花卉等高附加值的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和流通領(lǐng)域。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，NB-iot技術(shù)填補(bǔ)了以往無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)程、大規(guī)模、廣泛部署的技術(shù)空白，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重大突破，快速確立的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為其進(jìn)入商用階段也奠定了良好的基礎(chǔ)。工信部也給出了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)。堅(jiān)定了運(yùn)營(yíng)商推動(dòng)NB-iot基站建設(shè)的決心。因此，應(yīng)積極進(jìn)行NB-iot技術(shù)研究與創(chuàng)新，更好地推進(jìn)NB-iot的發(fā)展，促使全球通信的發(fā)展。