NB-IoT技术揭秘 NB-IoT从概念到应用详解

黎峰吖

　　一、NB-IoT是什么

　　为了应对日渐强烈的物联网需求，于是国际移动通信标准化组织3GPP决定制订一个新的蜂窝物联网(CIOT：Cellular Internet of Thing)的标准。

　　这个新标准要实现四个目标：

　　超强覆盖，相对于原来GPRS系统，增加20dB的信号增益

　　超低功耗，终端节点要能达到10年的电池寿命

　　超低成本，终端芯片的目标定价为1美元，模块定价为2美元

　　超大连接，200kHz小区容量可达100k用户设备

　　针对这些目标，很多通信公司及运营商都提出了自己设计的空中接口的建议方案，希望被3GPP标准化组织采纳为正式标准。在2015年9月的RAN #69会议上，经过一番激烈PK，最终确定了蜂窝物联网的空中接口方案为NB-IoT。

　　这个NB-IoT空口标准是由华为、高通、沃达丰主导的NB-CloT建议以及爱立信、诺基亚主导的NB-LTE建议融合而成，其中NB-CIoT的成分要更多一些，换句话说就是华为和高通在NB-IoT领域所拥有的核心专利数量更多。

　　二、NB-IoT关键知识点

　　NB-IoT是一个空中接口标准，这个标准主要是在终端与基站eNB之间的约定，包括物理层与数据链路层的一些设计规定。

　　考虑到与LTE的兼容性，NB-IoT标准与LTE的空口标准有很多相同或相似之处。比如NB-IoT沿用LTE定义的频段号，Release 13为NB-IoT指定了14个频段。

　　NB-IoT的多址技术，上行采用SC-FDMA，下行采用OFDMA;下行发射功率为43dBm, 上行为23dBm。调制方式以QPSK和BPSK为主。

　　Release 13 NB-IoT仅支持FDD半双工type-B模式，FDD意味着上行和下行在频率上分开，半双工意味着UE不会同时处理接收和发送。

　　CIoT的接入网构架与LTE一样，没有改变。eNB同样是通过S1接口连接到MME(Mobility Management Entity)和S-GW(Serving GateWay)。如果要说CIoT接入网与LTE有何不同，那就是S1接口上传送的是NB-IoT消息和数据。

　　三、NB-IoT如何实现低功耗

　　NB-IoT比起GPRS来说，最大的特点是低功耗。除了本身NB-IoT的传输速率比较低以外，NB-IoT 引入了eDRX省电技术和PSM省电模式，也是省电的主要原因。

　　在PSM模式下，NB-IoT终端仍旧注册在网，但不接受信令，从而使终端更长时间驻留在深睡眠以达到省电的目的。

　　另外eDRX省电技术延长终端在空闲模式下的睡眠周期，减少信号接收单元不必要的启动。总的来说，这些措施就是让终端的睡眠时间更多，睡眠质量更好，从而功耗也就更低。

　　四、NB-IoT如何部署

　　NB-IoT占用180KHz带宽，这与在LTE帧结构中一个资源块的带宽是一样的。NB-IoT有以下三种可能的部署方式：

　　1)独立部署(Stand alone operation)

　　适用于重耕GSM频段。GSM的信道带宽为200KHz，这对NB-IoT 180KHz的带宽足够了，两边还留出来10KHz的保护间隔。

　　2)保护带部署(Guard band operation)

　　适用于LTE频段。利用LTE频段边缘的保护频带来部署NB-IoT。

　　3)带内部署(In-band operation)

　　适用于LTE频段。直接利用LTE载波中间的资源块来部署NB-IoT。

　　五、NB-IoT的应用

　　对于远距离高速数据传输，LTE网络以及未来的5G网络可以满足这方面的需求;而对于远距离低速数据传输，特别是非实时低频次数据传输，则是NB-IoT系统的用武之地。

　　NB-IoT非常适合应用于无线抄表(Metering)、传感跟踪(Sensor Tracking)这些领域，通过物联网技术在这些领域的实施，可以大大降低管理成本，让网络管理者可以随时掌握各种运营数据。

　　随着三大运营商在国内积极推进NB-IoT网络的基础设施建设，以及NB-IoT芯片的成本降低，我们将会看到越来越多NB-IoT的应用落地。

　　虽然NB-IoT技术面临着像LoRa技术的竞争，但在国内，我相信NB-IoT技术一定会成为物联网领域的最主流技术。

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