NB—IoT系统现状与发展

张万春+陆婷+高音

通过与现有长期演进（LTE）系统对比，认为窄带物联网（NB-IoT）在物理层、空口高层、接入网、核心网引入的各项优化特性能够很好地满足物联网低功耗、低成本、深度覆盖的典型需求。NB-IoT在标准体系统一、扩展能力上具有巨大优势，必将成为物联网技术及产业链发展、物联网应用在全球部署的有力推动者。

NB-IoT；网络架构；系统特性

By comparing with the existing long term evolution （LTE） system， we believe that the various optimization characteristics in physical layer， interface level， access network， core network of narrowband Internet of things （NB-IoT） can well meet the typical needs （ low-power， low-cost， depth-coverage） of IoT. With the advantages like unified standard system and easy to expand， NB-IOT will accelerate industry chain progress and enable more business opportunities.

NB-IoT； network architecture； system characteristics

物聯网应用发展已经超过10年，但采用的大多是针对特定行业或非标准化的解决方案，存在可靠性低，安全性差，操作维护成本高等缺点。基于多年的业界实践可以看出，物联网通信能否成功发展的一个关键因素是标准化。与传统蜂窝通信不同，物联网应用具有支持海量连接数、低终端成本、低终端功耗和超强覆盖能力等特殊需求。这些年来，不同行业和标准组织制订了一系列物联网通信方面的标准，例如针对机器到机器（M2M）应用的码分多址（CDMA）2000优化版本，长期演进（LTE）R12和R13的低成本终端category0及增强机器类型通信（eMTC），基于全球移动通信系统（GSM）的物联网（IoT）增强等，但从产业链发展以及技术本身来看，仍然无法很好满足上述物联网应用需求。其他一些工作于免授权频段的低功耗标准协议，如：LoRA、Sigfox、Wi-Fi，虽然存在一定成本和功耗优势，但在信息安全、移动性、容量等方面存在缺陷，因此，一个新的蜂窝物联网标准需求越来越迫切。

在这个背景下，第3代合作伙伴计划（3GPP）于2015年9月正式确定窄带物联网（NB-IoT）标准立项[1]，全球业界超过50家公司积极参与，标准协议核心部分在2016年6月宣告完成，并正式发布基于3GPP LTE R13版本的第1套NB-IoT标准体系。随着NB-IoT标准的发布，NB-IoT系统技术和生态链将逐步成熟，或将开启物联网发展的新篇章。

NB-IoT系统预期能够满足在180 kHz的传输带宽下支持覆盖增强（提升20 dB的覆盖能力）、超低功耗（5 Wh电池可供终端使用10年）、巨量终端接入（单扇区可支持50 000个连接）的非时延敏感（上行时延可放宽到10 s以上）的低速业务（支持单用户上下行至少160 bit/s）需求。NB-IoT基于现有4G LTE系统对空口物理层和高层、接入网以及核心网进行改进和优化，以更好地满足上述预期目标。

1 NB-IoT网络架构

NB-IoT系统采用了基于4G LTE/演进的分组核心网（EPC）网络架构，并结合NB-IoT系统的大连接、小数据、低功耗、低成本、深度覆盖等特点对现有4G网络架构和处理流程进行了优化。

NB-IoT的网络架构如图1所示，包括：NB-IoT终端、演进的统一陆地无线接入网络（E-UTRAN）基站（即eNodeB）、归属用户签约服务器（HSS）、移动性管理实体（MME）、服务网关（SGW）、公用数据网（PDN）网关（PGW）、服务能力开放单元（SCEF）、第三方服务能力服务器（SCS）和第三方应用服务器（AS）。和现有4G网络相比，NB-IoT网络主要增加了业务能力开放单元（SCEF）来优化小数据传输和支持非IP数据传输。为了减少物理网元的数量，可以将MME、SGW和PGW等核心网网元合一部署，称之为蜂窝物联网服务网关节点（C-SGN）[2]。

为了适应NB-IoT系统的需求，提升小数据的传输效率，NB-IoT系统对现有LTE处理流程进行了增强，支持两种优化的小数据传输方案，包括控制面优化传输方案和用户面优化传输方案。控制面优化传输方案使用信令承载在终端和MME之间进行IP数据或非IP数据传输，由非接入承载提供安全机制；用户面优化传输方案仍使用数据承载进行传输，但要求空闲态终端存储接入承载的上下文信息，通过连接恢复过程快速重建无线连接和核心网连接来进行数据传输，简化信令过程。

2 NB-IoT系统特性

2.1 NB-IoT物理层特性

NB-IoT系统支持3种操作模式：独立操作模式、保护带操作模式及带内操作模式[3]。

·独立操作模式：利用目前GSM/EDGE无线接入网（GERAN）系统占用的频谱，替代已有的一个或多个GSM载波。

·保护带操作模式：利用目前在LTE载波保护带上还没有使用的资源块。

·带内操作模式：利用LTE载波内的资源块。

（1）NB-IoT下行链路

NB-IoT系统下行链路[4]的传输带宽为180 kHz，采用了现有LTE相同的15 kHz的子载波间隔，下行多址方式（采用正交频分多址（OFDMA）技术）、帧结构（时域由10个1 ms子帧构成1个无线帧，但每个子帧在频域只包含12个连续的子载波）和物理资源单元等也都尽量沿用了现有LTE的设计。