NB-IoT物联网覆盖增强技术及在远程抄表系统中的应用

福州大学 林 芳

NB-IoT物联网覆盖增强技术及在远程抄表系统中的应用

福州大学 林 芳

在物联网技术方兴未艾之下，诞生了一种全新的蜂窝物联网技术，即NB-IoT基于蜂窝的窄带物联网技术，该技术能够通过对当前的授权频谱资源进行充分运用，从而使得各种物联网业务需求可以得到有效满足。在这一背景之下，本文将从简单介绍NB-IoT技术的内涵与具体特点出发，结合远程抄表系统设计，着重围绕NB-IoT物联网覆盖增强技术进行简要分析研究。

NB-IoT；物联网；覆盖增强技术；远程抄表系统

0 引言

根据去年出台的NB-IoT标准，其提出NB-IoT需要进一步实现广域及深度覆盖，要求NB-IoT至少要在以往GPRS即通用分组无线服务技术的基础之上再增加20dB，并进一步降低终端成本与功耗，支持大容量终端接入其中，保障每一个终端的成本不超过5美元，并在5Wh之内可提供至少10年的支持。而增强NB-IoT物联网覆盖同样也在其规划目标当中，基于此，本文结合智能化建设中的远程抄表系统设计，对NB-IoT物联网覆盖增强技术进行简要分析。

1 NB-IoT技术的简要概述

1.1 具体内涵

NB-IoT即Narrow Band Internet of Things，指的就是基于蜂窝的窄带物联网技术，其作为物联网中一项重要的组成部分，通过利用蜂窝网络，从而在有效完成对LTE、UMTS以及GSM等网络进行直接部署的同时，其消耗带宽进行有效控制[1]。一般情况下，基于蜂窝的窄带物联网技术所消耗的带宽不会超过180KHz,其不仅能够实现平滑升级，还能够对部署成本进行有效控制。作为当前IoT领域当中的新兴技术之一，NB-IoT技术可以使得广域网蜂窝数据同低功耗的设备进行有效连接。随着当前物联网业务和通信需求的不断增加，仪表智能化已成为通信产业发展的必然趋势，基于NB-IoT技术的远程抄表系统将成为“智慧城市”建设与发展中的重要组成。

1.2 实际特点

现阶段的基于蜂窝的窄带物联网技术基本上能够将带宽控制在180kHz以内，与此同时其在上行当中分别支持间隔为15kHz的多载波以及间隔为3.75kHz的单载波，而在下行方面则主要使用OFDMA即正价频分多址，在OFDM的运用之下子载波化信道，从而使得部分传输数据能够加载与子载波之上，而下行中的子载波间隔与LTE系统相一致，均为15kHz。另外，NB-IoT技术还通过使用半双工的方式，使用一根接收天线从而有效控制功耗以及终端成本；无论是物理下行共享信道还是物理下行控制信道，均统一使用波导磁场纵向分量为零但电场纵向分量不为零的TM传播模式。

2 NB-IoT物联网覆盖分析方法

在分析和评估NB-IoT物联网覆盖方面，大多数人倾向于使用MCL即最大链路损耗的方式，即根据发射机功率获取无线空口路径损耗，并依照热噪声功率+所需信噪比的公式获取接收机的实际灵敏度，从而精确计算出接收机的处理增益。而最大链路损耗等于发射功率减去接收机灵敏度值之后。与接收机处理增益相加的和，而根据上述公式可以求出接收机灵敏度；通过将热噪声功率密度与接收机噪声系数和干扰余量，以及占用信道带宽即101g进行相加，即可精确计算出有效的噪声功率，单位为dBm。而通常情况下，热噪声功率密度为-174dBm/Hz，干扰余量和接收机处理增益均为0dB,终端发射功率为23dBm,另外信道不同下基站每200KHz发射功率也各不相同[2]。由此可见，将NB-IoT技术应用于远程抄表系统管理中心数据采集、远程终端、敏感传输器中，可取得良好效果。

3 NB-IoT物联网覆盖增强技术

3.1 重复传输

目前在NB-IoT物联网覆盖增强技术当中，最引人关注的便是通过重复传输的方式使得传输信号码元的时间能够得到有效延长。而重复传输技术从本质上来说就是通过运用一个简单的信道编码，使得信息传输速率得以有效降低。如果接收环境中信噪比比较低，则其解调以及译码仍然可以保持较为稳定的可靠度。譬如说在理想情况下，译码有10%左右的出错率，但通过运用重复传输的方式，在不断进行重复的过程中译码的出现错误的概率将越来越小。根据相关数据显示，在进行三次重复传输时，译码的错误概率为0.028，而重复传输次数增加到五次时，译码的错误概率则降低为0.0086。重复传输次数增加到七次时，译码的错误概率则再次降低，到达0.0027。有研究显示当重复传输次数增加到十五次时，译码的错误概率只有0.000034，基本上能够较为精准地完成译码工作。

另外，笔者在查阅相关研究资料的过程中发现有研究显示使用混合自动重传请求，即有机整合了前向纠错编码以及自动重传请求的技术同样也可以实现延长传输信号码元时间的目的。在该技术当中，如果接收方解码失败将对接收数据进行自动保存，并向发送方发出重传数据的请求，之后再将重新接收的数据与之前得到的数据进行合并，重新进行解码，此时将会产生一定分集增益，但不会增加重传数次，因此可以有效实现降低时延。NB-IoT物联网覆盖增强技术的重复传输性，在远程抄表传感器系统中具有实质性应用。如将水表水量转化为“电脉冲信号”进行数据统计与用水量（用户存储金额）扣除作用[3]。

3.2 低阶调制

NB-IoT技术本身在业务需求方面并不需要过高的速率，有研究显示在NB-IoT当中超过八成的任务可以在100bps以内的速率下得以有效完成，因此人们提出在增强NB-IoT物联网覆盖方面可以使用包括BPSK、QPSK等在内的低阶调制技术。所谓的BPSK技术指的就是二进制相移键控，是一种将模拟信号转换成数据值的方式，在信息键控移相的表现方面，则主要是使用偏离相位的复数波浪组合。其通过运用基准正弦波以及相位反转波浪，使得两方分别为0和1，进而可以完成对2值信息的同步传送与接收。而QPSK技术则指的是正交相移键控技术，是当前数字调制中一种常用的方法手段，虽然其拥有两种相移方式即绝对和相对相移，但考虑到前者中经常会存在相位模糊的情况，因此基本上在实际使用过程中以相对相移方式为主。

通过相关实践证明，在低阶调制技术的帮助之下，基于NB-IoT技术的远程抄表不进集成了GPRS通信技术远程抄表功能，且在一定程度上提升了信息存储量，其覆盖能力达到了164dB以上，进一步突破了地域与位置的限制，其流量统计的安全性也有所提升，在一些大型企业或仪表系统中具有重要应用价值。

3.3 编码技术

在以往的通用无线分组技术当中，使用的是卷积码即用n个比特编写k个信息比特，但无论是k值还是n值均比较小，在传输过程中可以使用串行的形式，而这对于降低时延有着积极作用。在卷积码的分组编码过程中，本组中的n-k个校验元只同本组中的k个信息元有关，而在译码时随着约束长度不断增加，卷积码的纠错能力也越来越强。而在NB-IoT技术当中则选择使用Turbo编码，其作为信道编码学中的重要一种，长码拥有伪随机性。NB-IoT通过运用Turbo编码，可以通过使用并行级联的方式使用伪随机交织器，将原本两个简单的分量码进行重新交织使之形成一个具有伪随机性的长码，此后利用多次迭代的方式在两个软入/软出译码器之间完成伪随机译码[4]。相比于通用无线分组技术使用的卷积码，NB-IoT技术使用的Turbo编码能够将译码信噪比需求降至最低，而通过实践证明NB-IoT技术通过使用Turbo编码确实能够增强大约3到4dB左右的覆盖距离，可见Turbo编码对于NB-IoT物联网增强覆盖具有积极作用。因此，基于NB-IoT技术的远程抄表其成本更低，灵敏度与数据准确性更高。

3.4 降低时延

除上述技术之外，NB-IoT还可以通过尽可能降低时延要求，并在其部分下行物理信道当中适当增强功率，同样可以在一定程度上起到增强Power Boost物联网覆盖的效果。有数据显示，通过使用功率增强的方式，基于蜂窝的窄带物联网技术相对应的覆盖距离基本上能够增加大约5dB左右，但总体上来看当前众多用于增强NB-IoT物联网覆盖的技术当中，仍然以重复传输码元的技术增强的覆盖效果最为显著。

4 结束语

总而言之，在“智慧城市”推动下，为有效实现NB-IoT技术在各领域中的有效应用，如远程抄表系统等，业内学者纷纷加入到研究NB-IoT物联网覆盖增强技术的行列当中，并提出了包括重复传输、低阶调制、降低时延等在内的众多技术，并确实能够在一定程度上达到增强没覆盖的效果。相信随着科学技术的进一步发展，还将出现更多能够有效增强NB-IoT物联网覆盖的技术，用以更好地推动NB-IoT物联网技术的长久稳定发展。

[1]戴国华,余骏华．NB-IoT的产生背景、标准发展以及特性和业务研究[J]．移动通信,2016,07：31-36．

[2]卢斌．NB-IoT物联网覆盖增强技术探讨[J]．移动通信,2016,19：55-59．

[3]佘莎,黄嘉铭．基于理论和实测的NB-IOT覆盖分析[J]．移动信息,2016,12：72-74．

[4]彭雄根,李新,陈旭奇．NB-IoT技术的发展及网络部署策略研究[J]．邮电设计技术,2017,03：88-90+94．