NB-IoT功控方式和低功耗技术分析

王磊，王瑞

(1 中国移动通信集团陕西有限公司，西安 710071；2 中国移动通信集团设计院有限公司陕西分公司, 西安 710071)

截至2017年8月，全球已有8个运营商商用NBIoT网络，十余个运营商计划建设NB-IoT网络。在国内，蜂窝物联网也是当前运营商间的建设和竞争重点，并且各种物联网应用也已快速发展起来，如共享单车、共享汽车、智能停车等，其中共享单车呈爆发式发展，同时面临巨大的管理维护压力，电池的续航能力是重要方面，而目前共享单车使用的基本为2G网络，单车芯片与网络之间通信造成的功耗并不低，造成维护的时间和费用成本高，NB-IoT的低功耗广覆盖能力更有利于共享单车等物联网应用的发展，待NB-IoT网络的全面商用，能为大量物联网应用提供更好的网络平台。本文从介绍NB-IoT的网络结构、物理信道入手，重点介绍其功控方式和低功耗技术，分析相关影响因素和参数。

1 NB-IoT网络特点和网络结构

1.1 网络特点

NB-IoT是3GPP设计定义的蜂窝物联网技术，其技术标准已在2016年冻结在R13版本。NB-IoT网络的主要特点如下。

（1）覆盖广且深：比GPRS覆盖增强20 dB+。

（2）低功耗：基于5 W/h电池，使用寿命可超过10年。

（3）低成本：芯片价格很低。

（4）大连接：50 k+用户容量/200 kHz小区。

1.2 网络结构

NB-IoT支持3 种不同的部署方式： 独立部署（如图1所示）、带内部署（如图2所示）、保护带部署（如图3所示）。独立部署不依赖LTE，适合用于重耕GSM频段，GSM的信道带宽为200 kHz，刚好为NB-IoT 180 kHz带宽留出空间，且两边留有10 kHz的保护间隔；带内部署占用LTE的1个PRB资源，需保证与LTE PRBs的正交性，实际部署中有限制条件，只能使用某几个PRB；保护带部署利用LTE边缘保护频带中未使用的180 kHz带宽的资源块，不占LTE资源。

图1 独立部署方式

图2 带内部署方式

图3 保护带部署方式

NB-IoT目前只在FDD有定义， 终端为半双工方式。NB-IoT上下行有效带宽为180 kHz，其中下行采用OFDM，子载波带宽与LTE相同，为15 kHz；上行有两种传输方式：单载波传输（Single-tone）和多载波传输（Multi-tone），其中单载波传输的子载波带宽包括3.75 kHz和15 kHz两种，多载波传输子载波间隔为15 kHz，支持3、6、12个子载波的传输。

功率方面，独立部署可独立设置发射功率，例如20 W； 带内部署和保护带部署的功率与LTE功率有关系，通过设置NB-IoT窄带参考信号（NRS）与LTE公共参考信号（CRS）的功率差来设定NB-IoT的功率，目前协议定义的可设置NRS比CRS最大高9 dB，实际大小需根据设备的发射能力而定。

NB-IoT网络规划中建议采用独立部署方式（简称SA），首先，SA不依赖LTE，未来FDD规模商用，考虑FDD演进需求，使用SA可避免频繁调整，最大化利用优质频谱资源；其次，使用SA可规避带内GSM/NB-IoT/FDD三模间，及带外与铁路和联通频点间干扰；另外，SA方式可独立对发射功率及相关功率控制进行设置，有利于NB-IoT网络性能优化。

2 NB-IoT功控机制

2.1 主要物理信道

NB-IoT对物理层做了简化，保留了LTE网络中的广播信道、下行控制信道、下行共享信道、随机接入信道以及上行共享信道，取消了PCFICH、PHICH和PUCCH信道。

NB-IoT系统对于上行信道NPUSCH有功控机制，对于随机接入信道采取一种步长逐步抬升的功控机制，简化掉了PUCCH信道和SRS信号。

NPUSCH信道有两种模式，如表1所示。

表1 NPUSCH信道模式

NPUSCH格式1，用于承载UL-SCH；格式2，用于承载上行控制信息。

2.2 功控计算原理及影响因素分析

NB-IoT功控计算原理为：若分配NPUSCH RU重复次数大于2，则

NB-IoT主要是间歇性的小分组业务，因此取消了LTE采取复杂的功控调度算法，从上述计算公式可以看出，功控的机制较为简单，影响发射功率的因素仅取决于分配载波资源数量，初始参数设置以及路径损耗这3个因素。另外，公式中没有考虑到网内干扰抬升的问题，物联网间歇式小分组业务的特性导致上行干扰不会是主要矛盾，即使稍微受到一些干扰，通过资源分配调度算法把上行分配的子载波资源以及MCS同时降下来，既能保证相对稳定的数据传输，也能同时降低功耗。

3 NB-IoT低功耗技术

NB-IoT通过简化物理层设计降低实现复杂度，上行Single-tone模式峰值均比低，下行采用Tailbiting卷积码，降低解码复杂度，对移动性要求较低，不要求连接态测量及互操作，不要求异系统测量及互操作，减少了测量对象，从而降低功耗。而NB-IoT实现低功耗性能，主要采用两种技术： PSM (Power Saving Mode)和eDRX（Extended DRX）。

3.1 技术介绍

3.1.1 PSM

PSM (Power Saving Mode，节电模式）是3GPP R12版本引入的技术，即在Idle态下再新增加一个新的状态PSM（Idle的子状态），在该状态下，关闭信号的收发和接入层相关功能，相当于部分关机状态（但核心网侧还保留用户上下文，用户进入空闲态/连接态时无需再附着/PDN建立），从而减少天线、射频、信令处理等功耗。

在PSM状态时，下行不可达，DDN到达MME后，MME通知SGW缓存用户下行数据并延迟触发寻呼；上行有数据/信令需要发送时，触发终端进入连接态。

终端何时进入PSM状态，以及在PSM状态驻留的时长由核心网和终端协商。如果设备支持PSM，在附着或TAU（Tracking Area Update）过程中，向网络申请一个激活定时器(T3324，0～255 s)，当设备从连接状态转移到空闲后，该定时器开始运行，当定时器超时后，设备进入PSM省电模式。

进入PSM模式后设备不再接收寻呼消息，但设备仍然注册在网络中。UE进入PSM模式后，只有在UE需要发送MO数据，或者周期TAU/RAU定时器T3412超时后需要执行周期TAU/RAU时，才会退出PSM模式，TAU最大周期为310 h，默认为54 min。

PSM的优点是可进行长时间睡眠，缺点是对MT（被叫）业务响应不及时，主要应用于表类等对下行实时性要求不高的业务。

3.1.2 eDRX技术

eDRX（Extended Discontinues Reception，非连续接收）原理如图4所示，是3GPP R13版本引入的技术， 是对原DRX技术的增强，主要原理为支持更长周期的寻呼监听，从而达到节电目的。

图4 eDRX原理示意图

传统的1.28/2.56 s的DRX寻呼间隔对IoT终端的电量消耗较大，而在下行数据发送频率小时，通过核心网和终端的协商配合，终端跳过大部分的寻呼监听，从而达到省电的目的。终端和核心网通过attach和TAU流程来协商eDRX的长度，可为20 s、40 s、80 s，最大到 2.92 h。

eDRX优点是实时性好于PSM，但节电效果与PSM相比要差些，即相对于PSM，大幅提升了下行通信链路的可到达性。

表2 功耗评估关键参数

3.2 低功耗技术分析

从上面技术分析来看， PSM和eDRX都可以看成是把UE深度睡眠时间的占比提升以降低功耗，实际上牺牲了实时性要求。相比较而言，PSM节电效果很好，但牺牲了实时性；eDRX的省电效果差些，但实时性好些。对于不同的场景应用，可以根据特点选择相应的节电技术，一般情况下，建议PSM为必选项，eDRX功能作为备选项。

4 NB-IoT功耗性能评价

NB-IoT对于终端功耗的目标为基于AA（5000 mAh）电池，使用寿命可超过10年。而NB-IoT相关节电技术和功耗分析的目的也是为了实现终端电池更持久的使用寿命。功耗评估分两步完成。

4.1 关键参数

关键参数如表2所示。

4.2 电池寿命计算方法

每天发生数据传输时的功耗：

e1(mW×ms)=Tx功耗+Rx功耗+非PSM时的空闲态功耗=(10)×(2)+(8)×(3)+(9)×(4)

E1(J)=e1/1 000 000

每天的功耗：

E2(J)=每天发生数据传输的功耗×每天次数+ 每天PSM状态功耗=E1×(7)+(5)×3 600×24/1 000

e2(W/h)=E2/3 600

电池寿命（天数）：

D=电池容量/每天功耗=(1)/e2

电池寿命（年)： Y=D/365

从上述关键参数和评估计算方法来看，NB-IoT终端的电池受用寿命和电池本身性能、NB-IoT网络使用的节电技术以及技术中参数的设置有密切关系。对于不同场景的物联网应用，应根据其特点评估功耗需求，设置相应的网络参数。