NB—IoT业务模型与MCU设计流程分析

刘从柏 蔡文峰 高月

【摘 要】在中国电信计划大规模部署异频组网的环境下，针对国内主流NB-IoT终端模组，控制模组的MCU流程设计无法满足一些特定的NB-IoT业务模型场景，现有大部分MCU流程会导致终端无法使用最优频点，对业务感知有较大影响。基于NB-IoT业务模型场景分析，重点分析了国内主流NB-IoT模组主要性能机制和存在的问题，并针对耗电敏感、移动性、时延敏感等不同特点的业务类型，提出了解决这些问题的合理MCU设计流程。

业务模型；模组；芯片；MCU；异频组网

1 引言

目前，NB-IoT网络单频组网下同频干扰的问题非常严重，现有解决方案仅可通过异频组网方式予以解决，因此，未来中国电信将准备大规模部署实施异频组网。但是，在异频组网环境下，中国电信已商用的主流模组（如上海移远BC95-B5）在MCU（微控制单元）流程设计时，会导致终端无法使用最优频点，无法满足一些特定的NB-IoT业务模型场景。

为了有效解决这个问题，需要模组厂家向终端公司进一步规范终端MCU设计流程，确保在耗电敏感、移动性、时延敏感等不同特点的业务类型场景下，能有一套最优适配的MCU设计流程，避免终端无法使用最优频点，进一步提升后续NB-IoT业务感知。

2 NB-IoT技术特点及业务模型

2.1 NB-IoT关键技术特点

NB-IoT构建于蜂窝网络，带宽为180 kHz，主要聚焦于小数据量、小速率业务应用。该技术设计以牺牲低速率和传输延迟为前提，从而实现强覆盖、低成本、低功耗、大容量等四大优势的蜂窝物联网。在现有商用网络下，其主要技术特点有[1]：

（1）覆盖：NB-IoT技术空口最大耦合损耗（MCL）和GPRS相比有20 dB左右的增益，室外覆盖信号强度基本可以满足，室内覆盖程度与楼宇墙面厚度及结构、具体深度有关。

（2）容量：3GPP定义NB-IoT单扇区5万用户的容量模式，主要是基于NB-IoT小数据特征，通过减少终端工作的频次和强度，拉长终端休眠时间，实现大容量。

（3）时延：针对数据上报及接收时延，当NB-IoT终端成功接入网络后，终端有数据传输时，终端仅需要建立无线RRC链路成功后，立刻发送数据，此时时延大小与发送数据包大小以及无线覆盖环境有关，也与终端所处状态（空闲态或连接态）、业务模式（PSM和eDRX）有关，一般情况下数据发送和接收时延是秒级别。

（4）速率：在现有NB-IoT网络默认配置情况下，单用户上下行理论峰值速率约15.6 kb/s或21.25 kb/s，单小区上下行理论峰值速率约250 kb/s或227 kb/s。

（5）功耗：NB-IoT终端在PSM态、空闲态、监听态、连接态等不同状态下功耗有区别。当终端处于PSM状态功耗极小，连接态功耗最大，连接态的功耗是PSM态的24 000倍，监听态的功耗是PSM态功耗的6 000倍，空闲态的功耗是PSM态功耗的200倍。

（6）移动性：目前NB-IoT商用版本为R13，协议规定该版本不支持跨基站间的切换功能，更加适合静止和慢速移动场景，终端移动速度低于30 km/h时数据传输成功率较高，速度越大成功率越低。

2.2 NB-IoT业务模型场景

近些年来，物联网业务类型众多，每种类型的业务都有自身的特点，从3GPP定义的特点来看，主要将NB-IoT业务模型场景分为3类[2]：

（1）监测上报类：主要用于业务终端主动上报数据场景，业务终端上报数据结束后，很快进入PSM状态直至终端再次上报数据。根据业务数据上报周期差异，一般将监控上报类业务分为“监控上报类——长周期”和“监控上报类——短周期”。

（2）下发控制类：主要用于满足业务终端希望对终端下发控制需求，为了使业务终端能够相对快地接收到下发消息，默认不开启PSM功能模式，仅使用eDRX或DRX功能模式。

（3）综合定制类：主要用于业务终端需要同时考虑使用PSM和eDRX的复杂业务场景。未来，NB-IoT终端可以设计配置PSM或eDRX相关参数定时器，从而可以灵活适配个性化业务场景。

表1为NB-IoT业务模型场景分类：

3 NB-IoT终端模组性能及问题分析

3.1 NB-IoT终端模组发展现状

随着NB-IoT的发展及商用，NB-IoT芯片和模组产业的发展也非常迅速，为满足低频段增强覆盖的需求，业界NB-IoT芯片目前仅支持1 GHz以下频段，主要支持Band5、Band7和Band8频段。业界已发布NB-IoT模组的主流厂商约20多家，其中，国内采购NB-IoT模组的厂商约90%以上已采用“华为海思”NB-IoT芯片，且国内采用该芯片的模组约90%以上属于“上海移远通信技术有限公司”厂商。

3.2 NB-IoT商用终端模组性能分析

根据国内NB-IoT终端模组及芯片发展现状，针对中国电信使用的BC95-B5（即支持Band5）模组为例，其在“开机搜频驻留—连接态—空闲态—PSM态”整个过程的性能机制如下[3]：

（1）开机搜频驻留：若芯片flash保存某个频点，会优先搜索這个频点进行驻留（满足RSRP/RSRQ一定门限就驻留），若所处位置无该频点信号则转向全频（Band5）搜索；若芯片flash未保存某个频点，直接进行全频（Band5）搜索。

（2）连接态：3GPP R13协议规定不支持切换，导致模组不可能执行小区间切换。当终端模组发现无上下行数据传输时，会启动UE不活动定时器，等待20 s发现无数据传输就释放进入空闲态。

（3）空闲态：针对终端采用的VPN策略，可以得知终端在空闲态驻留时长（一般情况下，大部分终端侧采用默认ctnb的VPN策略，该策略下空闲态时长为2 s）。现有商用终端模组大多数固件版本存在不支持空闲态小区重选和未开启空闲态小区重选开关。

（4）PSM态：终端关闭射频收发功能，近似关机状态。PSM态时长主要取决于核心网周期性TAU配置（默认TAU更新定时器配置为730 min）。3GPP协议规定终端位于该状态下将继续接收下行寻呼消息。

图1为NB-IoT终端开机全流程机制：

3.3 NB-IoT商用终端模组问题分析

NB-IoT技术标准于2016年底才正式冻结，距离试商用不到一年时间，为尽可能降低终端功耗，延长待机时长，模组厂商在研发过程中暂无统一的规范标准，导致大部分NB-IoT模组在实际试商用过程中存在诸多问题。根据中国电信已商用的主流模组BC95-B5在各种状态下的性能机制分析，在异频组网环境下，目前该款型号模组在MCU流程设计时，无法满足一些特定的NB-IoT业务模型场景需求，存在影响业务感知的可能性，主要存在的问题分析如下：

（1）存在问题1：模组执行锁频2506频点操作。因中国电信在试商用网络初期采用单频2506频点组网，主流模组或芯片厂家在设计时会直接执行锁频2506频点操作，导致终端永远只使用2506频点进行数据发送。若异频组网下无2506频点时，会导致终端无法驻留任何小区。若异频组网下有2506频点时，可能影响终端无法使用信号最优频点。

（2）存在问题2：终端模组开机搜频执行AT锁频操作。因中国电信在试商用網络初期采用单频2506频点组网，终端厂家在MCU设计时会控制模组每次开机搜频时执行“AT+NEARFCN=0 2506”进行锁频2506频点操作，导致终端永远只使用2506频点进行数据发送。若异频组网下无2506频点时，会导致终端无法驻留任何小区。若异频组网下有2506频点时，可能影响终端无法使用信号最优频点。

（3）存在问题3：业务完成后模组立即执行断电操作。因模组芯片在某个频点下使用后，芯片flash会保存该频点，每次开机会优先搜索该频点，当满足“最低接收电平大于-134 dBm”且“最低接入信号质量大于-23 dB”的小区驻留条件时，终端会驻留在该频点小区下进入RRC连接态。当终端收到数据发送成功确认消息后，MCU会控制模组直接执行断电操作，导致终端永远只能使用该频点进行数据发送，进而可能影响终端无法使用信号最优频点。

（4）存在问题4：终端模组芯片flash保存频点后无法开机全频搜索。因模组芯片在某个频点下使用后，芯片flash会保存该频点，每次开机会优先搜索该频点，当满足以上小区驻留条件，终端会驻留在该频点小区下进入RRC连接态。当终端发送完数据进入空闲态后，MCU会控制模组在空闲态仅驻留2 s时长，该空闲态时长无法保证终端在异频组网下进行异频重选，导致终端下次开机继续在该频点下进行驻留，进而可能影响终端无法使用信号最优频点。

（5）存在问题5：终端模组未开启小区重选功能。因模组芯片在某个频点下使用后，芯片flash会保存该频点，每次开机会优先搜索该频点，当满足以上小区驻留条件，终端会驻留在该频点小区下进入RRC连接态。当终端发送完数据进入空闲态后，MCU未设计控制模组开启异频重选功能，无法实现终端在异频组网下进行异频重选，导致终端下次开机继续在该频点下进行驻留，进而可能影响终端无法使用信号最优频点。图2为BC95-B5模组主要存在问题的汇总：

4 NB-IoT终端MCU设计流程分析

前面提到过，在异频组网环境下，为尽可能降低终端功耗及延长待机时长，中国电信已商用主流模组BC95-B5在MCU流程设计时，无法满足一些特定的NB-IoT业务模型场景，存在影响业务感知的可能性。

目前，为降低NB-IoT网络带来的同频干扰问题，中国电信正在部署实施大规模异频组网，这就要求给出合理的终端MCU设计流程，来规避以上5个问题。从NB-IoT业务模型场景分类来看，MCU设计流程分析如下[4]。

4.1 耗电不敏感业务MCU流程分析

针对耗电不敏感类业务，因终端有外部电源供电，终端本身无需考虑耗电情况，终端MCU设计流程无需关注省电设计，为解决以上终端在异频组网下存在的问题，推荐的设计流程为：

（1）确保MCU设计流程中验证“模组是否锁频”，若反馈已锁屏，需执行AT命令取消锁频；

（2）确保MCU设计流程中取消“开机搜频执行AT锁频操作”，保证终端可使用不同频点；

（3）确保MCU设计流程中增加“下发AT消除频点命令”，保证模组芯片不保存上次使用的频点。

4.2 耗电敏感业务MCU流程分析

针对耗电敏感静止类业务，因终端无外部电源供电，终端本身需考虑省电设计，终端MCU设计流程需关注省电设计，为解决以上终端在异频组网下存在的问题，从不同业务模型场景角度分析，并考虑“静止类”和“移动类”两个维度，推荐的设计流程为：

（1）监测上报业务MCU流程分析

针对监测上报静止类业务，原则上终端使用NB-IoT小区基本固定不变，既要解决终端在异频组网下存在的问题，又要解决终端省电的问题，推荐的设计流程为[5]：

确保MCU设计流程中验证“模组是否锁频”，若反馈已锁屏，需执行AT命令取消锁频；

确保MCU设计流程中取消“开机搜频执行AT锁频操作”，保证终端可使用不同频点；

确保MCU设计流程中增加“出现与上次使用PCI不一致即下发AT消除频点命令”，保证模组芯片不保存上次使用的频点。

针对监测上报移动类业务，原则上终端使用NB-IoT小区经常发生变化，既要解决终端在异频组网下存在的问题，又要解决终端省电的问题，推荐的设计流程为：

确保MCU设计流程中验证“模组是否锁频”，若反馈已锁频，需执行AT命令取消锁频；

确保MCU设计流程中取消“开机搜频执行AT锁频操作”，保证终端可使用不同频点；

确保MCU设计流程中取消“执行断电操作”，保证终端发送数据后可进入空闲态；

确保MCU设计流程中验证“模组是否开启小区重选功能”，若反馈未开启，需执行AT命令开启重选功能；

确保MCU设计流程中“保证空闲态时长足够长（一般建议20 s左右）”，保证异频重选时间。

（2）下发控制业务MCU流程分析

针对下发控制时延不敏感业务，原则上终端收到下发控制寻呼消息可以允许非常大的时延，既要解决终端在异频组网下存在的问题，又要解决终端省电问题，推荐的设计流程为[6]：

确保MCU设计流程中验证“模组是否锁频”，若反馈已锁频，需执行AT命令取消锁频；

确保MCU设计流程中取消“开机搜频执行AT锁频操作”，保证终端可使用不同频点；

确保MCU设计流程中增加“下发AT消除频点命令”，保证模组芯片不保存上次使用频点；

确保MCU设计流程中验证“模组是否开启PSM和eDRX”，若反馈未开启，需执行AT命令开启PSM和eDRX功能。

针对下发控制时延敏感业务，原则上终端收到下发控制寻呼消息要求尽可能实时，既要解决终端在异频组网下存在的问题，又要解决终端省电的问题，推荐的设计流程为：

确保MCU设计流程中验证“模组是否锁频”，若反馈已锁频，需执行AT命令取消锁频；

确保MCU设计流程中取消“开机搜频执行AT锁频操作”，保证终端可使用不同频点；

确保MCU设计流程中增加“执行断电操作”，保证终端收到数据后马上断电，无需控制终端进入空闲态；

确保MCU设计流程中增加“下发AT消除频点命令”，保证模组芯片不保存上次使用的频点；

确保MCU设计流程中验证“模组是否开启PSM和eDRX”，若反馈已开启，需执行AT命令关闭PSM和eDRX功能。

（3）综合定制类业务MCU流程分析

针对综合定制类业务，既要解决终端在异频组网下存在的问题，又要解决终端省电的问题，推荐的设计流程需同时考虑终端“耗電敏感”、“时延敏感”和“移动性”三个方面的问题，基本思路可参考以上设计流程的分析过程。

5 结束语

本文重点研究分析了针对耗电敏感、移动性、时延敏感等不同特点的业务类型，给出了合理的MCU设计流程，来解决未来在异频组网环境下无法使用最优频点的问题。考虑到运营商无法约束终端公司MCU设计流程，这就需要运营商未来通过NB-IoT终端入网测试，来约束终端公司的模组MCU设计流程规范化、标准化，严格控制终端商用入网部署，提高未来NB-IoT业务的数据发送成功率。

参考文献：

[1] 刘玮，董江波，任冶冰. NB-IoT的关键性能[J]. 电信科学， 2018（s1）.

[2] 杨峰，初强. NB-IoT技术特点与前景[J]. 中国新通信， 2017，19（14）.

[3] 解运洲. NB-IoT技术详解与行业应用[M]. 北京： 科学出版社， 2017.

[4] 王晰，李致远. NB-IoT终端一致性测试模型设计[J]. 移动通信， 2018，42（5）： 6-13.

[5] 姚美菱，吴蓬勃，张星，等. 支撑NB-IoT特征的关键技术分析[J]. 电信快报， 2018（4）.

[6] 廉小亲，周栋，成开元，等. 基于NB-IoT的空调远程控制系统设计及实现[J]. 测控技术， 2018（5）.