NB-IoT系统概述及特点

武可杰 耿蕾



NB-IoT系统概述及特点

武可杰1耿蕾2

1.中国联通陕西省榆林市分公司，陕西 西安 710075 2.中国联通陕西省分公司，陕西 西安 710075

主要描述了移动窄带物联网NB-IoT系统的主要特点、网络部署模式、NB-IoT网络与4G网络的不同，重点介绍了NB-IoT系统的低成本、低功耗、强覆盖、大连接的优点。

NB-IoT系统；部署模式；NB-IoT 系统特点

1 NB-IoT系统简介

物联网有很多技术，在IoT之前加上NB（Narrow Band），连起来NB-IoT即为Narrow Band Internet of Things，翻译过来是窄带物联网。窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180 kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

2 NB-IoT系统的主要特点

NB-IoT属于LPWA技术的一种，它具备强覆盖、低成本、小功耗、大连接这四个关键特点。之所以制定NB技术的四大特点，主要是因为当前采用2G/3G/4G承载物联网应用有以下主要问题。

（1）典型场景网络覆盖不足，例如室内的无线抄表、边远地区的环境监控和地下资源监控。

（2）终端功耗过高（使用5 Wh电池），2G终端待现网能力差距。

（3）2G/3G/4G无法满足未来海量终端的应用。

（4）终端种类多、批量小，开发门槛高，通信模块成本高，综合成本高。

以下就主要介绍这四个关键特点。

2.1 NB-IoT 系统特点——强覆盖

强覆盖，覆盖广且深，比GSM覆盖增强20 dB+。实现方法：（1）提升功率谱密度（约7dB）；（2）多次重传，（约12dB）；（3）多天线增益（0～3dB）。

提升IoT终端的发射功率谱密度（PSD，Power Spectral Density），NB上行传输有两种带宽3.75 kHz和15 kHz可供选择，缩小带宽，在功率不变的情况下，即提升了功率谱密度。NB通过重复发送，获得时间分集增益，并采用低阶调制方式（QPSK，BPSK），提高解调性能，增强覆盖。通过天线分集产生覆盖增益[1]。例如，对于1T2R来说，比1T1R会有3 dB的增益。（NB支持1T2R，2T4R）。

2.2 NB-IoT 系统特点——低功耗

基于AA电池，使用寿命可超过10年。当前主流通信系统LTE的节电技术，重点是DRX；而NB中的两大节电技术就是eDRX、PSM。

（1）PSM：Power Saving Mode，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，终端射频关闭（即能关的都关，进入冬眠状态了，而以前的DRX状态是浅睡状态），相当于关机状态（但是核心网侧还保留用户上下文，用户进入空闲态/连接态时无须再附着/PDN建立）。

（2）eDRX：作为Rel-13中新增的功能，相比DRX技术，eDRX主要思想即为支持更长周期的寻呼监听，从而达到节电目的。LTE 传统的2.56 s的寻呼间隔对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（up to 2.92 h）。

2.3 NB-IoT 系统特点——低成本

2.3.1 芯片价格低于1美元，具体实现方法

（1）半双工（Half Duplex）。

（2）简化信道及物理层（协议栈上物理层、MAC等进行了重大简化，降低运算能力）。

（3）新硬件结构，裁剪不必要的硬件。

2.3.2 协议栈简化

（1）PHY物理层：信道重新设计，降低基本信道的运算开销。比如PHY层取消了PCFICH、PHICH等信道，上行取消了PUCCH和SRS。

（2）MAC层：协议栈优化，减少芯片协议栈处理流程的开销。

仅支持单进程HARQ（说明两点：一是NB中仍然有HARQ重传机制；二是相比于LTE原有的最多支持8个进程Process，NB仅支持单个进程。这说明数据传输中，在没有得到NACK/ACK反馈之前，终端都必须等着，完全颠覆了LTE中多进程同时传输提升传输速率和效率的基本思想）；不支持MAC层上行SR、SRS、CQI上报。没了CQI，LTE中那么重要的AMC（自适应调制编码技术）功能基本没有了；不支持非竞争性随机接入功能，功控没有闭环功控了，只有开环功控（如果采用闭环功控，算法就会复杂得多，调度信令开销也会很大）。

（3）RLC层：不支持RLC UM（这意味着没法支持VoLTE类似的语音）、TM模式（这意味着原来在LTE中走TM的系统消息，在NB中也必须走AM）。

（4）PDCP：PDCP的功能被大面积简化，原LTE中赋予的安全模式、RoHC压缩等功能直接被阉割掉。

（5）在RRC层：没有了Mobility管理（意味着NB将不支持切换）；新设计CP、UP方案简化RRC信令开销；增加了PSM、eDRX等功能减少耗电。

2.3.3 新硬件结构，裁剪不必要的硬件

（1）终端侧RF进行了阉割，据当前了解到的情况，主流NB终端支持1根天线（当然，协议规定NRS支持1或者2天线端口）。

（2）天线模式也就从原来的1T /2R变成了现在的1T/1R，天线本身复杂度，当然也包括天线算法都将有效降低。

（3）FD全双工阉割为HD半双工，收发器从FDD-LTE的两套减少到只需要一套。

（4）低采样率、低速率，可以使得缓存Flash/RAM要求小（28 kByte）。

（5）低功耗，意味着RF设计要求低，小PA功放就能实现（基带板减小）。

（6）直接砍掉IMS协议栈，这也就意味着NB将不支持语音（注意实际上eMTC是可以支持的）。

2.4 NB-IoT 系统特点——大连接

50 000以上用户容量/小区，单小区50 000用户如何做到取决于以下几个因素。

（1）NB的话务模型决定。NB-IoT的基站是基于物联网的模式进行设计的。物联网的话务模型和手机不同。它的话务模型是终端很多，但是每个终端发送的包小，发送包对时延的要求不敏感。当前的2G/3G/4G基站是设计保障用户可以同时做业务并且保障时延。基于这样的方式，用户的连接数或者接入数目是控制在1 000左右（单小区典型用户为400）。但是基于NB-IoT，基于对业务时延不敏感，可以设计更多的用户接入，保存更多的用户上下文，这样可以让50 000左右的终端同时在一个小区，大量终端处于休眠态，但是上下文信息由基站和核心网维持，一旦有数据发送，就可以迅速进入激活态。说得直白点就是：NB终端大部分时间都在睡觉（最大睡觉时间为310个小时，将近13天），可以不做业务，所以基站接客可以多接入用户。

（2）上行调度颗粒小，效率高。2G/3G/4G的调度颗粒较大，NB-IoT因为基于窄带，上行传输有两种带宽3.75 kHz和15 kHz可供选择，带宽越小，上行调度颗粒小很多，在同样的资源情况下，资源的利用率会更高，即更小的调度颗粒、更多的并发用户数。

（3）减小空口信令开销，提升频谱效率。目前系统主要支持CP方案与LTE做对比来阐述NB是如何减小空口信令开销的。CP方案通过在NAS信令传递数据（DoNAS），实现空口信令交互减少，从而降低终端功耗，提升频谱效率。

3 NB-IoT网络部署模式

3GPP为NB-IoT定义了3种部署模式。

（1）“In-band模式”。与传统LTE小区共享软硬件资源，利用原有LTE小区一个或几个PRB作为NB-IoT载波。

（2）“Stand-alone模式”。不与传统LTE小区共享软硬件资源，利用例如GERAN系统中的频段资源，替换其中的1个或几个GSM载频，作为NB-IoT载波；或者建立一个全新的NB-IoT小区。

（3）“Guard-band模式”。与传统LTE小区共享软硬件资源，利用LTE载波保护频带内未用资源作为NB-IoT载波。

4 NB-IoT网络与4G网络的不同

NB-IoT具备强覆盖、低成本、小功耗、大连接这四个关键特点，同时具有带宽小、速率低、信道简化这三个主要因素用来降低芯片成本[2]。

4.1 覆盖方面

（1）因子载波带宽降低（15 kHz，3.75 kHz），因而提升功了率谱密度。NB-IoT与GSM相比，PSD带来的增益为7 dB；与LTE比PSD带来的增益会更高，达到17 dB。

（2）通过PSD增益、重传增益等方式，整体覆盖相比GSM增益20 dB。对比3G，4G网络弥补了典型场景网络覆盖不足的问题，例如室内的无线抄表、边远地区的环境监控和地下资源监控（4G规划指标穿透1层墙）。

4.2 功耗方面

（1）NB-IoT eDRX耗电是LTE DRX的1/16，省电效果是非常可观的。LTE DRX 24小时耗电24 mAh，NB-IoT eDRX 24小时耗电1.5 mAh。

（2）NB-IoT PSM 为NB-IoT新增加一个状态（相对于IDLE的子状态）主要目前是用于省电。PSM模式下耗电量是普通的空闲态下的耗电量的1/200。

（3）NB-IoT引入超帧概念。1024个系统帧为一个超帧。NB的寻呼监听周期为：2.92 h。LTE的寻呼监听周期为2.56 s。终端和核心网通过Attach和TAU流程来协商eDRX的长度（up to 2.92 h= 1 024（超帧）×1 024（系统帧）×10（无线帧）×1（子帧）/3 600×1 000）。

4.3 容量方面

（1）NB-IoT理论容量为：50 000以上用户容量/小区，远远大于LTE网络容量。

（2）NB-IoT的终端发送的都为小包，发送包对时延的要求也不敏感，因此可以多接入用户。当前的2G/3G/4G基站是设计保障用户可以同时做业务并且保障时延，基于这样的方式，用户的连接数或者接入数目是控制在1 000左右（单小区典型用户为400），远远小于NB。

5 结束语

NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网（LPWAN）。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说NB-IoT设备电池寿命可以提高至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。因为NB-IoT自身具备的这些优势，使其可以广泛应用于多种垂直行业，如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业等。目前包括我国运营商在内诸多运营商都在开展NB-IoT研究。

[1]徐彤. LTE网络与UMTS网络在随机接入中的对比研究[J]. 科技广场，2014（10）：121-123.

[2]鲍炜，孙韶辉，李国庆. LTE/LTE—A系统自组织网络技术和标准化进展[J]. 中兴通讯技术，2013（1）：5-8.

NB-IoT System Overview and Features

Wu Kejie1Geng Lei2

1. China Unicom Shaanxi Province Yulin City Branch, Shaanxi Xi’an 710075 2. China Unicom Shaanxi Branch, Shaanxi Xi’an 710075

The paper mainly describes the main features of the mobile narrowband Internet of Things NB-IoT system, the network deployment mode, the difference between the NB-IoT network and the 4G network, and focuses on the advantages of low cost, low power consumption, strong coverage, large size and wide connection of the NB-IoT system.

NB-IoT system; deployment mode; NB-IoT system characteristics

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