基于5G 时代中的NB-IOT 技术发展初探

◆江雪芸

（兰州交通大学博文学院 甘肃 730000）

1 5G 概述

1.1 5G 标准

国际电信联盟组织（ITU）在16 年已经正式将5G 命名为IMT-2020。2019 年10 月31 日，三大运营商公布5G 商用套餐，并于11 月1 日正式上线5G 商用套餐[1]。国际通信行业标准组织第三代合作伙伴（3GPP）作为制定通信标准技术规范的指定部门，由最初的3G 时代持续研究发布至5G 时代。通常3GPP 通过版本号对所处的通信时代进行区分，如R8 到R14 推出长期演进技术（LTE）标准与LTE-Advanced 技术标准，即4G；由R15作为开端详细介绍5G 技术自身特征，其中有非独立组网（NSA）、新空口（5G NR）以及独立组网（SA）等，成功部署全球5G 网络热潮。然5G 标准并非一个完整且一次成型的标准，在制定过程中由三个时期构成，首先从2017 年12 月结束制定，具备NSA与5G NR 特性，之前4G 网络基础上加入5G 基站进行网络部署，属于4G 网络的增强型，只在运行速率上获得提升；二是在2018 年6 月结束，该标准中部署5G 网络的方式通过SA 实现，5G 网络中包括基站与核心网，全面实现5G 网络的各项指标要求，有超低时延、高速率等；最后是2019 年3 月结束，对NSA 与其他Option 规范进一步完善，重点在于4G 基站与5G 核心网及5G基站采用NSA 的方式部署网络。

1.2 5G 应用场景

三大应用场景包括：一是大规模物联网（Massive IOT/MTC/M2M），海量连接设备，超低功耗，深度覆盖，超低复杂度；二是任务关键控制（MCC），任务关键性物联网主要应用于无人驾驶、自动工厂、智能电网等领域，要求超高安全性，超低时延与超高可靠性（URLLC），如AR 或VR、远程控制和游戏等业务，数据传到云端分析处理后实时传回，对时延性要求更高；三是增强的移动宽带（eMBB），超高传输速率（＞20Gbps），5G 时代面向多种应用，含全息技术、4K/8K 超高清视频、虚拟/增强现实等，移动带宽急需更高的数据传输速率[2]。

5G R15 中并未进一步探索NB-IoT 技术标准，而该标准的制定与5G 标准相比较早，已经被冻结在R13 版本中，在R14 版本中深入分析与完善NB-IoT 技术，并将其他新的特性引入，主要有多播服务、定位服务、移动增强以及数据传输速率。

1.3 5G 核心指标（KPI）及关键技术

目前推出的5G 新空口无线技术中对两项重要指标明确规定，分别为用户面时延（URLLC：0.5ms（DL&UL））与峰值速率（DL：20Gbps、UL：10Gbps）。

在5G 中的8 大核心关键技术，包括毫米波技术、大规模天线阵列、新型调制编码技术、多载波聚合、网络切片技术、设备到设备直接通信、超密集异构网络、新型网络架构。

2 NB-IOT 概述

为进一步加速我国新型物联网技术NB-IOT 和Emtc 的发展，工业和信息化部于2017 年陆续发布了《工业和信息化部办公厅关于全面推进移动物联网（NB-IOT）建设发展的通知》等政策法规，移动物联网产业迎来了快速布局的政策红利期，在全产业的共同努力下，NB-IOT 技术快速成熟，在技术标准、网络部署、应用落地等方面成效显著[3]。

2.1 NB-IOT 特性及模式

NB-IOT 是3GPP 针对低功耗广覆盖类业务而定义的新一代移动物联网接入技术，主要面向低速率超低成本、低功耗、广深覆盖、海量连接需求的物联网业务，如智能家居、智慧城市、物流追踪、环境监控、工业物联等。在业务的满足需求中，NB-IOT在物理层发送方式、网络结构、信令流程等方面做了简化。

网络部署的难易程度和网络组建成本是运营商在决策过程中最需要考虑的问题。NB-IOT 模式网络架构、三大部署模式和双工模式。NB-IOT 网络架构基本沿用或基于LTE 网络架构，也可分为无线接入网（RAN）和核心网两部分。NB-IOT 网络部分更新增加：（1）S11-U 接口（采用GTP-U 协议）；（2）T6a 接口（采用DIAMETER 协议）；（3）S6t（采用DIAMETER 协议）；（4）SGd 接口用来直接支持基于SMS 的小数据包传输；（5）SCEF网元用来支持Non-IP 数据传输；（6）核心网MME 和SGW 两个网元合并部署于一个物理节点上，统称CSGN，可减少节点数目和成本并提高数据传输效率。

2.2 NB-IOT 频段、信道

NB-IOT 沿用LTE 定义的频段号，R13 为NB-IOT 指定了14个FDD 频段。NB-IOT 的不同信道可以通过重复传输提升覆盖能力，采用NB-IOT 上、下行物理信道。

2.3 NB-IOT 覆盖、功耗

深度覆盖或超强覆盖是物联网的一个重要特点和要求。采用较低功耗机制、PSM 降低功耗等技术或方法来降低终端功耗。

2.4 NB-IOT 演进增强

在3GPP R14 标准，NB-IOT 还将会增加定位、多播、增强型非锚定PRB、移动性和服务连续性、新的功率等级、降低功耗与时延，增加语音业务支持等，让NB-IOT 技术更具竞争优势。

3 5G 时代中的NB-IOT 发展

在5G 时代，现实环境已开始发生改变，然而基于蜂窝移动网络采用的物联网技术还是以eMTC 与NB-IoT 为主，NB-IoT 重点在容量大、覆盖范围广、投入成本低以及功耗小。目前针对eMTC 与NB-IoT 设计面向5G 网络的互联网连接业务，3GPP 也在5G 物联网技术标准中列入eMTC 与NB-IoT 的后期演进。

5G 时代的到来，NB-IoT 产业链不会在短期内快速退出，而2017 年与2018 年作为5G 网络的导入期，现在已经开始进入平稳发展阶段，如制造平台、模组以及行业应用的厂家充分发挥企业职能，以扩大物联网覆盖面和降低功耗为目标，为物联网市场向着健康的方向发展奠定基础。运营商并未丢弃NB-IoT，期望5G 网络还未在市场上大规模应用时，将NB-IoT 看作是运营商物联网主要部分，在发展需求基础上运用优化完善方式逐步实现[4]。未来NB-IoT 技术将迈入迅猛发展时期，成为5G 时代物联网核心技术的重要部分。由5G 分析，并非一次就成功制定5G 的mMTC 场景，而是在NB-IoT 基础上，快速推动大连接业务场景的进一步发展[5]。