NB-IoT综述及性能测试

杨观止,陈鹏飞,崔新凯,侯维岩

(郑州大学 信息工程学院,郑州 450001)

0 概述

在5G时代全面来临的背景下,物联网产业的发展十分迅猛。根据预测,全球的物联网连接数量将于2020年达到500亿左右[1],2025年达到500亿～1 000亿[2]。国际通信联盟(International Telecommuni-cation Union,ITU)为5G定义了三大应用场景,即增强型移动带宽(enhanced Mobile Broadband,eMMB)、超可靠低时延通信(Ultra-Reliable Low Latency Communication,uRLLC)以及海量机器类通信(massive Machine Type Communication,mMTC)[3]。其中mMTC场景的业务需求规模巨大,根据统计数据可知,到2020年,mMTC业务将占到物联网业务总数的60%左右[4]。

窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)是3GPP在Rel-13中引入的一项为mMTC场景设计的低功耗广域网(Low Power Wide Area Network,LPWAN)技术[5-6],可处理大规模的低功耗连接,提供超大覆盖范围,并具有深度室内穿透性能[7],较4G网络、Zigbee等短距离通信技术,能够支持更多应用场景[8],具有较高的高业价值[9]。目前NB-IoT的理论上行峰值速率可达62.5 kb/s,下行也达到21.25 kb/s[10]。为探究NB-IoT的实际传输速率和信号质量,本文回顾该技术的标准化历程,分析其关键技术特点、物理层结构和主要信令流程,在此基础上进行实地性能测试。

1 NB-IoT标准化历程

NB-IoT的标准化经历了以下5个阶段:

1)2013年初,华为与相关业内厂商及运营商合作展开窄带物联网领域的研发工作,命名为LTE-M(LTE for Machine to Machine)。在LTE-M的技术方案选择上,主要有2种选择思路:一种是基于现有GSM演进思路(eMTC);另一种是华为提出的新空口思路,称为NB-M2M。NB-M2M采用FDMA多址技术及GMSK调制,子载波间隔为5 kHz。

2)2014年5月,由沃达丰、中国移动、华为、诺基亚等公司支持的SI“Cellular System Support for UltraLow Complexity and Low Throughput Internet of Things”在3GPP GERAN工作组立项,LTE-M更名为Cellular IoT,简称CIoT。

3)2015年5月,华为和高通共同宣布了一种融合的解决方案,即上行采用FDMA多址方式,下行采用OFDM多址方式,命名为NB-CIoT(Narrow Band Cellular IoT)。NB-CIoT的优势主要体现在增强室内覆盖、支持海量终端、降低终端复杂度、功耗和时延等方面[11],但相对LTE而言,NB-CIoT是一种全新的空口技术,与旧版的LTE存在兼容问题。

4)2015年8月10日,在GERAN SI阶段末次会议上,爱立信联合相关公司提出了NB-LTE(Narrow Band LTE)的概念。NB-LTE可与现有的LTE网络兼容,且易于部署[12]。该方案主要设计目标是使用现有的LTE实体层部分以及尽可能多的上层LTE网络,减少营运商在布建时的设备升级成本,并且沿用原有的蜂巢网络架构,达到快速布建的目的。

5)2015年9月,3GPP在RAN全会达成一致,对NB-CIoT和NB-LTE两个技术方案进行融合形成NB-IoT WID。NB-CIoT由此演进到NB-IoT,并被确立为窄带蜂窝物联网的唯一标准[13]。2016年6月,NB-IoT核心标准正式在3GPP R13中确定。

2 NB-IoT技术特点

作为一项新兴的、具有广阔应用前景的LPWAN技术[14-15],NB-IoT主要有以下技术特点:

1)广覆盖。NB-IoT可提供超大的室内覆盖范围。在同样的频段下,与现有网络相比,NB-IoT具有接近20 dB的增益[16]。NB-IoT主要通过以下2个方面来实现广覆盖:

(1)提升功率谱密度(Power Spectral Density,PSD)。NB-IoT通过重新定义上下行物理信道的格式,使得上下行数据可以在比LTE更窄的带宽中发送,提高增益。如表1所示,在NB-IoT上行使用3.75 kHz子载波间隔的情况下,PSD约为GSM的5.33倍,相当于7 dB左右的增益。

表1 GSM与NB-IoT的功率谱密度对比

Table 1 Comparison of GSM and NB-IoT power spectral densities

制式功率/mW使用带宽/kHz功率谱密度/(mW·kHz-1)GSM2 000200.0010.00NB-IoT2003.7553.33

(2)重复传输。在信噪比较低的接收环境中,增加重传次数可以大幅降低误码率,提高传输的可靠性和安全性[17]。在通信理论中,传输次数每增加1倍,速率降低一半,同时产生3 dB的增益。NB-IoT使用重复传输的方式得到时间分集增益,且所有的信道均可重传。表2展示了NB-IoT中不同信道的重传次数,图1展示了重传次数和覆盖增益的关系。协议规定上行最大重复传输次数为128,但考虑到传输效率及边缘情况,一般设置为16,理论上能获得12 dB的增益,实际约为9 dB[18]。此外,NB-IoT在编译码方面也进行了优化,可获得3 dB～4 dB的增益[19]。

表2 NB-IoT中不同信道的重传次数

图1 NB-IoT重传次数与覆盖增益的关系

Fig.1 Relationship between NB-IoT retransmission times and coverage gains

2)低功耗。NB-IoT对终端功耗的目标为:在使用固定容量电池供电时,终端寿命可达10 a左右[20]。因此其引入以下2种节能技术:

(1)节电模式(Power Saving Mode,PSM)。如图2所示,用户终端设备(User Equipment,UE)完成上行数据传输后进入空闲态,同时开启激活定时器(T3324)。激活定时器超时后,UE进入PSM状态。在该状态下,UE深度休眠,关闭射频接收,不再接收下行数据,UE耗电量约为空闲态的1/200。但NB核心网中依然保留UE的注册信息,这样当UE从PSM状态中被唤醒时,无需再次进行附着建立即可进入连接态。PSM最长可持续310 h,且UE的99%时间处于该状态,达到高度节能的目的。但此时UE无法接收下行数据,也造成了下行实时性差的缺点,因此,PSM适用于对实时性要求不高的场景,如远程抄表等。

图2 PSM状态示意图

(2)扩展非连续接收(extended Discontinuous reception,eDRX)[21-22]是Rel-13中新添加的功能,核心思想是支持周期更长的寻呼监听,达到节电的目的。传统IoT的寻呼周期为2.56 s,对UE的消耗较大。在下行数据发送频率较低时,UE可与NB核心网协商确定一个eDRX周期(最短20.48 s,最长可达2.92 h)。如图3所示,在每个eDRX周期内,UE只在寻呼时间窗口(Paging Time Window,PTW)内监听寻呼信道,其他时间深度休眠,以此实现较低的功耗。eDRX技术在节能方面不如PSM,但在实时性上较PSM更具优势。

图3 eDRX原理示意图

3)低成本。为实现大规模商用,NB-IoT设计将模组成本降至1美元以下。具体措施如下:

(1)NB-IoT仅支持频分半双工(Half-Frequency Division Duplexing,H-FDD)的工作模式,上下行传输分别在不同时段和频段上进行。因此,UE只需保留一套收发信机,结构得到简化,降低了成本。

(2)与LTE相比,NB-IoT下行取消了物理控制格式指示信道(Physical Control Format Indicator Channel,PCFICH)、物理混合自动重传指示信道(Physical Hybrid ARQ Indicator Channel,PHICH)等,上行取消了物理上行链路控制信道(Physical Uplink Control Channel,PUCCH)。

(3)NB-IoT在硬件上进行简化,如图4所示。首先,与Cat-4终端相比,除工作模式由全双工变为半双工之外,天线模式也由1T2R变为1T1R,降低了复杂度;其次,NB-IoT的低采样率使得对缓存Flash/RAM的要求降低,仅为28 KB;再次,由于 UE的低功耗,不再需要多模多频段的功放;最后,去除IMS协议栈,意味着NB-IoT不支持语音功能。

图4 Cat-4与NB-IoT的硬件结构对比

(4)在MAC层,NB-IoT仅支持单进程的混合自动重传请求(Hybrid Automatic Repeat Request,HARQ),不支持上行调度请求(Scheduling Request,SR)、信道探测参考信号(Sounding Reference Signal,SRS)、信道质量指示(Channel Quality Indicator,CQI),并且不支持非竞争随机接入等。

4)海量连接。NB-IoT的设计容量达到每小区5×104左右。支持NB-IoT实现海量接入的因素包括:

(1)NB-IoT的话务模型决定其可以实现海量接入。NB基站是针对物联网场景设计的,由于UE绝大多数时间处于休眠状态,且对时延不敏感,因此一个基站可以设计接入更多的UE。

(2)NB-IoT是一种窄带技术,占用带宽很小,这决定了其调度颗粒也较小,因此,频谱资源利用率得到提高。

(3)与传统LTE网络相比,NB-IoT优化了信令流程,减少了空口信令开销,提升了频谱效率。

3 NB-IoT的物理层结构

3.1 NB-IoT的帧结构与部署方式

3.1.1 下行帧结构

在频域上,NB-IoT下行占用200 kHz带宽,实际工作带宽为180 kHz,分为12个连续的子载波,子载波间隔为15 kHz。在时域上,NB-IoT下行帧结构与LTE类似,如图5所示。不同之处是NB-IoT引入的超帧的概念,每个超帧由1 024个无线帧组成,NB-IoT的一个最长周期由1 024个超帧组成,时长约为2.92 h。

图5 NB-IoT下行时域结构

3.1.2 上行帧结构

在频域上,NB-IoT上行支持15 kHz或3.75 kHz两种子载波间隔,如图6所示,同时其支持Single-Tone和Multi-Tone两种传输模式。在时域上,NB-IoT定义了资源单元(Resource Unit,RU)作为上行传输时资源调度的基本单位,不同场景下RU的结构如表3所示。

图6 NB-IoT上行频域结构

表3 不同场景下的RU结构

Table 3 RU structures in different scenarios

NPUSCH format场景子载波间隔/kHz子载波个数RU Sbt数Sbt持续时长/msRU持续时长/ms1(普通数传)Single-Tone3.751162.03215.001160.5815.00380.54Multi-Tone15.00640.5215.001220.512(UCI)Single-Tone3.75142.0815.00140.52

3.1.3 NB-IoT的部署方式

NB-IoT支持如图7所示的3种部署方式[23]。

图7 NB-IoT支持的3种部署方式

具体如下:

1)独立部署(Standalone operation,ST)。它不依赖LTE网络且与LTE完全解耦,适合重耕GSM频段。GSM的信道带宽为200 kHz,刚好为NB-IoT 180 kHz带宽辟出空间,两边还有10 kHz的保护间隔。在独立部署方式下,NB-IoT的配置限制较少,不存在与现有系统的兼容问题,且下行容量最优,约为5×104左右。

2)保护带部署(Guardband operation,GB)。利用LTE边缘保护带中未使用的180 kHz带宽的资源块,不占用LTE资源。由于部署在LTE的保护带内,需要考虑与LTE系统的兼容问题,且可用频点非常有限,因此保护带部署方式未来发展也将受限,该部署方式的下行容量约为2.7×104左右。

3)带内部署(In-band operation,IB)。占用LTE的一个物理资源块(Physical Resource Block,PRB)资源[24-25]。 这种方式同样需要考虑与LTE系统的兼容问题,如避开LTE的PDCCH区域、同步信号和PBCH、CRS等,且下行容量在3种方式中最低,约为1.9×104。

3.2 NB-IoT的物理信号与信道

3.2.1 下行物理信号与信道

对NB-IoT下行物理信号和信道的介绍如下:

1)窄带主同步信号(Narrowband Primary Synchro-nization Signal,NPSS)是NB-IoT的下行主同步信号,作用是完成时间和频率上的初同步,固定在每个无线帧的5号子帧上发送,如图8和图9所示。NPSS在频域上占据0～10号的11个子载波;在时域上,由于UE此时还未获取NB-IoT部署方式,因此预留出前3个OFDM符号,为LTE资源预留位置。在In-band场景下,还需打孔避让LTE的小区参考信号(Cell Reference Signal,CRS)。

图8 Guardband/Standalone场景下的NPSS资源位置

Fig.8 NPSS resource location in Guardband/Standalone scenario

图9 In-band场景下的NPSS资源位置

2)窄带辅同步信号(Narrowband Secondary Synchro-nization Signal,NSSS)用于终端获取PCI信息和帧定时信息,固定在偶数无线帧的9号子帧上发送,周期为20 ms,如图10和图11所示。NSSS在频域上占据整个工作带宽,在时域上与NPSS所占位置相同。

图10 Guardband/Standalone场景下的NSSS资源位置

Fig.10 NSSS resource location in Guardband/Standalone scenario

图11 In-band场景下的NSSS资源位置

3)窄带参考信号(Narrowband Reference Signal,NRS)的作用是下行信道质量测量估计以及终端的相干检测和解调,在NPBCH/NPDCCH/NPDSCH信道上发送,每天线端口每子帧使用8个RE,如图12和图13所示。

图12 Guardband/Standalone场景下的NRS资源位置

Fig.12 NRS resource location in Guardband/Standalone scenario

图13 In-band场景下的NRS资源位置

4)窄带物理广播信道(Narrowband Physical Broadcast Channel,NPBCH)的作用是携带主系统信息块MIB(Master Information Block),固定在每个无线帧的0号子帧上发送,发射周期为640 ms,如图14所示。NPBCH在子帧内所占位置和NSSS相同,如图15和图16所示。

图14 NPBCH周期

图15 Guardband/Standalone场景下的NPBCH资源位置

Fig.15 NPBCH resource location in Guardband/Standalone scenario

图16 In-band场景下的NPBCH资源位置

5)窄带物理下行控制信道(Narrowband Physical Downlink Control Channel,NPDCCH)的作用是承载下行控制消息(Downlink Control Information,DCI),使用窄带控制信道单元(Narrowband Control Channel Elements,NCCE)作为资源调度的基本单位。每个NCCE在频域上占用6个子载波带宽;在时域上,由于此时UE已经获知NB-IoT的部署模式,因此只在In-Band模式下为LTE 预留资源,如图17和图18所示。

6)窄带物理下行共享信道(Narrowband Physical Downlink Shared Channel,NPDSCH)用于传播单播业务数据、寻呼消息以及随机接入响应(Random Access Response,RAR)消息等,子帧结构和NPDCCH相同,资源映射方式也基本相同,如图19和图20所示。NPDSCH与NPDCCH时分复用。

图17 Guardband/Standalone场景下的NPDCCH资源位置

Fig.17 NPDCCH resource location in Guardband/Standalone scenario

图18 In-band场景下的NPDCCH资源位置

图19 Guardband/Standalone场景下的NPDSCH资源位置

Fig.19NPDSCH resource location in Guardband/Standalone scenario

图20 In-band场景下的NPDSCH资源位置

3.2.2 上行物理信号与信道

1)窄带物理随机接入信道(Narrowband Physical Random Access Channel,NPRACH)用于终端发起随机接入请求,获取上行同步及必要的调度信息。UE通过在NPRACH中发送RA Preamble(随机接入前导码)来完成随机接入请求。RA Preamble在时域上统一占用8 ms,并支持重传,最多可达128次[26]。NPRACH在频域上占据45kHz,即12个子载波带宽。NB-IoT的工作带宽最多划分为4个NPRACH band,如图21所示。

图21 NPRACH资源位置

2)窄带物理上行共享信道(Narrowband Physical Uplink Shared Channel,NPUSCH)的作用是传递上行数据和控制信息,可使用Single-Tone和Multi-Tone方案传输。NPUSCH使用RU作为资源调度的基本单位,如表3所示。

3)上行解调参考信号(Demodulation Reference Signal,DMRS)用于信号的解调和同步测量。由于与NPUSCH复用,不同场景下DMRS的位置也不同,如图22所示。

图22 DMRS资源位置

4 NB-IoT信令流程

4.1 小区选择与系统消息接收

UE开机入网的主要流程如图23所示。当UE开机或进入覆盖区域后,通过读取系统消息SIB2获得公共陆地移动网络(Public Land Mobile Network,PLMN)列表。UE首先尝试选择上一次注册过的PLMN进行注册,如果失败,则根据SIM卡信息选择其他的PLMN,完成小区选择和驻留。最后进行随机接入及附着流程,完成入网。

图23 UE开机入网流程

NB-IoT的系统消息由一个MIB和7个系统信息块(System Information Blocks,SIBs)构成,分别称为SIB1、SIB2、SIB3、SIB4、SIB5、SIB14、SIB16[27]。每个系统信息块的主要参数如表4所示。

表4 NB-IoT系统消息构成

NB-IoT的系统消息调度关系如图24所示。MIB消息由NPBCH承载,调度周期为640 ms,UE可直接在NPBCH上接收;SIB1在NPDSCH上发送,调度周期为2 560 ms,具体位置由MIB调度;而其他的SIB使用系统信息下发,由SIB1调度映射到SI中[28-30]。

UE读取系统消息流程如图25所示。首先盲检NPSS,完成下行时间和频率的同步;然后盲检NSSS,完成帧定时和PCI信息的获取;获取PCI后,UE可以知道小区的NRS信息,从而获取小区的信号强度RSRP;同时,在完成下行同步后,UE通过盲检NPBCH信道读取MIB信息,得到SIB1的调度信息,再通过读取NPBSCH获得SIB1信息,最后通过SIB1获取其他SIB信息。

2.4 年龄对围产儿死亡发生影响 围产儿死亡的发生率，在经产妇中随年龄组的增高而增高， RR值更高。见表5。

图24 系统信息调度关系

图25 系统信息读取流程

4.2 随机接入

随机接入是UE进行通信前,由UE向基站请求接入,收到基站响应,并由基站分配随机接入信道的过程,目的是获得上行的时频资源以及时间同步。随机接入的主要流程如图26所示。

图26 随机接入流程

具体步骤如下:

1)UE通过SIB2获取RACH相关配置信息,根据RSRP测量结果和SIB2中的门限值选择对应的覆盖等级向基站发起随机接入请求(Msg1)。

2)基站收到Preamble ID后,根据其所在的时频资源位置推算随机接入无线网络临时标识(Random Access Radio Network Temporary Identifier,RA-RNTI)加扰NPDCCH,并在NPDSCH上发送随机接入响应RAR(Msg2),包括TC-RNTI、UL grant等信息。UE通过RA-RNTI解调NPDCCH来获取RAR在NPDSCH上的位置。

3)UE收到Msg2后,在RAR分配的资源上发送RRC Connection Request(Msg3),通过UL-SCH信道传输上行调度信息。

4)UE在发送Msg3后,启动竞争解决定时器,接受竞争完成消息。基站在MAC层进行竞争决议,下发Msg4,触发信令无线承载(Signaling Radio Bearer,SRB1)和SRB1bis建立。UE通过TC-RNTI解调NPDCCH来获取Msg4在NPDSCH上的位置。

5)UE完成SRB1bis无线资源配置,发送RRC connection complete消息给基站,完成随机接入。

4.3 数据传输流程

NB-IoT支持控制面(Control Plane,CP)传输和用户面(User Plane,UP)传输2种模式。

4.3.1 CP传输模式

由于UE大部分时间都是小包传输,并且发包间隔较长,为了节省开销,提出了CP传输方案。CP传输模式无需建立DRB(Data Radio Bearer,数据无线承载),数据通过承载在SRB上的NAS协议数据单元(Ptotocol Data Unit,PDU)进行传输。

CP模式传输流程如图27所示。当处于空闲态的UE有上行数据要传输时,先向基站发起RRC连接建立请求,并将需要发送的数据通过NAS PDU发送至基站;基站收到NAS PDU后,通过S1-AP Initial UE Message将其继续转发给移动管理实体(Mobility Management Entity,MME)。MME在检查完整性及解密后,向服务网关(Serving GateWay,S-GW)发起承载修改请求;S-GW再将承载修改请求发至PDN网关(PDN GateWay,P-GW),请求处理完成后,给MME回复一条承载修改响应。

完成承载修改后,MME会把数据转发给S-GW及P-GW,完成上行数据传输。当有下行数据传输时,MME将数据进行加密及完整性保护,通过下行S1-AP消息,将数据封装在NAS中传递给基站。基站继续通过RRC下行消息将数据发送至UE,并向MME发送一条通知消息,完成下行数据传输。在上下行传输完成后,基站会进行激活状态检测,如果没有数据传输,则进入去激活状态,进行S1释放流程,使终端重新进入空闲态。

图27 CP传输模式流程

4.3.2 UP传输模式

UP传输模式流程如图28所示。在随机接入后,基站通过S1-AP初始信息将NAS请求转发给MME。MME会进行资源分配,并通过S1-AP初始UE上下文建立请求消息发送至基站,基站收到后,通知UE发送安全模式配置及RRC连接重配置消息,配置完成后,基站通知MME空口的相关资源配置已经完成。接着MME向S-GW发送承载修改请求。完成承载修改后,即可进行上下行数据传输。

图28 UP传输模式流程

如果一段时间内没有数据发送,基站同样会激活承载释放流程,使UE回到空闲态。考虑到UP面承载建立和释放过程开销较大,对NB-IoT小包业务来说效率较低,因此UP模式增加了挂起(Suspend)和释放(Resume)流程,如图29和图30所示。UE在无数据传输时,基站缓存UE的AS上下行信息,使UE进入挂起状态。处于挂起状态的UE进行主被叫业务时,会通过Msg3发送Connection Resume Request通知基站退出RRC-IDLE状态,基站激活UE进入连接态。

图29 Suspend流程

图30 Resume流程

5 NB-IoT性能测试

为深入探究NB-IoT的实际应用性能,本节通过构建包含NB模块、NB基站及后台控制程序3个环节的闭环系统,对NB-IoT的各方面性能进行实地测试,包括距离对信号质量的影响、距离对上下行吞吐量的影响、PING时延及半封闭环境下的穿透性等。

5.1 闭环测试系统

5.1.1 闭环测试系统架构

开发板与后台程序所形成的闭环系统架构如图31所示。基站与NB模块建立连接之后,将模块的发出请求或数据送至核心网,由NB核心网将数据接入互联网,再通过路由,送至指定IP地址的后台控制程序上。

图31 闭环系统架构

5.1.2 NB模块开发板以及后台控制程序

测试采用移远公司的bc95模块开发板,如图32所示。开发板采用stm32f103芯片,搭载基于华为公司Boudica 120芯片的NB模块,利用Visual Studio编写一款测试软件。该软件的主要功能是与NB模块互联,下发命令获取相应数据,并通过界面显示。软件包含2个测试界面,分别如图33和图34所示。其中:图33为子界面1,用于显示NB基站及NB模块信息,测试将RSRP和SNR作为主要指标;图34为子界面2,用于测试NB模块的上下行吞吐量以及PING时延。

图32 NB模块开发板实物图

图33 后台控制界面1

图34 后台控制界面2

5.1.3 测试环境、测试指标及测试方案

测试选在某大学校区内进行。该校区内NB基站的分布如图35所示。

图35 NB基站分布

本文进行以下4个测试:

测试1测试NB模块在距基站不同距离的信号强度,评估距离对信号质量的影响。

测试2测试NB模块在距基站不同距离的下行吞吐量,以及Single-Tone、3.75 kHz子载波间隔下的上行吞吐量,评估距离对上下行吞吐量的影响。采用发送AT指令的方式直接查询MAC层吞吐量。

测试3测试NB模块在不同信号强度下的发送时延,评估信号强度对发送时延的影响。采用发送AT指令的方式查询PING时延。发送一定字节数的数据包,立即查询PING时延,显示查询结果。

测试4根据文献[10]可知,NB-IoT具有深度室内穿透性能。本项测试选用一处半封闭干扰场景对以上3项指标进行测试,以检验NB-IoT的穿透性能。

5.2 实测数据

在进行测试1～测试3时,用NB模块连接2个NB基站,代码分别为733880和733882(下称基站1、基站2),分别选择距离基站50 m、100 m、150 m、200 m、250 m的5个点来测试上述3项指标。两基站测试位置分别如图36和图37所示,其中标志点指示的测试点处于高大建筑群中,这对模块的信号质量可能会产生一定影响。

图36 基站1测试点位置

图37 基站2测试点位置

测试1测试NB模块的信号强度,评估距离对信号质量的影响。

在2个基站每个测试点分别进行10组测试,对测试结果取平均值,如表5所示。

表5 测试1实测数据

测试2测试NB模块上下行吞吐量,评估距离对吞吐量的影响。

在2个基站每个测试点分别进行10组测试,对测试结果取平均值,如表6所示。

表6 测试2实测数据

测试3测试NB模块的PING时延,评估信号强度对时延的影响。

在连接两基站的各测试点分别进行10组测试,对测试结果取平均值,如表7所示。

表7 测试3实测数据

测试4测试NB模块在半封闭环境下的信号质量,评估NB-IoT的穿透性能。

本项测试选用校区附近一处地铁站的4个进站口作为测试点,每个测试点都在地面上以及进站后的地下半封闭环境分别测试,4个测试点及其所连接的基站位置如图38所示。

图38 测试4测试点位置

在4个测试点的地上、地下环境分别测试NB模块的RSRP,SNR及PING时延3项指标。4个测试点均连接基站733885,在每个测试点对上述3项指标分别进行10组测试,将测试数据取平均值后得到如表8所示的测试数据。

表8 测试4实测数据

5.3 实验结果分析

通过上述测试,可以得出以下结论:

1)由表5可以看出,当距基站250 m左右时,模块仍保持-80 dbm～-70 dbm的信号强度。此外也可以看出,在与基站距离相近的情况下,高大建筑群对信号质量有一定影响。

2)在一定距离内,模块的上下行速率比较稳定,下行处于13 kb/s～18 kb/s之间,上行吞吐量约为4 kb/s左右,这与文献[11]中62.5 kb/s的上行峰值速率有较大差距。主要原因是测试中NB模块使用Single-Tone及3.75 kHz子载波间隔进行上行传输,而文献[11]中的数据是在Multi-Tone,以及12个子载波同时调度的模式下计算出的峰值速率。另根据文献[18]中对NB-IoT链路速率的计算,在Single-Tone及3.75 kHz子载波间隔下,上行速率为3.65 kb/s～4.08 kb/s之间,与本次测试结果基本吻合。

3)在一定距离内,模块的PING时延比较稳定,约在350 ms～380 ms之间。这与文献[31]中NB-IoT的业务态单向时延测试所得的400 ms的数据基本一致。

4)在干扰较强的地下场景,NB模块的信号质量受到较大影响,信号的RSRP,SNR等性能指标都有不同程度的下降。其中RSRP下降20 dB左右,这与文献[18]中对室外场景的覆盖分析给出的城市墙体穿透损耗为17 dB～-25 dB的数据基本吻合,也说明NB-IoT在建筑物内部覆盖的实际效果一般,今后需着重研究增强覆盖的其他措施。

6 结束语

本文介绍NB-IoT技术的相关知识,包括标准化历程、技术特点、物理层结构、主要信令流程等,并对其实地性能进行测试。目前的NB-IoT技术在数据安全与传输可靠性方面还存在不足,但其在低速率、高时延、低频次以及弱移动性[32-33]场景下表现非常突出。下一步将在本文基础上,研究NB-IoT与Zigbee、WiFi等无线通信技术的融合与集成方法。