深扒 NB-IoT（1）|NB-IoT 的概念和演进

NB-IoT，英文全拼 Narrow Band Internet of Things，即基于蜂窝的窄带物联网。

一、NB-IoT的由来

在 GERAN 工作组关闭前的 GERAN #62 次全会上，通过了 GP-140421 SID「Cellular System Support for Ultra Low Complexity and Low ThroughputInternet of Things」着手研究非后向兼容传统 GSM 系统的蜂窝物联网（Cellular oT）方案，以实现在 200 kHz 系统带宽上支持窄带物联网技术。GERAN 工作组中前期研究的 Cellular IoT 方案是非后向兼容的方案，主要针对 Stand-alone 部署的场景。2015 年 8 月，GERAN 工作组输出与窄带物联网相关的研究报告 TR45.820。3 GPP PCG#34 决定将与窄带物联网相关的标准化工作转至 3 GPP RAN 进行，NB-IoT  标准化的时间进度如下图。

NB-IoT标准化时间进度图

在 TR45.820 中，最有影响的技术是 NB-LTE 和 NB-CIoT 两个技术。其中，NB-CIoT 技术下行采用 3.75 KHz 子载波间隔的 OFDMA 技术，上行采用 FDMA（基于单载波 single carrier+GMSK 调制）技术，该技术主要适用于 Stand-alone 的部署场景。NB-LTE 下行采用 15 KHz 子载波间隔的 OFDMA 技术，上行采用 SC-FDMA 技术，能更好地和现有 LTE 系统兼容，该技术除了用于 Stand-alone 部署场景，还能很好地支持 In-band 和 Guard-band 的部署场景。

NB-IoT WI 于 2015 年 9 月 RAN #69 次会议正式立项，立项文件中确定：下行采用 OFDMA 的多址技术，但没有确定子载波间隔是 15KHz 还是 3.75KHz；上行将 GMSK 的 FDMA 方案和 SC-FDMA 技术列为两个备选技术，通过 RAN1 小组的技术评估确定选用哪种技术。RAN1 #82bis 和 RAN1 #83 两次会议上多家公司提交了大量仿真评估文稿。RAN1 #83 次会议对各家公司的仿真结果进行了分析和汇总。对于下行 15kHz 和 3.75kHz 的子载波间隔，在 Stand- alone、Guard-band 和 ln-band 3 种部署场景下，下行各信道都能满足在极端覆盖下要求的 164 MCL 的覆盖目标；对于容量性能，下行 15kHz 子载波间隔能满足 3 种部署场景下的容量目标，在 ln-band 部署场景下，采用 3.75kHz 子载波间隔的 NB-loT 系统和传统 LTE 系统之间将会有很大的干扰，主要体现在 LTE CRS 与 NB-loT 间的干扰以及 NB-loT 系统对 LTE 控制信道的影响。考虑到在 ln-band 场景下，采用 15kHz 的子载波间隔不会对 LTE 系统产生干扰，15kHz 子载波间隔也能满足 NB-loT 系统的需求，多数公司支持下行采用 15kHz 的子载波间隔。从各公司的仿真结果上看，上行 SC-FDMA 和基于 GMSK 的 FDMA 的技术都能满足极端覆盖下的覆盖目标。但基于 GMSK 的 FDMA 方案由于各用户的载波彼此不正交，相邻载波之间都需要保护带，开销较大，上行系统容量不如基于 SC-FDMA 的方案。因此，多数公司支持 SC-FDMA 技术。在 RAN1 #83 次会议上基本确定下行采用基于 15kHz 子载波间隔的 OFDMA 方案，上行采用 SC-FDMA 技术，支持单子载波（Single-tone）发送和多子载波（Multi-tone）发送，终端需要指示对单子载波发送和多子载波发送的支持能力。

在 RAN#70 次会议上更新了 NB-loT 立项，明确 NB-loT 下行采用基于 15 kHz 子载波间隔的 OFDMA 方案，上行采用 SC-FDMA 技术。

二、NB-IoT 应用场景：

物联网（IoT，Internet of Things）是未来信息技术发展的重要组成部分，其主要技术特点是将物品通过通信技术与网络连接，从而实现人机互连，物物互连的智能化网络。根据物联网业务带宽、功耗、连接数的不同，可划分为三个层次，如下图所示。

物联网业务总体特征图:

1) 高速率业务主要指支持外接电源供电、对功耗无要求的业务（如视频监控、电子广告牌等）。

2) 中等速率业务主要指支持外接电源供电、对功耗要求不严格的业务（如智能家居、传统车联网等）。

3) 低速率业务主要指通过电池供电、要求超低功耗和超长待机时间，具有超大连接数，超低成本的业务（如无线抄表，工业传感等）。

由于传统无线网络没有对物联网业务进行过专门设计和优化，因此无线数传功耗较大，成本较高，不适用于大连接、低速率、低功耗、低成本的物联网业务场景。3 GPP 针对此类物联网业务的特点，专门设计制定了 NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）协议标准。

NB-IoT，英文全拼 Narrow Band Internet of Things，即基于蜂窝的窄带物联网, NB-IoT 构建于蜂窝网络，只消耗大约 180KHz 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。

三、NB-IoT 性能如何？（对比 eMTC）：

在低速物联网领域，NB-IoT 作为一个新制式，在成本，覆盖，功耗，连接数等技术做到极致。eMTC 设计上考虑与 LTE 兼容，对有时延，语音，移动性的物联网领域业务更占优势，如穿戴类设备。

NB-IoT 和 eMTC 均工作在 3 GPP 授权频段，两者针对不同业务场景 (覆盖、速率、时延），面向不同细分市场。

两者覆盖增强技术差异：NB-IoT 主要依赖高 PSD+重复技术，eMTC 主要依赖重复技术+跳频。

总结来看 NB-IoT 带来的价值如下：

1）频谱资源利用最大化

NB-IoT 支持 Standalone、LTE Guardband 和 LTE In-band 3 种部署方案，可充分利用运营商现有的频谱资源，提升频谱利用率。

2）支持大量低速用户

NB-IoT 基于低速率、低频次数据传输的 M2M 应用的业务模型，因此可以支持大量用户。

3）深度覆盖

通过时域重复和功率谱密度提升等技术，覆盖深度与 GSM 相比获得了 20dB 的增益。

4）终端低功耗

NB-IoT 针对物联网业务特点，优化了协议栈，使得信息处理和信令交互过程得到简化，降低了终端耗电，延长了待机时间。

四、NB-IoT 的演进：

NB-IoT 标准化也进展迅速。远在 2016 年 3 GPP 发布了第一个标准，满足了大部分广覆盖、低功耗、大联接，固定场景下的联接需求，如：水表，停车。2017 年，3 GPP R14 发布了，可支持定位、多播功能、以及更高带宽，因此可满足定位跟踪、批量升级、可穿戴业务；今年 3 GPP 将发布 R15，可支持 TDD，小站等，满足更灵活的部署模式。

3 GPP R13：

• 180Khz 带宽 In-band/Guard-band/Standalone 部署模式

• 下行： OFDMA(15kHz 子载波),

•上行：SC-FDMA, Single-tone (3.75kHz/15kHz) & Multi-tone(15kHz)

• 覆盖:  20dB gain v.s. GSM

• 低功耗：PSM， eDRX

3 GPP R14：

• 定位

• 多播

• 多 PRB 增强

• 移动性及业务连续性增强

• 新的功率等级

• 下行 80kbps/上行 106kbps (EQU GPRS)

3 GPP R15

• TDD

• 低时延、低功耗

• Standalone 运行模式增强

• NB-IoT 小站

• 高精度窄带测量

五、NB-IoT解决方案总体架构：

NB-IoT 终端：等于行业终端加上 NB-IoT 模块，通过空口连接到 eNodeB。

eNodeB：主要承担空口接入处理和小区管理等相关功能，通过 S1-lite 接口与 IoT 核心网进行连接，将非接入层数据转发给高层网元处理。

IoT 核心网：承担与终端非接入层交互的功能，将 IoT 业务相关数据转发到 IoT 平台进行处理。

IoT 平台：汇聚从各种接入网得到的 IoT 数据，根据不同类型转发至相应的业务应用进行处理。

应用服务器：是 IoT 数据的最终汇聚点，根据客户的需求进行数据处理等操作。

总结来看：

1）重用站点基础设施，降低部署成本，

2）支持接口优化，优化 30% 以上信令开销，支持终端节电和降成本，

3）基于 CloudEdge 平台优化的 IoT 专用核心网，可与现网组 pool，降低每连接成本。