窄带物联网(NB-IoT)原理与技术第1章

第1章NB-IoT概述1.1NB-IoT技术需求背景1.2NB-IoT技术特点1.3NB-IoT技术演进及应用实例

1.1NB-IoT技术需求背景

1.1.1技术需求背景窄带物联网(NarrowBandInternetofThings，NB-IoT)是基于全新空口设计的物联网技术，是3GPP标准组织针对低功耗、广覆盖类业务而定义的新一代蜂窝物联网接入技术。

移动通信技术经历了从模拟信号调制到数字信号调制、从电路交换传输到分组交换传输、从纯语音业务到数据业务、从低速数据业务到高速数据业务的快速发展，不但实现了人们对于移动通信的梦想，即“任何人，在任何时间和任何地点，同任何人通话”，而且还实现了在高速移动过程中发起视频通话、互联网冲浪、实时上传下载文件、照片、视频等功能。

物联网需求可根据速率、时延及可靠性要求，分为三大类。

(1)业务类型一：低时延、高可靠业务。该类业务对吞吐率、时延或可靠性要求较高，其典型应用包含车联网、远程医疗等。

(2)业务类型二：对速率、时延及可靠性要求低于类型一，部分应用有移动性及语音要求，典型应用包含智能安防、可穿戴设备等。

(3)业务类型三：低功耗广域覆盖业务。这类业务特征包括低功耗、低成本、低吞吐率、广覆盖及大容量，其典型应用包含智能抄表、环境监控、物流等。

1.1.2物联网简介

物联网(InternetofThings，IoT)是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络，主要是把所有物品通过信息传感设备与互联网连接起来，进行信息交换，即物物相息，以实现智能化识别和管理。

物联网网络架构由感知层、网络层和应用层组成。

(1)感知层实现对物理世界的智能感知识别、信息采集处理和自动控制，并通过通信模块将物理实体连接到网络层和应用层。

(2)网络层主要实现信息的传递、路由和控制，包括延伸网、接入网和核心网，网络层可依托公众电信网和互联网，也可以依托行业专用通信资源。

(3)应用层包括应用基础设施/中间件和各种物联网应用。应用基础设施/中间件为物联网应用提供信息处理、计算等通用基础服务设施、能力及资源调用接口，以此为基础实现物联网在众多领域的各种应用。

物联网的组成结构如图1-1所示。图1-1物联网组成结构图

物联网服务业主要包括物联网应用基础设施服务业、物联网软件开发与应用集成服务业、物联网应用服务业和物联网网络服务业四大类。

(1)物联网应用基础设施服务业主要包括云计算服务、存储服务等。

(2)物联网软件开发与集成服务业又可细分为基础软件服务、中间件服务、应用软件服务、智能信息处理服务以及系统集成服务。

(3)物联网应用服务业可分成行业服务、公共服务和支撑性服务。

(4)物联网网络服务业分为M2M信息通信服务、行业专网信息通信服务等。

物联网相关应用产业如图1-2所示。图1-2物联网相关应用产业

物联网产业的发展不是对已有信息产业的重新统计划分，而是通过应用带动形成新市场、新形态。物联网产业的应用可分为以下三种情形。

(1)物联网应用对已有产业的提升，主要体现在产品的升级换代方面。

(2)物联网应用对已有产业的市场横向拓展，主要体现在领域延伸和量的扩展方面。

(3)物联网应用创造和衍生出独特的市场和服务，如传感器网络设备、M2M通信设备以及服务、物联网应用服务等均是物联网发展后才形成的新型业态，为物联网所独有。

物联网产业结构如图1-3所示。图1-3物联网产业结构

随着网络的建设，依靠GPRS模组的智能抄表业务应运而生，比人工抄表技术先进、效率更高、更安全，解决了人工抄表的一系列问题，但采用GPRS模组的远程抄表也存在如下弊端：

(1) GSM通信基站容量少；

(2)模块功耗高，待机时间短；

(3)部分场景(如地下室、楼道密集处)的信号覆盖差，容易导致仪表“失联”。

采用NB-IoT模组的远程抄表，在继承GPRS模组功能的同时，还具有以下特点：

(1)容量提升，相同基站容纳的通信用户数量有数十倍的提升；

(2)模块功耗低，待机时间长；

(3)信号覆盖更好，可覆盖到室内与地下室；

(4)通信模组成本低。

1.1.3物联网技术对比

物联网技术主要由3GPP、IEEE802委员会、Ingenu、Sigfox、LoRaAlliance等组织进行研究和标准化推进。

(1) 3GPP是欧美中日韩标准化组织合作进行的3G标准化项目，创建于1998年12月，现已延伸到5G。

(2) IEEE802委员会成立于1980年2月，它的任务是制定局域网和城域网标准。

其主要研究IEEE802系列标准，这一系列标准中的每一个子标准都由委员会中的一个专门工作组负责，例如：

物联网技术的研究和标准化分别由表1-1所示的组织推进。

介绍几个物联网关键技术名词。

(1) WiFi：一种允许电子设备连接到一个无线局域网(WLAN)的技术，通常使用2.4GUHF或5GSHFISM射频频段。连接到无线局域网通常是有密码保护的，但也可以是开放的，即允许WLAN范围内的任何设备连接上。

(2) ZigBee：又称紫蜂，来源于蜜蜂的八字舞信息传递，基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率，主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

(3) Bluetooth(蓝牙)：一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换，使用2.4～2.485 GHzISM波段的UHF无线电波。蓝牙技术由爱立信公司于1994年创制，当时是作为RS232数据线的替代方案。

(4) Sigfox：由一家法国公司(Sigfox)创制，主要用于低功耗物联网。Sigfox网络利用了超窄带UNBM技术。超窄带UNBM采用VMSK(甚小偏移(边带)键控)或VWDK(甚小波形差键控)方式，使频谱利用效率超越传统极限，同时在未编码状态下即可取得较好的功率增益。

(5) LoRa(LongRange)：由升特公司(Semtech美国)发布的一种专用调制解调的技术，融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码。法国电信运营商布依格电信(Bouygues)在2017年6月进行LoRa物联网专用网络商用。

(6) LTE-M(LTE-Machine-to-Machine)：基于LTE演进的物联网技术，在LTE的协议规范R12版本中叫Low-CostMTC，在R13中被称为LTEenhancedMTC(eMTC)，旨在基于现有的LTE载波满足物联网设备需求。

物联网技术可按速率、覆盖距离、频谱使用的三个维度进行分类。

(1) 按速率来分，有支持高速速率(1  Mb/s～10  Mb/s)的LTECat.1和Cat.0、WiFi，有支持低速率(低于20  kb/s)的ZigBee、RPMA、LoRa、NB-IoT、UMBM，以及介于高低速率之间的蓝牙Bluetooth、Weightless-P、802.11WiFi、EC-GSM、LTECat.m1等。

(2)按覆盖距离来分有短距离(覆盖距离在100 m以内)和长距离(覆盖距离在100 m以上)。

①短距离覆盖的无线局域网(WLAN)或无线个域网(WPAN)技术，一般覆盖距离在100 m以内，代表技术有WiFi、ZigBee、Bluetooth等。短距离覆盖技术适合非组网情况下的设备对设备通信。

②长距离覆盖的无线广域网(WWAN)技术，一般覆盖距离在几百米到几千米，代表技术有NB-IoT、Sigfox、LoRa、eMTC等。

(3)在电信领域，频谱是宝贵的资源，为防止不同用户之间出现干扰，无线电波的产生和传输受法律的严格管制，由国际电信联盟(ITU)协调。

除NB-IoT物联网技术之外，其他各类物联网技术都存在如下问题或不足：

①终端续航时长无法满足要求。

②采用2G/3G/4G技术无法满足海量终端的接入需求。

③典型场景的覆盖不足。

④干扰控制及安全机制差。

物联网技术分类对比如图1-4所示。图1-4物联网技术分类对比

1.2NB-IoT技术特点

NB-IoT(NarrowBandInternetofThings)是一种基于蜂窝网的窄带物联网技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接。与传统蜂窝网络技术相比，NB-IoT具有以下特点：业务更聚焦、终端成本低且功耗低、网络覆盖广、网络容量大、部署便捷、运营模式新等。本节将从业务市场、低成本、低功耗、广覆盖、大容量、网络部署以及运营模式几个方面进行介绍。

1.2.1业务市场

依据速率要求，把通信业务市场分为高速率业务市场和低速率业务市场，通信业务市场发展方向如图1-5所示。

图1-5通信业务市场发展方向

面对网络提速降价的趋势，传统流量业务增速减缓，运营商们急需打开新业务市场创收，而低速率业务市场，是创收的新突破点。NB-IoT以低速率、低业务量、低频次业务为主，目前主要应用以自动上报和网络命令为主，如烟雾告警、智能仪表、电源失效通知、闯入通知等异常状态监控上报；智能水气电表、智能农业、智能环境等周期状态监控上报；门禁开关、请求读表读数等网络命令触发的上报状态；软件补丁远程升级等。NB-IoT技术应用如表1-2所示。

NB-IoT技术应用的场景如表1-3所示。

1.2.2低成本

NB-IoT低成本的目标是：

(1)  NB-IoT采用窄带系统，基带复杂度低，不需要复杂的均衡算法；

(2)使用单天线、半双工FDD传输，射频模块成本低；

(3)协议栈简化；

(4)目前单个模块做出来的成本不超过5美元，目标是做到1美元左右。

协议中NB-IoT模组设计方案包括一个处理器平台、无线电收发器和电源管理电路的SoC，带有用于频率引用的外部组件和一些射频前端电路，具体有：

(1)微控制器单元(MCUCore)负责处理平台运行协议栈，DSPCore负责DSP软件的调制解调。

(2)嵌入式闪存(EmbeddedFlash)用于软件更新/重新配置以及临时存储数据。

(3)传输功率放大器(PowerAmplifier，PA)可采用外置方案，也可采用集成功放方案。

(4)带外滤波器(BasebandFilter)，位于接收路径(Rx)上，用于滤波，使接收信号达到所需的范围。

(5)射频模块采用晶体振荡器，晶体振荡器的稳定性对温度要求较高，为提升覆盖性能，NB-IoT采取重复收发数据，这会延长收发时间，引起晶振发热而导致频偏，所以NB-IoT引入上下行发射时间间隔(ULgap和DLgap)，以保持晶振不会因过热而导致性能下降。

(6)电源管理模块(PowerManagement)，负责管理电源DC转换。

协议芯片模块设计方案如图1-6所示。

图1-6协议中芯片模块设计方案

协议芯片设计方案简图如图1-7所示。图1-7芯片设计方案简易示意图

相比R12版本的物联网Cat.0终端和R12版本的LTECat.4终端，NB-IoT的芯片设计进行了更进一步简化，为降低成本，NB-IoT采取如下简化措施：

(1)协议栈简化，降低基带复杂度；

(2)精简射频模块，采用单天线、半双工方式；

(3)  NB-IoT上行峰均比低，可采用内置PA，降低功耗及成本；

(4)  NB-IoT传输数据量小，可采用小容量存储Flash。

NB-IoT芯片模块与Cat.4及Cat.0对比如图1-8所示。

图1-8NB-IoT芯片模块与Cat.4及Cat.0对比

1.2.3低功耗

NB-IoT终端低功耗特性体现在以下三点：

(1)减少芯片工作电流：NB-IoT芯片复杂度降低，工作电流小。

(2)优化终端监听网络的频率：例如通过eDRX或PSM减少终端监听网络的频率，减少接收单元不必要的启动。

(3)空口信令简化，减小单次数据传输功耗：由于设备消耗的能量与数据量或速率有关，单位时间内发出的数据包大小决定了功耗的大小。

1.2.4广覆盖

在通信系统中，一般采用最大耦合损耗(MaximumCouplingLoss，MCL)衡量一个系统的覆盖能力，MCL定义为基站和终端之间的最大耦合损耗，数值越高表示覆盖能力越好，图1-9给出四种3GPP代表技术的MCL对比情况。图1-9NB-IoT与eMTC、LTE、GSM的覆盖性能对比

NB-IoT提高网络覆盖的措施主要有三点：一是重复传输，二是功率谱密度增强，三是采用更低阶的调制技术。

(1)重复传输。重复传输即是将信号码元多次传输，虽然降低了信息的传输速率，但是提升了解调和译码的可靠性，特别是在低信噪比的接收环境下更加有效。

(2)功率谱密度增强。在上行方向上，NB-IoT支持3.75 kHz、15 kHz两种子载波间隔，支持Single-Tone和Multi-Tone资源分配。NB-IoT依赖功率谱密度增强(PowerSpectrumDensityBoosting，PSDBoosting)和时域重复(TimeDomainRepetition，TDR)来获得比GPRS或LTE系统多20dB的覆盖增强。

(3)低阶调制。鉴于NB-IoT业务需求的速率很低，100b/s左右已经可以实现大部分业务，所以可采用低阶的调制技术，如BPSK、QPSK、更短长度的CRC校验码等。

1.2.5大容量

1. NB-IoT如何做到单小区5万用户的容量

1)话务模型有别于传统网络

NB-IoT基站是基于物联网的模式进行设计的。物联网的话务模型与手机用户的话务模型不同，物联网话务模型是用户数量很多，但单个用户发送的数据包较小，且发送包对时延要求不敏感；而2G/3G/4G的话务模型是保障用户在做业务的同时可以保障时延，所以用户的连接数控制在每小区1000个。

对于NB-IoT来说，基于对业务时延不敏感，可以接纳更多的用户，保存更多的用户上下文，这样可以让5万个用户同时接纳在一个小区。由于大量用户处于休眠态，且上下文信息由基站和核心网维持，一旦有数据发送，可以迅速进入激活态。简单地说，NB-IoT终端大部分都在睡觉，可以不做业务，所以基站可以接纳更多的用户。物联网的话务模型与手机用户话务模型区别如表1-4所示。

2)上行调度颗粒小，效率高

相比于2G/3G/4G的大颗粒资源调度，NB-IoT因基于窄带，上行传输有两种信道带宽选择(3.75kHz和15kHz)，子载波带宽越小，上行调度颗粒越小，越灵活；在同样的资源情况下，资源的利用率越高。

3)信令开销减少

物联网业务多是小包，用2G/3G/4G会出现信令占比大而数据占比小的问题，NB-IoT针对小包的场景，传输同样的数据量，信令承载相对传统网络要少，如图1-10所示。图1-10信令开销示意图

2.如何估计NB-IoT网络容量

NB-IoT网络容量计算思路如下：

(1)从业务模型出发计算每天用户发起业务的次数；

(2)从用户分布模型计算不同MCL覆盖等级的用户比例，因不同覆盖等级会配置不同的重传次数，直接影响着小区容量；

(3)根据不同覆盖等级的重发次数，分析上下行开销；

(4)分别计算业务信道容量、控制信道容量、寻呼容量、随机接入容量；

(5)取四种容量结果的最小值，即为NB-IoT的小区容量。

1.2.6网络部署快捷

NB-IoT可采用带内部署、保护带部署或独立部署三种部署方案。NB-IoT既可以使用现有网络基站通过软件升级部署，以降低成本，实现平滑升级，也可使用单独的授权频段，不占用现有网络的语音和数据带宽，保证传统业务和NB-IoT业务同时稳定可靠地运营。

(1)带内(In-band)部署：由于NB-IoT的工作带宽是180 kHz，等同与LTE中的一个PRB的带宽，所以NB-IoT可部署在LTE的工作带宽内。

(2)保护带(Guard-Band)部署：由于现网LTE中有保护带，例如20M的LTE带宽，在频率的左右两端各预留出1M的带宽做保护，所以NB-IoT可部署在LTE的保护带内。

(3)独立(Stand-alone)部署：NB-IoT采用独立部署模式时NB-IoT独占频谱，不存在与LTE共用频率的问题。例如中国LTE频谱基本集中在1.8 GHz、2.1 GHz、2.3 GHz、2.6 GHz等频段，而GSM频段集中在900 MHz和1800 MHz，对于无线电波传播来说，频率越低，传播损耗越低，所以NB-IoT采用独立部署时，多采用重耕GSM的频段进行部署。

NB-IoT的三种频率部署模式如图1-11所示。图1-11NB-IoT部署模式

在主设备硬件部署中，有两种方案。

(1)单独部署场景：在BBU中采用单独的NB-IoT主控板，使用NB-IoT单模RRU，如图1-12(a)中新建NB-IoT单模基站。

(2)混合部署场景：与其他系统(如GSM或LTE)一起共用BBU、RRU进行软件升级，支持双模或多模RRU，如图1-12(b)中的NB-IoT与FDDLTE共站和图1-12(c)中NB-IoT/FDDLTE/GSM共站。(a)新建NB-IoT单模基站(b) NB-IoT与FDDLTE共站图1-12NB-IoT无线主设备方案(c) NB-IoT/FDDLTE/GSM共站图1-12NB-IoT无线主设备方案

在基站天线的部署方案中，可采用独立天线部署或多模共天馈部署方式，如图1-13所示，图(a)中NB-IoT采用独立天线，图(b)NB-IoT采用与GSM/FDDLTE共天馈方式。(a) NB-IoT独立新建天馈图1-13NB-IoT基站天线部署方案(b) NB-IoT与FDDLTE/GSM共天馈图1-13NB-IoT基站天线部署方案

1.2.7运营模式新

1. NB-IoT通信管道模式

通信管道模式中电信运营商占据主导地位，无论是业务的开发与推广，还是平台的建设与维护，都是以电信运营商为主力。例如，远程抄表、资产跟踪等物联网应用只有在需要读数或跟踪上报的时候才产生流量。

2. NB-IoT用户主导模式

用户主导模式由用户承担物联网平台的全部费用和整个服务体系的搭建。此类商业模式中，用户是核心，但需要设备提供商、电信运营商、系统集成商、软件开发商等通力合作，形成一套完整可运营的方案交付给用户使用。

3. NB-IoT云平台模式

云平台模式建立在云计算平台的基础之上，以用户服务为中心，根据已有的运营平台和业务能力，针对目标市场整合内外部资源，形成用户、厂家、其他市场参与者共同创造价值的网络商业模式。此商业模式可以基于分段的收费方式，即设备与云平台、云平台与垂直应用分别收费。

4. NB-IoT应用市场模式

应用市场商业模式类似苹果应用市场和安卓应用市场，电信运营商建立物联网应用市场，向用户收费，与应用开发者分成，实现利益共享。电信运营商将自身硬件制造和软件开发领域优势相整合，如创造应用软件开发平台、与运营商和软件开发商合作，形成一个综合的生态系统。

1.3NB-IoT技术演进及应用实例

1.3.1NB-IoT标准演进历史NB-IoT标准演进比较短，演进历史如图1-14所示。图1-14NB-IoT标准演进历史

1.3.2NB-IoT技术应用实例

1. NB-IoT技术应用实例1：“小牧童”奶牛发情监测云系统

目前，在我国大部分中小型奶牛场，奶牛养殖完全靠饲养管理员通过人工观察来获得奶牛饲养管理信息，采用人工观察方式很难做到对大规模奶牛个体活动信息进行实时监控，因而时常错过奶牛发情受孕最佳时机，极大地降低了奶牛的产奶量，影响其经济效益。

“小牧童”奶牛发