芦君

摘要：随着通信技术的不断发展，物联网将为个人、社会和行业提供高效链接，但这又不仅仅是简单的海量链接，更是办公、购物、医疗、教育、娱乐、交通、社交等多种垂直行业的价值环节和生产要素等资源高度融合的链接。NB-IoT（NarrowBand-InternetofThings，窄带物联网）是一种3GPP定义的LPWA（LowPowerWideAreaNetwork，低功耗广域网）基于蜂窝网络的标准化物联网解决方案，由于其具有深度覆盖能力、支持海量连接、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点，非常适合于传感、计量、监控等物联网应用。基于此，本文主要对NB-IoT物联网覆盖增强技术进行分析探讨。

关键词：NB-IoT;物联网;覆盖增强技术

1、前言

2017年6月，工信部下发《关于全面推进移动物联网（NBIoT）建设发展的通知》。要求建设广覆盖、大连接、低功耗移动物联网（NB-IoT）基础设施、发展基于NB-IoT技术的应用，促进“大众创业、万众创新”和“互联网+”发展;网络部署方面要求到2017年末，实现NB-IoT网络覆盖直辖市、省会城市等主要城市，基站规模达到40万个。到2020年，NB-IoT网络实现全国普遍覆盖，面向室内、交通路网、地下管网等应用场景实现深度覆盖，基站规模达到150万个。由此引起广泛的关于NB-IoT技术及应用的探讨。

2、NB-IOT技术概述

2.1概述

物联网是由物主动发起传送、物物相连的互联网，顾名思义，人主動控制信息传送非物联网范畴。依据这个概念出现了物连物（M2M）和物主动连人（M2P）的连接新时代。随着人们对移动网络实时性、高速率的越来越高的追求蜂窝移动通信网络由2G、3G发展到如今的4G+阶段，5G的研发和商用也在如火如荼进行，移动网络速度由几十Kbps发展到几百Mbps甚至更高，但鉴于物与物连接阶段的独特特性，这些飞速发展的网络并不适用。

NB-IOT聚焦于低功耗广覆盖物联网（IoT）市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗少、架构优等特点。

2.2物联网接入技术比对

在物联网接入技术中，包括短距技术、广域连接技术，其中广域连接技术指传统蜂窝网（2G/3G/4G）和LPWA等。针对新型网络连接技术LPWA，根据标准类型的不同，分为3GPPLPWA和非3GPPLPWA，前者包括eMTC/NB-IOT，后者包括SigFox和LoRa。相比非授权频段的LoRa及Sigfox技术，电信级的eMTC技术及NB-IOT技术更加安全可靠。

为适应物联网的应用，3GPP制定了一系列增强型的标准，他们的速率呈倒金字塔型，见表2。这一系列的标准也达到广覆盖、多连接、低功耗、低成本的目标。Cat1：适用于中低速需求的应用;另外值得一提的是Cat1支持VOLTE。

Cat0：向CatM1演进的过渡版本。

eMTC：增强型机器类型通信。信道带宽和射频接收带宽均为1.4MHz;降低了终端复杂度及功耗。

NB-IoT：“窄带物联网”Narrow-BandIoT（NB-IoT），接收带宽仅200kHz。进一步降低功耗，提升覆盖，尤其是遮挡区和地下覆盖环境。

3、NB-IOT关键特性及应用场景

3.1NB-IOT关键特性

3.1.1大链接：小包传输优化空口信令开销，减少无限资源占用。在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数。支持低延时敏感度、设备低成本、低功耗，能很好地满足未来智慧家庭中大量设备联网需求。

3.1.2覆盖增强：NB-IoT覆盖增强20dB增益，可很好地提升室内覆盖深度和覆盖概率。对于农村、车库等深度覆盖有要求的应用较适用。

3.1.3低功耗：芯片复杂度降低，工作电流小;空口信令简化，减少单次传输功耗;同时PSM/eDRX机制进一步优化了信令交互传输功耗;长周期TAU，减少发送位置更新，降低功耗，设备续航时间大幅提升。

3.1.4低成本：NB-IoT的射频和天线基本上都是复用的。180kHz窄带系统，系带复杂度降低;低采样速率，对缓存要求较小;低速率、低功耗、低带宽给NB-IoT芯片以及模块带来低成本优势。

4、NB-IoT覆盖增强技术

从上面分析来看，只要通过有效调整参数，增大MCL，就可以实现NB-IoT的覆盖增强。

4.1重复传输，延长信号码元的传输时间。码元的重复传输事实上就是一个最简单的信道编码，尽管降低了信息的传输速率，但是在解调或译码上的可靠性，特别是在低信噪比的接收环境下更加有效。比如理想下译码出错概率为10%，重复次数增加，使得整体译码出错概率大大降低。如表3所示。

4.2现有的TTIbundling和HARQ重传技术也可以实现延长信号码元的传输时间。参考文献[1]给出了相关的提升覆盖的数值，在VoLTE的商用网络实践中已经证明可有效改善信号的覆盖范围。

4.3鉴于NB-IoT业务需求的速率很低，100bps左右已经可以实现大部分业务，所以可以采用低阶的调制技术，如BPSK、QPSK、更短长度的CRC校验码等。

4.4在编码方面，NB-IoT采用Turbo编码，GPRS采用卷积码，优势体现在对译码信噪比需求降低，对应覆盖距离有3～4dB的增强。

鉴于MTC业务在各种覆盖增强技术方面需比GPRS增强20dB，而且可支持更低的业务速率，所以采用码元重复传输是主要的覆盖增强手段。

5、结语

NB-IOT最适宜的场景是固定/游牧终端、小数据量、低频次、终端主动上报模式的应用，能够充分利用低功耗的特性。现如今大量不同的物联网应用场景有着不同的通信需求，合理地选择恰当的无线物联网网络以及综合利用各种网络的能力成为物联网产品和项目成功实施的关键要素之一。

参考文献：

[1]戴博，袁弋非，余媛芳.窄带物联网（NB-IoT）标准与关键技术[M].北京：人民邮电出版社，2016.

[2]赵艳薇.3GPP通过NB-IoT标准物联网行业蓄势待发[J].通信世界，2016（17）：67