關于NB-IoT物聯網覆蓋增強技術的分析

【摘要】我國經濟技術的不斷發展，推動了覆蓋增強技術的發展進程。這種技術可以重新擬制出一種比較全面的蜂窩物聯網技術。在我國現有的授權頻譜資源當中，這種覆蓋性很廣，傳輸速率很高的廣域網無線傳輸技術很大程度上滿足了我國NB-IoT物聯網業務的各種需求。本篇文章就通過分析NB-IoT物聯網覆蓋技術的主要特點，對于這種技術的仿真進行了評估，希望可以對我國今后的物聯網覆蓋增強技術提供一些參考性的建議。

【關鍵詞】覆蓋增強技術? NB-IoT? 分析總結? 物聯網

一、NB-IoT技術的主要特點概述

隨著科學技術的迅猛發展，世界已經迎來了大數據和智能化的物聯網時代。因此，必須加快建設新一代的信息基礎設施，促進信息網絡技術的廣泛應用，加快建設具有高速性、移動性、安全性和廣泛性的新一代信息基礎設施，促進通信技術的發展。物聯網技術的迅速發展，給人們的生活帶來了極大的便利，促進了社會的發展，與人們的生活息息相關。隨著人們生活水平的不斷提高，人們對互聯網性能的要求越來越高，對物聯網需求也越來越強烈。物聯網通信技術有很多種，從傳輸距離上可分為兩類：一類是短距離通信技術，代表Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth和Z-Wave;另一類是廣域網通信技術，通常定義為LPWAN（低功耗廣域網），代表為NB-IoT和eMTC。

與短距離通信技術相比，LPWAN采用了公有基站或私有基站的方式，實現了更廣泛的覆蓋，更適合于物聯網的深度覆蓋。與LTE網絡相比，LPWAN的窄帶技術可以更有效的利用頻譜，實現更多的連接數，以滿足物聯網的海量連接數。eMTC的覆蓋率目標為155.7dB，在FDD LTE的基礎上增加了15dB，比NB-IoT的覆蓋率目標低約8dB。eMTC是LTE的增強功能，與LTE共享傳輸功率和系統帶寬，功率譜密度也和LTE相同。eMTC通過重傳和跳頻技術增強了覆蓋度。在3GPP標準中，其最大重復次數可達2048次。NB-IoT采用了窄帶技術，其子載波帶寬可設置為3.75KHz或15KHz，子載波間隔為15KHz。通過這種窄帶技術，極大的提高了功率譜密度，從而使NB-IoT覆蓋率達到了164dB。

在3GPP第69次RAN全會上，NB-IoT（窄帶物聯網）通過立項。根據立項文檔，3GPP標準組織擬制定一種全新的蜂窩物聯網技術，使用現有授權頻譜資源滿足廣覆蓋、低功耗、低速率的物聯網業務需求。NB-IoT標準計劃在2016年6月份完成凍結，2016年第4季度進行外場測試，2017年上半年實現商用。

NB-IoT物聯網覆蓋技術的占用寬帶是180KHz，這種物聯網覆蓋技術系統中一個PRB寬帶和我國現有LTE系統當中的寬帶是完全相同的。對于這種物聯網覆蓋技術自身的下行來說，主要采用的是OFDMA并且子載波之間的間隔通常是在15KHz之間，這樣就使得下行的載波間隔和LTE子載波間隔完全相同，并且他本身擁有全新的物理信道以及信號，對下行的PBCH、PDSCH和PDCCH通常都是用單一的TM傳輸模式。同時這種物聯網覆蓋技術采用了半雙工的工作機制，避免了PA和LNA的同時工作，降低系統的瞬時功率，為電池供電型設備提供更友好的支持。半雙工系統可以只使用一根天線完成，更適合物聯網行業對終端的小型化需求，也可以降低企業整個終端的資金投入，還可以在一定程度上解決終端自身存在的各種功耗問題。為了能盡快利用好我國現存有的LTE網絡的相關資源，提供更具靈活性的零散頻率資源部署，NB-IoT物聯網覆蓋技術主要可以支持獨立部署（Stand alone），保護帶部署（Guard band）和帶內部署（In-band）三種部署方案。

二、對于NB-IoT計劃實現的目標

這種物聯網覆蓋技術可以很好地實踐廣域覆蓋以及深度覆蓋，在利用我國較為傳統的GPRS技術之上，可以提高將近20dB的信號覆蓋。這意味著和傳統的GPRS相比，NB-IoT可以有效的覆蓋居民廚房、市政管網等常規的信號盲區，可以為智慧城市提供信號覆蓋支持。此外NB-IoT還能夠在最大限度上滿足客戶大容量終端接入的需求，以及所對其提出的各種要求，對于企業來說還可以降低整個終端的資金投入成本。除此之外，這種物聯網覆蓋技術有效地實現了資源的節約，真正做到了低功耗，低能耗的要求。當這種技術處于低功耗模式時，系統消耗功率可以小至5uA以下，這樣的低功耗技術，可以很好的為電池供電設施提供長久支持。NB-IoT可以在5Wh的電池下可以為設備提供將近十年的支持。

三、覆蓋分析方法概述

我國現階段物聯網覆蓋增強技術的評估分析主要包括對數據速率的分析，發射機發射功率，接收機接收噪聲系統等系統的分析，再加上接收機噪聲的若干系數和干擾余量，使得這種技術接收機自身的靈敏度完全等于一個有效的噪聲功率加上所需要的信噪比，使得接收機處于增益狀態。

在MCL的使用方法上，首先，對于基站每200KHz發射功率，每個信道的取值不盡相同;在終端發射功率的過程當中，數值上顯示為23;在熱噪聲功率密度顯示過程當中，數值顯示為-174;對于終端接收機噪聲系統，數據顯示為5;干擾余量數據顯示為0。此物聯網覆蓋技術評估，主要用于控制信道和業務信道，其中各個信道的BLER應保持在10%。

與我國傳統的GPRS物聯網技術相比，NB-IoT能夠提高近20dB的覆蓋度，具有廣闊的應用前景。NB-IoT覆蓋增強的要求只有通過有效地調整參數和盡可能增加MCL（耦合損耗），才能最大限度地滿足其覆蓋增強的要求，因此對其覆蓋進行模擬是非常重要的。

四、NB-IoT覆蓋增強技術

綜上所述，物聯網覆蓋增強技術涉及范圍比較廣，并且只有真正的利用好有效參數盡可能的增大MCL的值，才可以最大限度的滿足我國居民對物聯網覆蓋的整體要求。那么如何增加MTC業務本身的覆蓋，則是每一個企業需要重點考慮的問題，本篇文章就研究及下幾點方面。

NB-IoT的設計目標是在GPRS上增加20dB。以144dB作為GPRS最大耦合損耗，NB-IoT設計到164dB。下行鏈路的最大耦合損耗主要取決于增加每個信道重傳的最大數量，以提高覆蓋率。而其上行覆蓋增強主要來自兩個方面。首先，在有限的覆蓋條件下，可以通過單個子載波傳輸信號，從而極大地提高了它的功率譜密度。以Single Tone部署的3.75 KHz子載波為例，與GSM 180 KHz帶寬相比，PSD可實現約17dB帶寬。增加上行信道的最大重傳次數，以達到增強覆蓋的目的。因此，雖然NB-IoT終端上行傳輸功率比GPRS低10dB，但其傳輸帶寬變窄重傳次數增加，因此系統的上游仍能正常工作，最大路徑損耗為164dB。

要想保證物聯網覆蓋增強技術的整體效率首先要進行重復性傳輸，延長整個信號碼元的整體傳輸時間。碼元的重復傳輸其實是一種簡單化了的信道編碼，雖然在很大程度上降低了系統的傳輸速率，但是對于解調和譯碼來說，卻明顯地提升了可靠度。尤其是對于低信噪比的環境來說，發揮的作用更大。例如，在比較理想的狀態之下，譯碼出現錯誤的概率，一般會在10%左右。隨著重復次數的不斷增加，可以很大程度的降低整體譯碼出錯的概率，重復傳輸達到三次時，譯碼的出錯概率則降低到了0.028。如果重復傳輸次數達到了五次，那么譯碼錯誤的概率則降低到了0.0086，從這兩組數據可以看出，隨著一碼重復輸出次數不斷增加，譯碼錯誤發生概率越來越低。

由于本篇文章研究的物聯網增強技術自身業務需求速率相對較低，所以當系統處于100bps時，就可以最大限度的滿足業務對系統提出的各種要求?？梢圆捎肂PSK、QBSK等低階調制技術和較短的CRC校驗碼。除此之外，該物聯網覆蓋增強技術在編碼方面主要采用了turbe編碼方式，這種編碼的優勢主要就是可以盡可能降低系統對信噪比的要求。相比于GPRS的卷積碼，對于距離大約有4dB的增強。

對于我國現階段的互聯網覆蓋增強技術來講，這種技術可以更好的支持低速率的業務，通過利用碼元的重復傳輸，降低了傳輸過程當中對信噪比的要求和譯碼出錯的概率，對于整個覆蓋增強有著重要的促進作用，也是作為覆蓋增強技術的重要手段之一。

五、仿真以及評估結果概述

根據3GPP的研究提案并通過工作研究。我們對單個運營商的獨立部署情景進行了模擬。其結果如下：對于M-PBCH，模擬使用了32次重復傳輸，其中BLER控制在10%的時候，對應的SNR為-6.5dB。對于M-PDSCH，解碼錯誤率主要測試經過18次的重復傳輸，其中BLER控制在10%的時候，對應的SNR為-6.4dB，對應的M-PDSCH為3.7kbps 。對于M-EPDCCH，模擬使用了18次重復傳輸，其中BLER控制在10%的時候，對于的SNR為-6.1dB。對于M-PUSCH，使用單載波傳輸，傳輸時間為2160ms，其中BLER控制字10%的時候，對應的SNR為-5.8dB，對于的M-PUSCH速率為0.37kbps。

六、總結

隨著物聯網的迅速發展，信息技術改革的趨勢日益明顯。因此，必須加快建設新一代的信息基礎設施，促進信息網絡技術的廣泛應用，加快建設具有高速性、移動性、安全性和廣泛性的新一代信息基礎設施，促進通信技術的發展。由于現有的2G、3G和4G物聯網技術覆蓋面不夠，新一代物聯網技術采用了新的物聯網技術空中接口設計，具有功耗低、覆蓋面廣的特點。本篇文章通過深入分析NB-IoT覆蓋增強技術，在相同的帶寬、LTE和NB-IoT覆蓋的比較和分析，促進NB-IoT在物聯網新時代的應用前景更加廣闊。

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作者簡介：王長金（1989-），男，安徽六安，中級工程師，學士，上海奧藍迪物聯網科技有限公司，企業管理。