NB-IoT上行链路关键技术分析与性能仿真.docx

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NB-IoT上行链路关键技术分析与性能仿真

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陈刚黄欣王家诚王慧倩庞宇

摘要：本文对第三代合作伙伴计划NB-IoT协议中的上行链路及其涉及到的关键技术进行分析，并基于Matlab搭建仿真平台，为芯片和模组等硬件开发流程提供便利的参考。

[关键词]NB-IoT协议分析仿真平台性能仿真

近年来，物联网（InternetofThings，IoT）发展迅速，世界万物都可以通过互联网互连互通，包括高速率业务（如视频类业务等）和低速率业务（如抄表类业务等）。据不完全统计，低速率业务已占据67%以，上的IoT业务，且缺乏良好的蜂窝技术支持，这意味着低速率广域网技术的市场需求巨大。随着IoT的不断发展，IoT通信技术也日趋成熟，其中广域网通信技术的发展尤为明显。广域网通信技术按频谱是否授权可以分成两种类型：一是非授权，如Lora和Sigfox等，如图1所示;二是授权，3GPP制订的蜂窝通信技术，如2G、3G、4G以及基于4G演进的窄带物联网（NarrowBandInternetofThings，NB-IoT）技术。

在物联网标准和商用推进过程中，NB-IoT已脱颖而出。NB-IoT使用授权频段，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，与现有网络共存。NB-IoT自身具备的低功耗、广覆盖、低成本、大容量等优势，使其可以广泛应用于多种垂直行业，如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业等。经过近几年的培育和探索，全球物联网正从碎片化、孤立化应用为主的起步阶段，迈入重点聚焦、跨界融合的全新阶段，市场快速启动，在许多领域加速渗透，物联网正处于大规模爆发式增长的前夜，此时进行NB-IoT物联网终端芯片关键技术研究及示范应用，依托于现有的公用无线通信网络，充分利用5G相关技术的研究成果和设备构建的广域公众蜂窝物联网网络技术，能够助力物联网走出碎片化，迅速在各个行业和地区形成商业化应用，有力地推动广域物联网的普及和发展。

1NB-loT标准化

在NB-IoT提出之前，业界已经启动了机器类通信的研究。而在物联网领域，低功耗，广覆盖，低成本，低速率的LPWAN技术将涵盖大部分物联网业务模型。因此面向LPWAN场景下的物联网接入技术成为蜂窝及非蜂窝物联通信重点关注领域。

在国际标准方面，3GPP一直努力推动相关机器类通信（MTC）技术的发展。一方面，在LTE及LTE一A演进阶段，3GPP定义了许多不同的终端类型，从而适应不同场景不同业务下的物联网终端需求。在Rel-8版本中，从速率的角度定义了Category1～5的终端类型。在之后的版本演进中，不仅制定了支持高带宽，高速率的Category6，Category9等终端类型，同时也定义了更低成本，支持更低功耗的Category0终端类型。但考虑到Category0技术需要对现有网络进行改造，升级成本与终端收益并不高，因此其被普遍商用的可能性不高，更多被认为是一种过渡。因此3GPP于2014年成立Cat.M工作组。目前Cat.M核心标准已冻结。

另一方面3GPP基于窄带传输的思路，讨论其演进和全新接入技术的研究。长期以来，运营商的物联网业务主要依靠成本低廉的GPRS模块提供物联网设备间通信需求。但近几年由于LoRa，Sigfox等基于非蜂窝的新型物联网技术的出现，对于GPRS模块在成本，功耗和覆盖等方面有较大冲击。因此3GPP在GERAN#62会议上成立新的SI，希望可以支持更低成本，更低功耗，更强覆盖等特性。而NB-IoT正是基于第二种思路提出的一种新的传输方案。在时延不敏感，移动性需求不高的LPWAN场景下，NB-IoT技术在续航、覆盖方面的技术优势，无疑更得到各方关注。

2NB-IoT上行链路分析

2.1NB-IoT部署模式

根据NB-IoT的立项目标，蜂窝物联网的无线接入的重点需求是增强室内覆盖，支持大量的低吞吐量设备，低延迟敏感度，超低成本、低功耗设备和网络体系架构。

NB-IoT系统所支持的部署模式根據其所处的频段可分为Stand-alone，Guard-alone，In-band三种，示意图如图2所示。

独立部署（Stand-alone）：GSM运营商使用NB-IoT替代200kHz的GSM带宽，在GSMEDGE无线接入网等系统中重新规划专用频谱，这种部署方式在实际应用中是可行的，因为GSM的带宽，包含保护带在内，与NB-IoT的带宽相同，均为200kHz;

保护带部署（Guard-band）：利用LTE运营商保护带内未使用的资源块来部署NB-IoT系

带内部署（In-band）：即LTE运营商内部的NB-IoT系统，运营商通过规划，将一个180kHz的带内物理资源块分为给NB-IoT系统。经过NB-IoT空口优化，可以与现有LTE系统和谐共存，而不影响其传输性能;

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