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窄带物联网
陈敏
摘要 在本文中，我们回顾了窄带物联网的背景和现状。我们首先介绍NB-IoT的总体标准，发展历史和标准化。然后，我们通过回顾当前的国内和国际研究来介绍NB-IoT的特性，其中我们着重于基础理论和关键技术，即连接数量分析
理论，时延分析理论，覆盖增强机制，超低功耗技术，以及信令和数据之间的耦合关系。随后，我们比较了NB-IoT和其他无线和移动通信技术在延迟，安全性，可用性，数据传输速率，能量消耗，频谱效率和覆盖范围等方面的若干表现。 此外，我们分析了智能城市，智能建筑，智能环境监控，智能用户服务和智能计量等五大NB-IoT智能应用。最后，我们总结了NB-IoT急需解决的安全需求。这些讨论旨在全面概述NB-IoT，它可以帮助读者清楚了解NB-IoT的科学问题和未来研究方向。
关键词：智能应用，物联网，LPWAN, LTE, NB-IoT.
I.介绍
在过去的20年中，物联网技术已经有了显着的发展，并已被融入各个领域。 即，几乎所有的东西都可以通过物联网进行连接。物联网在大数据处理，异质性和性能方面取得了重大进展。从传输速率的角度来看，物联网的通信服务可以粗略地分为两类：高数据速率服务（如视频服务）和低数据速率服务（如抄表服务）。根据ATECH 2017年的统计数据，低数据速率服务占据物联网服务总量的67％以上，这表明低数据传输率的WAN技术确实值得期待。
最近，由于物联网的发展，物联网通信技术已经成熟和普及。从传输距离的角度来看，物联网通信技术可以分为短距离通信技术和广域网通信技术。前者由Zigbee，Wi-Fi，蓝牙，Z波等代表。其典型应用是智能家居。后者被定位于低数据速率的服务中，例如上面提到的智能停车场，其一般由工业界定义为低功率广域网（LPWAN）技术。
其中，LPWAN通信技术的发展尤为明显。从频谱许可的角度来看，LPWAN技术可以分为两类，即未授权频谱技术和授权频谱技术。第一类以Lora，Sigfox等代表，其中大部分非标准和自定义实现。第二类是一般以一些相对成熟的2G / 3G蜂窝通信技术（如GSM，CDMA，WCDMA等），LTE技术和演进的LTE技术为代表，他们支持不同类别的终端。这些授权频谱通信技术的标准基本上是由3GPP（GSM，WCDMA，LTE和演进的LTE技术等）和3GPP2（CDMA等）等国际标准组织制定的。窄带物联网（NB-IoT）是3GPP提出的用于智能低数据速率应用的数据感知和采集的大规模低功耗广域（LPWA）技术。
Table1 NB-IoT的发展简史和标准化过程。
A.NB-IoT发展历史和标准化简介
长期以来，蜂窝移动通信主要支持面向人的语音业务和移动宽带业务。自2005年以来，3GPP开始深入研究用于机器通信（MTC）服务的蜂窝网络（如GSM，UMTS和LTE）。相关的可行性和改进研究[19]旨在让MTC成为5G网络中的重要组成部分，如表1所示。 基于MTC的早期部署，3GPP（R8-R11）的前期工作主要集中在数据和信令平面的过载和拥塞，以及众多终端同步接入网络时资源不足的编号和寻址等问题。在进一步确定和明确要求和MTC服务的特征之后，在R12中，3GPP宣布了与低成本MTC终端设计有关的GSM接入网的增强，对安全的要求和网络系统架构。由3GPP推出的非LPWA技术（如LoRa和Sigfox）在R13 3GPP中为MTC设定了5个目标，包括增强室内覆盖，支持大量小数据终端，降低终端复杂性和成本，提高能源效率并支持各种延迟特性。R13还定义了3种新的窄带空中接口，包括GSM兼容的EC-GSM-IoT，LTE兼容的eMTC和全新的NB-IoT技术。 其中，NB-IoT由华为技术有限公司牵头，华为技术有限公司是中国优秀民营企业。与非3GPP LPWA技术相比，3GPP LPWA技术（以NB-IoT为代表）引起了业界的更多关注，因为其软件升级和核心网络重用部署在授权频段。 预计2017年NB-IoT终端芯片的成本降低和商业推广将逐步实现。2015年2月，IMT2020中国工作组发布了NB-IoT的相关概念。此后，IMT2020在原理样机和终端芯片方面逐步完善了技术方案的研究和开发。然而，受时间限制，R13仅为NB-IoT的长期视角提供了初步的原则框架。因此，3GPP R14中还有很多特性需要改进。根据典型的使用情况和业务特性的不同，R14定义的MTC业务可以进一步划分为mMTC和uRLLC两大类。此外，为了使蜂窝式物联网拥有更适合的对象和应用范围，R14提出了本地化支持，多播，移动性，更高数据速率和链路自适应等方面的功能需求。总之，3GPP采用两步策略来应对MTC业务带来的技术挑战。第一步是过渡策略，旨在利用和优化现有的网络和技术来提供MTC服务。第二步是基于NB-IoT引入新的空中接口技术的长期战略，以支持MTC业务的大规模增长并保持其对非3GPP LPWA技术的核心竞争力。
B.NB-IoT的特点
主要的NB-IoT功能如图1所示，简要介绍如下。
Figure1 NB-IoT的主要特性。
1）低功耗
使用省电模式（PSM）和扩展非连续接收（eDRX），可以在NB-IoT中实现更长的待机时间。其中，在Rel-12中新增了PSM技术，在省电模式下，终端仍然在线注册，但不能通过信令到达，使终端长时间深度休眠以实现节电。另一方面，Rel-13新增了eDRX，进一步延长了终端在空闲模式下的休眠周期，减少了接收小区不必要的启动。 与PSM相比，eDRX显着提升下行链路可访问性。 PSM和eDRX的节能机制如图2所示。
Figure2 PSM和eDRX的省电机制。
NB-IoT要求对于典型的低速率低频率服务，恒定容量电池的终端使用寿命为10年。根据TR45.820的仿真数据，如果耦合损耗为164 dB，同时使用PSM和eDRX，如果终端每天发送一个200字节的消息，则5Wh电池的使用寿命可达12.8年，如图所示 在表2中。
Table2 综合功率放大器电池使用寿命预测。
2）广覆盖和低延迟敏感性
根据TR45.820的仿真数据，可以确定NB-IoT的覆盖功率在独立部署模式下可以达到164 dB。 模拟测试是针对带内部署和保护带部署进行的。为了实现广覆盖，NB-IoT采用了重传（200次）和低频调制等机制。目前，NB-IoT对16QAM的支持仍在讨论中。对于164 dB的耦合损耗，如果提供了可靠的数据传输，则由于重传海量数据，等待时间会增加。TR45.820的仿真显示不规则报告服务场景的延迟和不同的耦合损耗（头部压缩与否）的可靠性为99％，表3。目前，3GPP IoT中的可容忍延迟为10s。实际上，最大耦合损耗约6 s的较低延迟也可以被支持。有关更多详细信息，请参阅TR45.820的NB-IoT仿真结果。
3）传输模式
如表4所示，NB-IoT的发展基于LTE。 根据NB-IoT 的特点，该修改主要针对LTE的相关技术。NB-IoT物理层的射频带宽为200 kHz。在下行链路中，NB-IoT采用QPSK调制解调器和OFDMA技术，子载波间隔为15KHz。在上行链路中，采用BPSK或QPSK调制解调器和SC-FDMA技术，包括单个子载波和多个子载波。子载波间距为3.75 kHz和15 kHz的单个子载波技术适用于具有超低功耗和超低功耗的物联网终端。
对于15 kHz的子载波间隔，定义了12个连续的子载波。因此，48个连续的子载波被定义为3.75kHz的子载波间隔。 多副载波传输支持15 kHz的副载波间隔，并定义连接成3,6或12个连续副载波的12个连续副载波。由于更高的功率谱密度，3.75kHz间隔的覆盖能力比15kHz间隔的覆盖能力更高。15 kHz间隔的小区容量是3.75 kHz间隔的小区容量的92％，但调度效率和调度复杂度是优越的。由于窄物理随机接入信道（NPRACH）必须采用间隔为3.75kHz的单个子载波传输，因此大多数设备优先支持以3.75kHz的间隔为上行链路的单个子载波传输。 在引入间隔为15kHz的单个子载波传输和多个子载波传输之后，根据终端处的信道质量自适应地进行选择。用于窄物理下行共享信道（NPDSCH）传输的最小调度单元是资源块（RB），用于窄物理上行共享信道（NPUSCH）传输的最小调度单元是资源单元（RU）。在时域方面，对于单个子载波传输，资源单元对于3.75kHz的子载波间隔为32ms，对于15kHz的子载波间隔为8ms，并且对于多个子载波传输，资源 对于3个子载波的间隔为4ms，对于6个子载波的间隔为2ms，对于12个子载波的间隔为1ms。
NB-IoT高层协议（物理层之上的层）是通过修改一些LTE特性（如多连接，低功耗和少数据）而制定的。NB-IoT的核心网通过S1接口连接。
Table3 在不规则报告的服务情况下，在不同耦合损耗的环境下的延迟，其中99％的可靠性得到保证。
Table4 NB-IoT的主要技术特性。
4）频谱资源
物联网是未来吸引更多用户群体进入通信服务市场的核心服务，因此NB-IoT的发展得到了中国四大电信运营商的大力支持，如图所示，NB-IoT拥有各自的频谱资源 详见表5。其中，中国联通已开通NB-IoT商用网络。
5）NB-IOT的工作模式
根据NB-IoT RP-151621的规定，NB-IoT目前仅支持带宽为180 kHz的FDD传输模式和3种以下类型的部署场景，如图3所示：
独立部署（独立模式），利用与LTE频段不重叠的独立频段;
保护频带部署（保护频带模式），其利用LTE的频带;
带内部署（带内模式），利用LTE频段进行部署，需要1个PRB的LTE频段资源进行部署。
Table5 电信运营商针对NB-IoT的频谱部门。
Figure3 NB-IoT支持的部署。
Figure4 用于上行链路和下行链路的NB-IoT帧结构，用于15kHz的子载波间隔。
Figure5 用于上行链路的3.75kHz的子载波间隔的NB-IoT帧结构。
6）框架结构
NB-IoT eNodeB的下行链路支持E-Utran无线帧结构1（FS1），如图4所示。上行链路还支持FS1用于15 kHz的子载波间隔。然而，对于3.75 kHz的子载波间隔，它定义了一种新的帧结构，如图5所示。
Figure6 NB-IoT网络。
7）NB-IoT网络
NB-IoT网络如图6所示，可以看出它由5部分组成：
NB-IoT终端。只要安装了相应的SIM卡，所有行业的物联网设备都可以访问NB-IoT网络;
NB-IoT基站。主要指电信运营商已部署的基站，支持全部三种部署模式
前面提到;
NB-IoT核心网络。通过NB-IoT核心网，NB-IoT基站可以连接NB-IoT云;
NB-IoT云平台。NB-IoT云平台可以处理各种业务，并将结果转发给垂直业务中心或NB-IoT终端;
垂直的商业中心。 它可以在自己的中心获得NB-IoT业务数据，并控制NB-IoT终端。
8）半静态链接适配
NB-IoT的大多数目标服务场景都是迷你数据包传输，NB-IoT很难提供长期连续的信道质量变化指示，因此NB-IoT引入了覆盖级别而不是动态链路自适应方案。有三种覆盖类别，包括正常覆盖，健壮覆盖和极端覆盖，分别对应于144 dB，158 dB和164 dB的最小耦合损耗（MCL），如图7所示。调制，编码模式和重复 可以根据终端的覆盖等级来选择数据传输的次数，这就是半静态链路自适应如何实现的。NB-IoT基站配置一个包含两个RSPP门限值的RSPP列表，以区分不同的覆盖级别。
9）数据重发
NB-IoT采用数据重传机制获得时间分集增益和低阶调制，提高解调性能和覆盖性能。所有信道都支持数据重传。此外，3GPP还规定了每个信道的重传次数和对应的调制模式，如表6所示。
Table6 每个通道支持重传时间。
Figure7 NB-IoT的覆盖水平。
C.NB-IoT的基本理论和关键技术
1）连接分析理论
3GPP分析了NB-IoT在网络支持终端定期报告服务和网络命令报告服务时可以达到的连接数量。假设服务在一天内均匀分布，NB-IoT可以支持每个小区52547个连接。 实际上，这个假设并不理想，几乎忽略了NB-IoT服务的突发性。因此，在其他应用场景很难概括它。目前，关
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