關(guān)于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)NB-IOT及其測試解決方案介紹和應(yīng)用分析

NB-IOT是技術(shù)演進(jìn)和市場競爭的綜合產(chǎn)物，NB-IOT作為低功耗、廣域覆蓋LPWAN的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，必將在萬物互聯(lián)的時代扮演極其重要的角色。本文主要從NB-IOT的技術(shù)背景入手，探討了NB-IOT的技術(shù)優(yōu)勢、標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)和技術(shù)原理，提出了一整套的以羅德與施瓦茨公司的信號源SMW200A、頻譜儀FSW為基礎(chǔ)的NB-IOT技術(shù)測試解決方案。

1. NB-IOT技術(shù)背景

如今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在行業(yè)應(yīng)用的比例逐年提高，滲透生產(chǎn)制造、交通物流、健康醫(yī)療、消費電子、零售、汽車等應(yīng)用行業(yè)。萬物互聯(lián)的時代正以極其迅速的腳步走進(jìn)我們的生活。而“萬物互聯(lián)”實現(xiàn)的基礎(chǔ)之一在于數(shù)據(jù)的傳輸，不同的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)傳輸能力和實時性都有著不同要求。

圖1 不同無線物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)對比

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)有很多種，從傳輸距離上區(qū)分，可以分為兩類：

短距離通信技術(shù)：代表技術(shù)有Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等，典型的應(yīng)用場景如智能家居；

廣域網(wǎng)通信技術(shù)：業(yè)界一般定義為LPWAN（低功耗廣域網(wǎng)），典型的應(yīng)用場景如智能抄表。

低功耗廣域網(wǎng)LPWAN技術(shù)又可分為兩類：

工作在非授權(quán)頻段的技術(shù)：如Lora、Sigfox等，這類技術(shù)大多是非標(biāo)、自定義實現(xiàn)；

工作在授權(quán)頻段的技術(shù)：如GSM、CDMA、WCDMA等較成熟的2G/3G蜂窩通信技術(shù)，以及目前逐漸部署應(yīng)用、支持不同category終端類型的LTE及其演進(jìn)技術(shù)。

目前的技術(shù)主要依賴于2G和3G系統(tǒng)?；?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/9979/" target="_blank">4G技術(shù)的最新3GPP標(biāo)準(zhǔn)-NB-IOT技術(shù)可以實現(xiàn)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的一般需求，比如廣域覆蓋、改進(jìn)室內(nèi)接收性能、低功耗、低成本以及支持大量設(shè)備接入。

NB-IOT（Narrow Band Internet of Things，窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)）作為3GPP R13一項重要課題，其對應(yīng)的3GPP協(xié)議相關(guān)內(nèi)容獲得了RAN全會批準(zhǔn)，正式宣告了這項受無線產(chǎn)業(yè)廣泛支持的NB-IOT標(biāo)準(zhǔn)核心協(xié)議歷經(jīng)2年多的研究終于在2016年6月全部完成。

2. NB-IOT技術(shù)優(yōu)勢

作為一項應(yīng)用于低速率業(yè)務(wù)中的技術(shù)，NB-IOT具備四大優(yōu)勢，如下：

圖2 NB-IOT技術(shù)的四大優(yōu)勢

廣覆蓋：NB-IOT技術(shù)能實現(xiàn)比GSM好20dB以上的覆蓋增益，覆蓋面積擴(kuò)大100倍，在地下車庫、地下管道也能覆蓋到。

低功耗：NB-IOT借助PSM和eDRX可實現(xiàn)更長待機(jī)，低功耗特性是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用一項重要指標(biāo)，NB-IOT終端模塊的待機(jī)時間可長達(dá)10年。

低成本：低速率、低功耗、低帶寬帶來的是低成本優(yōu)勢。目前單個模塊做出來的成本不會超過5美元， 目標(biāo)是要做到1美元左右。

大鏈接：在同一基站的情況下，NB-IOT可以比現(xiàn)有無線技術(shù)提供50-100倍的接入數(shù)。一個扇區(qū)能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

這些與之俱來的優(yōu)勢，讓NB-IOT非常適合于傳感、計量、監(jiān)控等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，適用于智能抄表、智能停車、車輛跟蹤、物流監(jiān)控、共享單車以及智能穿戴、智慧家庭等領(lǐng)域，目前廣泛應(yīng)用的2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)及其他無線技術(shù)都無法滿足這些挑戰(zhàn)。

3. NB-IOT關(guān)鍵技術(shù)

NB-IOT從立項到協(xié)議凍結(jié)僅用時不到8個月，成為史上建立最快的3GPP標(biāo)準(zhǔn)之一。在2016年9月完成性能標(biāo)準(zhǔn)制定和12月完成一致性測試后，幾大運(yùn)營商目前都在爭相布局NB-IOT基站網(wǎng)絡(luò)，因此，可以預(yù)見NB-IOT即將進(jìn)入大規(guī)模商用階段。

NB-IOT之所以可以解決室內(nèi)覆蓋增強(qiáng)、支持巨量低速率設(shè)備接入、低時延敏感、超低設(shè)備成本、低功耗和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化等問題，主要得益于其自身的幾大關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 NB-IOT網(wǎng)絡(luò)部署模式

NB-IOT支持3 種部署方式： 獨立部署、保護(hù)帶部署、帶內(nèi)部署，如圖3所示：

圖3 NB-IOT三種部署模式

獨立部署(Stand-alone)：可以利用單獨的頻帶，適合用于GSM頻段的重耕；

保護(hù)帶部署(Guard-band)：可以利用LTE系統(tǒng)中邊緣無用頻帶，帶寬180kHz；

帶內(nèi)部署(In-band)：可以利用LTE載波中間的任何資源塊。

通過三種不同方式的網(wǎng)絡(luò)部署，NB-IOT充分有效地利用了頻譜資源。

3.2 NB-IOT半雙工模式

在3GPP R13版本中， NB-IOT僅支持FDD 半雙工type-B模式。而在type B下，UE在發(fā)送上行信號時，其前面的子幀和后面的子幀都不接收下行信號，使得保護(hù)時隙加長，這對于設(shè)備的要求降低，且提高了信號的可靠性。

圖4 NB-IOT半雙工工作方式

通過NB-IOT的半雙工Type B模式，有效降低了終端的成本和功耗。

3.3 NB-IOT物理層的變更

NB-IOT下行鏈路

NB-IOT系統(tǒng)下行鏈路的傳輸帶寬為180kHz，采用現(xiàn)有LTE相同的15kHz子載波間隔，下行多址方式O為OFDMA、幀結(jié)構(gòu)和物理資源單元也都盡量沿用現(xiàn)有LTE的設(shè)計。

針對180kHz下行傳輸帶寬的特點及滿足深度覆蓋的需求，NB-IOT系統(tǒng)縮減了下行物理信道的類型，重新設(shè)計了部分下行物理信道、同步信號和參考信號，如下：

圖5 NB-IOT下行物理層幀結(jié)構(gòu)及物理層信道

NB-IOT上行鏈路

NB-IOT系統(tǒng)上行鏈路傳輸帶寬為180kHz，支持兩種子載波間隔：3.75kHz和15kHz。對于覆蓋增強(qiáng)場景，3.75kHz子載波間隔比15kHz子載波間隔可以提供更廣的覆蓋范圍。

上行鏈路支持單子載波Single-tone和多子載波Multi-tone傳輸，子載波間隔可配置為3.75kHz或15kHz，對于多子載波傳輸，采用15kHz子載波間隔。上行都是基于SC-FDMA的多址技術(shù)。對于15kHz子載波間隔，NB-IOT上線幀結(jié)構(gòu)和LTE相同，對于3.75kHz子載波間隔，NB-IOT新定義了一個2ms長度的窄帶時隙，一個無線幀包含5個窄帶時隙，每個窄帶時隙包含7個符合，并在每個時隙之間預(yù)留保護(hù)間隔，用于最小化NB-IOT符號和LTE探測參考SRS之間的沖突。

NB-IOT系統(tǒng)上行也縮減了上行物理信道類型，重新設(shè)計了部分上行物理信道。如下圖所示：

圖6 NB-IOT上行物理層特性及物理層信道

3.4 NB-IOT覆蓋增強(qiáng)技術(shù)

在3GPP標(biāo)準(zhǔn)中，要求NB-IOT的路徑損耗可高達(dá)164dB，以滿足布建在小區(qū)邊緣或地下室等信道質(zhì)量較低的NB-IOT終端設(shè)備。涵蓋范圍延伸(Coverage Enhancement, CE) 共分為三種等級，分別為達(dá)到可對抗最大耦合損失MCL為144dB、154dB、164dB的信號能量衰減?；九cNB-IOT 終端間會根據(jù)所在的CE Level來選擇相對應(yīng)的訊息重復(fù)傳送次數(shù)。

NB-IOT為了解決深度覆蓋問題，通過基站與NB-IOT終端之間采用較少數(shù)量的子載波與將欲傳遞的數(shù)據(jù)作重復(fù)傳送以利于接收端提高正確解出數(shù)據(jù)的成功率。依照目前規(guī)格的規(guī)范，在隨機(jī)存取信道、控制信道與數(shù)據(jù)信道所傳遞之訊息的重復(fù)傳送次數(shù)最高可高達(dá)2048次。

NB-IOT的重傳機(jī)制，不是簡單的數(shù)據(jù)重復(fù)，而是將數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排序后再傳輸?shù)姆绞剑愃朴跁r域分集的理念。

圖7 NB-IOT重傳機(jī)制

3.5 NB-IOT低功耗技術(shù)

NB-IOT借助PSM和eDRX可實現(xiàn)更長待機(jī)，如下：

PSM(Power Saving Mode) 節(jié)電模式：R12中新增的功能，在此模式下，終端仍舊注冊在網(wǎng)但信令不可達(dá)，從而使終端更長時間駐留在深睡眠以達(dá)到省電的目的。

eDRX(Enhanced Discontinuous Reception)延長非連續(xù)接收：R13中新增的功能，進(jìn)一步延長終端在空閑模式下的睡眠周期，減少接收單元不必要的啟動，相對于PSM，大幅度提升了下行可達(dá)性。

圖8 NB-IOT低功耗技術(shù)PSM & eDRX

NB-IOT目標(biāo)是對于典型的低速率、低頻次業(yè)務(wù)模型，等容量電池壽命可達(dá)10年以上。根據(jù)TR45.820的仿真數(shù)據(jù)，在耦合耗損164dB的惡劣環(huán)境，PSM和eDRX均部署，如果終端每天發(fā)送一次200byte報文，5瓦時電池壽命可達(dá)12.8年。

4. NB-IOT測試方案

NB-IOT雖然是基于LTE技術(shù)的演進(jìn)，但是，NB-IOT的技術(shù)特點決定了它自身的獨特之處，因此，NB-IOT的測試同樣也需要完全按照3GPP標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行。

4.1 NB-IOT測試需求

根據(jù)3GPP R13版本的需求，NB-IOT的射頻測試項如下表所示：

表1 NB-IOT測試規(guī)范需求

4.2 NB-IOT測試挑戰(zhàn)

網(wǎng)絡(luò)未動，測試先行，對于NB-IOT產(chǎn)業(yè)也同樣如此。相比于現(xiàn)在的LTE技術(shù)，NB-IOT的信道寬帶、雙工方式、無線信道類型、幀結(jié)構(gòu)、資源分配方式等方面均發(fā)生了改變，相應(yīng)的空閑模式流程、隨即接入、RRC連接管理、連接重配置、無線鏈路監(jiān)測以及可能的重定向等流程也都進(jìn)行了調(diào)整。

因此，在功能方面無法復(fù)用LTE測試儀表，需要將NB-IOT視為一項全新的技術(shù)進(jìn)行測試，并覆蓋所有的協(xié)議功能點。而在RF性能方面，同樣將涉及各類發(fā)射機(jī)/接收機(jī)、解調(diào)等測試項目。

4.3 NB-IOT測試方案

在通信網(wǎng)絡(luò)的部署當(dāng)中，測試儀器對于網(wǎng)絡(luò)性能的驗證至關(guān)重要。羅德與施瓦茨公司一直走在NB-IOT的最前沿，在2016年6月NB-IOT標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)之日，羅德與施瓦茨測試儀表的NB-IOT功能也隨之正式發(fā)布。2016年底，與三大運(yùn)營商和幾大設(shè)備廠商（包括中信、華為、愛立信、大唐等）之間就已經(jīng)完成了NB-IOT基站的摸底測試。

羅德與施瓦茨是第一個提供NB-IOT基站測試方案的供應(yīng)商，基于R&S測試儀表，可以產(chǎn)生與分析NB-IOT信號。NB-IOT測試方案基于完美的測試設(shè)備組合，由矢量信號發(fā)生器SMW200A和信號與頻譜分析儀FSW組成，這兩款儀表已經(jīng)廣泛應(yīng)用于移動網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生產(chǎn)廠商的基站測試中。具體方案如下：

4.3.1 NB-IOT發(fā)射機(jī)測試

NB-IOT信號分析通過R&S的VSE矢量信號分析軟件選件來實現(xiàn)，用戶也可以通過軟件把測試系統(tǒng)升級到具有NB-IOT功能，以確保NB-IOT生態(tài)系統(tǒng)的成功應(yīng)用。

圖9 NB-IOT發(fā)射機(jī)測試

R&S FSW/FSV/FSVA/FPS + VSE-K106的方案，可以非常方便靈活地完成NB-IOT的發(fā)射機(jī)測試，測試項完全符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3.2 NB-IOT接收機(jī)測試

羅德與施瓦茨公司的矢量信號源SMW200A，內(nèi)置NB-IOT的上行信號產(chǎn)生，其測試框圖如下：

圖10 NB-IOT接收機(jī)測試

R&S SMW200A，是目前市場上唯一的一臺雙通道矢量信號源，可以通過單臺儀表的方式完成NB-IOT的接收機(jī)測試，尤其是針對鄰道選擇性、阻塞、動態(tài)范圍等指標(biāo)的測試，不需要另外的信號源。同時，由于R&S SMW200A內(nèi)置信道衰落和高斯白噪聲，下一步，計劃加入衰落場景下的接收機(jī)性能測試，這個測試可以很容易的通過R&S SMW200A單臺儀表實現(xiàn)。

5. 小 結(jié)

NB-IOT將開啟5G大規(guī)模機(jī)器類型設(shè)備通信的成功之路。羅德與施瓦茨公司同運(yùn)營商、設(shè)備廠商之間的成功合作，表明三方為NB-IOT做出了重大貢獻(xiàn)，基于對蜂窩物聯(lián)網(wǎng)測試與測量方案的全面理解，同時還致力于物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。

本文主要基于NB-IOT的技術(shù)背景、技術(shù)優(yōu)勢及關(guān)鍵技術(shù)的分析上，使用羅德與施瓦茨公司強(qiáng)大的測試與測量設(shè)備-信號源SMW200A和頻譜儀FSW+VSE，完成了符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)要求的NB-IOT基站測試，促進(jìn)了運(yùn)營商、設(shè)備廠商及其他關(guān)注于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的用戶在NB-IOT各個階段的順利完成。