NB―IoT无线吞吐率及低功耗技术探讨

【摘 要】为了对NB-IoT进行研究，重点分析了NB-IoT的网络结构、物理信道、上下行吞吐率以及其特有的低功耗技术，最后对NB-IoT如何与现有网络兼容协作也作出了相应的探讨，希望以此帮助企业对NB-IoT技术覆盖、吞吐率、功耗等方面进行整体规划。

低功耗 节电模式 增强的非连续接收

1 引言

NB-IoT是3GPP针对低功耗广覆盖（LPWA，Low Power Wide Area）类业务而定义的新一代蜂窝物联网接入技术，是基于全新空口设计的物联网技术，最少可只使用200 kHz授权频段，主要面向低速率、低时延、超低成本、低功耗、广深覆盖、大连接需求的物联网业务。NB-IoT在物理层发送方式、网络结构、信令流程等方面做了简化，并提出了在GSM基础上增强20 dB的覆盖目标，即最大耦合路损（MCL，Maximum Coupling Loss）要达到164 dB，这个目标主要通过提高功率谱密度、重复发送、低阶调制编制等方式实现。因此，本文接下来将在介绍NB-IoT网络结构、三种部署方式以及上下行物理信道的基础上，阐述NB-IoT无线吞吐率的计算方法以及低功耗关键技术的工作原理。

2 NB-IoT网络结构

2.1 NB-IoT部署方式

NB-IoT目前只在FDD有定义，终端为半双工方式。NB-IoT上下行有效带宽为180 kHz，其中下行采用OFDM，子载波带宽与LTE相同，为15 kHz；上行有两种传输方式：单载波传输（Single-tone）和多载波传输（Multi-tone），其中Single-tone的子载波带宽包括3.75 kHz和15 kHz两种，Multi-tone子载波间隔为15 kHz，支持3、6、12个子载波的传输。

NB-IoT支持3种不同的部署方式：独立部署（Stand-alone operation）、保护带部署（Guard-band operation）、带内部署（In-band operation），如图1所示。Stand-alone部署在LTE带宽之外，Guard-band部署在LTE的保护带内，In-band占LTE的1个PRB资源，需保证与LTE PRBs的正交性。

Stand-alone可独立设置发射功率，例如20 W；Guard-band、In-band的功率与LTE功率有关系，通过设置NB-IoT窄带参考信号（NRS，Narrowband Reference Signal）与LTE公共参考信号（CRS，Common Reference Signal）的功率差来设定NB-IoT的功率，目前协议定义的可设置NRS比CRS最大高9 dB，实际大小需根据设备的发射能力而定。NB-IoT子帧结构与LTE FDD相同，引入了新的参考信号NRS和新的主辅同步信号（NPSS/NSSS，Narrowband Primary Synchronization Signal/Narrowband Secondary Synchronization Signal），支持单端口和双端口两种发射模式。

在频谱分配上，Stand-alone是频谱上独占，不存在与现有系统共存问题；Guard-band方式需要考虑与LTE系统的共存，如干扰规避、射频指标等问题；In-band需要考虑与LTE系统的共存，如干扰消除、射频指标等问题。

在带宽规划中，Stand-alone限制会比较少，规划难度低；Guard-band方式中，LTE系统带宽不同对应的可用Guard-band带宽也不同，另外，因为要满足中心频点300 kHz需求，所以可以用在NB-IoT的频域位置也比较少。同样，要满足中心频点300 kHz需求，Inband可以用在NB-IoT的频域位置也比较少。

从兼容性考虑，Stand-alone下配置限制较少；Guard-band需要考虑与LTE兼容；In-band需要考虑与LTE兼容，如避开PDCCH区域、避开CSI-RS、PRS、LTE-同步信道和PBCH、CRS、TDD上下行配比等。

覆盖、容量及传输时延方面，三种方式都可满足要求。Stand-alone覆盖略大、容量较大、时延略小；Guard-band模式下覆盖略小、容量较大、时延略大；In-band模式覆盖最小、支持容量较小、时延最大。

2.2 NB-IoT物理信道

NB-IoT在物理层做了简化，保留了LTE网络中的广播信道、下行控制信道、下行共享信道、随机接入信道以及上行共享信道，取消了PCFICH、PHICH和PUCCH信道，不支持CSI的上报。NB-IoT下行未引入控制域的概念，上行共享信道的ACK/NACK反馈信息在下行控制信道中指示，下行共享信道的ACK/NACK反馈信息在上行共享信道format 2中反馈。NB-IoT以上行业务为主，需要重点关注上行共享信道的承载能力和覆盖能力。

（1）窄带物理广播信道（NPBCHN，Narrowband Physical Broadcast Channel）

NPBCH信道与LTE的PBCH不同，广播周期为640 ms，重复8次发送，终端接收若干个子帧信号进行解调。

（2）窄带物理下行控制信道（NPDCCH，Na-

rrowband Physical Downlink Control Channel）

负责上下行调度信息。LTE的PDCCH固定使用子帧前几个符号，NPDCCH与PDCCH差别较大，使用的窄带控制信道资源（NCCE，Narrowband Control Channel Element）占6个子载波。Stand-alone和Guard-band模式下，可使用所有OFDM符号；In-Band模式下，错开LTE的控制符位置。NPDCCH有两种format：NPDCCH format 0的聚合等级为1，占用NCCE0或NCCE1；NPDCCH format 1的聚合等级为2，占用NCCE0和NCCE1。其中，NPDCCH最大重复次数可配，取值范围为{1， 2， 4， 8， 16， 32， 64， 128， 256， 512， 1024， 2048}。

（3）窄带物理下行共享信道（NPDSCH，Narrowband Physical Downlink Shared Channel）

负责下行数据发送、寻呼、随机接入响应等。NPDSCH频域资源占12个子载波，Stand-alone和Guard-band模式下，使用全部OFDM符号；In-band模式下需错开LTE控制域的符号，由于SIB1-NB中指示控制域符号数，因此如果是SIB1-NB使用NPDSCH子帧，固定错开前3个符号。NPDSCH调制方式为QPSK，MCS只有0～12。

（4）窄带物理随机接入信道（NPRACH，Narrowband Physical Random Access Channel）

负责上行随机接入。NPRACH子载波间隔为3.75 kHz，占用1个子载波，有Preamble format 0和fomrat 1两种格式，对应66.7 μs和266.7 μs两种CP长度，对应不同的小区半径。1个Symbol Group包括1个CP和5个符号，4个Symbol Group组成1个NPRACH信道。NPRACH信道重复获得覆盖增强，重复次数可以是{1， 2， 4， 8， 16， 32， 64， 128}。

（5）窄带物理上行共享信道（NPUSCH，Narrowband Physical Uplink Shared Channel）

负责上行数据发送、上行控制信息发送。NPUSCH上行子载波间隔有3.75 kHz和15 kHz两种，上行有两种传输方式：单载波传输（Single-tone）、多载波传输（Multi-tone），其中Single-tone的子载波带宽包括3.75 kHz和15 kHz两种；Multi-tone子载波间隔为15 kHz，支持3、6、12个子载波的传输。上行传输资源是以RU（Resource Unit）为单位进行分配的，Single-tone和Multi-tone的RU单位定义如表1所示，调度RU数可以为{1， 2， 3， 4， 5， 6， 8， 10}，在NPDCCH N0中指示。

3 NB-IoT吞吐率

3.1 NB-IoT下行峰值吞吐率

NB-IoT下行采用15 kHz子载波间隔进行传输，即一个NB-IoT载波的200 kHz带宽内，共有12个子载波，其有效带宽为180 kHz。在时域上，NB-IoT子帧结构与LTE Type1保持一致；在下行调度上，单用户最小调度单元为一个子帧，即1 ms。如表2所示，NB-IoT在原有LTE MCS/TBS表的基础上做了一定修改，第一列为ITBS指示，第一行为调度子帧数指示。NB-IoT只支持表2中标黄的部分。值得注意的是，ITBS=11/12仅在独立部署（Stand-alone）、LTE FDD保护带部署（Guard-band）两种场景下支持。

为简化交互信令流程系统，NB-IoT下行仅支持单线程，且考虑终端复杂度，在下行传输中PDCCH调度信息与相应PDSCH之间，PDSCH与ACK/HACK反馈的PUSCH之间均预留了较长时延。NPDSCH开始传输的子帧与相应NPDCCH调度之间的时延至少为4 ms，ULACK/NACK开始的子帧与相应NPDSCH的传输至少为12 ms，即对于某一处于正常覆盖场景下的终端，若需达到峰值吞吐率，则需在3个子帧内完成，如图2所示。

在这种情况下，其峰值吞吐率可计算如下：

下行峰值速率=680 bit/（1 ms（PDCCH调度时延）+4 ms（PDCCH调度与PDSCH时延）+3 ms（PDSCH传输时延）+12 ms（PUSCH与PDSCH时延）+2 ms（PUSCH传输时延）+10 ms（NPDCCH调度限制1））=21.25 kbit/s （1）

3.2 NB-IoT上行峰值吞吐率

NB-IoT上行有Single-tone与Multi-tone两种不同的传输方式，其中Single-tone有3.75 kHz及15 kHz两种子载波带宽，并采用单用户单次传输仅可调度一个子载波的方式进行上行数据传输。Multi-tone仅有15 kHz子载波带宽，可采用给单用户调度多个载波的方式进行传输。在3GPP R13版本中引入了Resource Unit的概念，作为单用户上行可调度的最小单元。其中：

Single-tone方式下，15 kHz子载波带宽场景中，Resource unit为8 ms连续子帧；Single-tone 3.75 kHz子d波带宽场景中，Resource unit为32 ms连续子帧。

Multi-tone方式下，12个子载波同时被调度时，Resource unit为1 ms；6个子载波同时被调度时，Resource unit为2 ms；3个子载波同时被调度时，Resource unit为4 ms。

计算峰值吞吐率时可考虑终端处于覆盖较好的场景下。在该场景下，终端发射功率有较大余量，可考虑Multi-tone用12子载同时调度。为进一步简化系统，NB-IoT上行也仅支持单线程，其调度信息与实际传输信息间时延，以及传输所耗时间具体如图3所示。

NPUSCH开始传输的子帧与相应NPDCCH调度之间的时延至少为8 ms，DLACK/NACK开始的子帧与相应NPUSCH的传输时延至少为3 ms，对于某一处于正常覆盖场景下的终端，若需达到峰值吞吐率，则需4个子帧内完成TBS=1 000 bit的传输。

由此，上行峰值吞吐率可计算如下：

上行峰值速率=1 000 bit/（1 ms（PDCCH调度时延）+8 ms（PDCCH调度与PUSCH时延）+4 ms（PUSCH 传输时延）+3 ms（PUSCH与PDSCH时延））=62.5 kbit/s （2）

4 低功耗技术

NB-IoT通过简化物理层设计降低实现复杂度，上行Single-tone模式峰值均比低，下行采用Tail-biting卷积码，降低解码复杂度，对移动性要求较低，不要求连接态测量及互操作，不要求异系统测量及互操作，减少了测量对象，从而降低功耗。

窄带蜂窝物联网在3GPP R12和R13分别引入了两大重要的节电特性：在R12引入了节电模式功能（PSM，Power Saving Mode）；在R13引入了扩展的非连续接收特性（e-DRX，Extended Discontinues Reception）。

4.1 节电模式PSM

PSM功能允许终端数据传输完成后向网络申请进入深度睡眠。终端可以在Attach Request/TAU Request/RAU Request等NAS信令中向网络申请开启PSM功能，系统确认后通过Attach Accept/TAU Accept/RAU Accept等信令配置Active Time。K端从连接态转到空闲态后开启Active Time，在Active Time超时后进入PSM状态。如图4所示，终端在Active Time时间内正常监听寻呼消息，为可及状态；进入PSM状态后不再监听寻呼消息，变为不可及状态。当需要传输上行数据或者周期性TAU/RAU时，终端离开PSM。

终端进入PSM状态后，在网络中仍然是已注册状态，其业务状态类似于关机。终端处于PSM状态时无法被寻呼到，适用于终端数据传输不是很频繁且对时延不敏感的业务。考虑到智能表类终端的业务一般是数据上报，且上报周期比较长，承载该类业务的终端非常适合配置PSM功能。以每两小时上报一条长度为200字节的数据包计算，处于覆盖中点的终端有99%的时间可以处于PSM状态，也就是说几乎大部分时间待机电流都在极低的水平，能够大幅度延长工作时长。

需要说明的是，PSM功能本身是不带周期配置的，对于有下行数据传输需求的业务，可以合理配置TAU的周期。PSM和周期性TAU相结合，可以保证终端即使没有上行数据传输，也可以按照固定间隔从PSM中醒来，接收下行数据。

4.2 增强的非连续接收eDRX

目前LTE网络下终端DRX周期最长为2.56 s，eDRX通过延长DRX周期（空闲态最大周期为43分钟，连接态最大周期为10.24 s），进一步降低终端连接态和待机功耗。对于时延要求在分钟量级或存在较多数据的业务，周期性TAU和终端自主唤醒较为频繁，如果使用PSM会引入大量的信令交互。对于不适用PSM的业务，更灵活的方法是使用eDRX。

eDRX功能是在R8 DRX基础上，为了进一步增强节电增益而进行的功能扩展。R8定义的DRX周期最长为2.56 s（空闲态和连接态最大周期相同），eDRX通过延长唤醒周期进一步降低终端连接态和空闲态功耗。对于空闲态，NB-IoT eDRX最大周期为174.76分钟，周期取值范围为{20.48， 40.96， 81.92， 163.84， 327.68， 655.36， 1 310.72， 2 621.44， 5 242.88， 10 485.76} s，工作示意如图5所示：

关于eDRX功能的使用，根据不同业务的时延要求、数据传输频率，可以选择合理的eDRX周期，对连接态和空闲态eDRX周期进行差异化配置。同时，eDRX和PSM可以联合使用，在连接态和空闲态（Active Time）配置eDRX，Active Time超时后进入PSM，达到最大省电效果。

5 结束语

通过前文对NB-IoT无线吞吐率及低功耗技术的探讨可知，NB-IoT技术在物理层发送方式、网络结构、信令流程等方面做了简化，链路预算中实现在GSM基础上增强20 dB的覆盖目标，其低功耗技术也非常突出。总结来说，NB-IoT在覆盖、功耗、成本、连接数等方面性能占优，可全面满足LPWA类业务的需求，但无法满足移动性及中等速率要求，其特有的关键技术特性可满足智能家居、智慧连接、智能抄表、市政物联、物流追踪、智能穿戴、广域物联等LPWA类物联网的需求。从建设方案来看，NB-IoT可依托原有2G网络或4G网络进行建设，如果依托2G网络建设，需在基站上新增基带板以支持NB-IoT；如果依托4G网络建设，可与现有设备共主控板及传输网，但需新增基带板、RRU及天馈系统。无论是依托2G或4G建设，都需要独立部署核心网或升级现网设备。

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