過去三十年里，移動通信經(jīng)歷了從語音業(yè)務(wù)到移動寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的飛躍式發(fā)展，這不僅深刻改變了人們的生活方式，也極大地促進(jìn)了社會和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展。當(dāng)前4G LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)全面開展，5G已提上商用日程。相對于4G，5G的應(yīng)用場景將更廣泛，不僅包括傳統(tǒng)的廣覆蓋、熱點覆蓋，還包括低功耗大連接場景。4.5G作為銜接4G和5G的重要階段，在低功耗大連接場景方面進(jìn)行了提前布局，引入了窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IOT(Narrow Band-Internet of Things)技術(shù)。
一、現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r
在蜂窩無線通信高速發(fā)展了近十余年的今天，人與人的通信發(fā)展已接近飽和，通信業(yè)亟待發(fā)掘新的增長點。物聯(lián)網(wǎng)被普遍認(rèn)為是一個擁有巨大潛力的商業(yè)藍(lán)海，是電信行業(yè)幾個值得期待的業(yè)務(wù)之一。移動通信正在從人和人的連接，向人與物以及物與物的連接邁進(jìn)，萬物互聯(lián)將是未來的必然趨勢。
電信行業(yè)憧憬物聯(lián)網(wǎng)市場已達(dá)10年之久，但傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)長期存在的碎片化嚴(yán)重阻礙了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這些碎片化主要體現(xiàn)在：
技術(shù)碎片化：當(dāng)前對于不同的網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用分別有不同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和操作系統(tǒng);
應(yīng)用碎片化：物聯(lián)網(wǎng)可以應(yīng)用在各行各業(yè)中，需求的多樣化導(dǎo)致了終端形態(tài)與分布的差異化;
產(chǎn)業(yè)碎片化：芯片商、設(shè)備商、網(wǎng)絡(luò)商各自為政，業(yè)界沒有達(dá)成統(tǒng)一的認(rèn)識。相對于傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)本身也存在特有的需求。首先是終端低功耗，現(xiàn)有終端支持2G、3G、4G多種制式，包括話音、短信和數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，功率損耗大。而大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)終端都需要低功率，防止終端頻繁的更換電池。同時，需有較大的覆蓋范圍，現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)存在盲點和弱點，但物聯(lián)網(wǎng)中很多潛在可連接的設(shè)備存在于偏遠(yuǎn)地區(qū)，離基站較遠(yuǎn)，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)不能滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋的要求。此外，單扇區(qū)需支持大量終端，物聯(lián)網(wǎng)未來的應(yīng)用場景復(fù)雜，可連接的終端數(shù)量眾多，單扇區(qū)終端連接數(shù)需要很高的要求。最后，終端成本要低，低成本可以實現(xiàn)終端快速部署，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)在各行各業(yè)應(yīng)用，使物理網(wǎng)垂直行業(yè)快速發(fā)展。
二、NB-IoT或?qū)⒊蔀榻y(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的契機(jī)
2015年9月，3GPP宣布對NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)正式立項，并對NB-IoT的能力提出了具體的指標(biāo)要求：深度覆蓋，NB-IoT比現(xiàn)有GPRS網(wǎng)絡(luò)提升20dB，支持單用戶上下行至少160bps，覆蓋面積擴(kuò)大100倍;具備支撐海量連接的能力，一個NB-IOT扇區(qū)可支持5萬個連接;更低功耗，5Wh的電池可供終端使用10年;時延上更靈活，對某些應(yīng)用，上行的時延可放寬到10s。NB-IoT基于現(xiàn)有的4G LTE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對物理層和高層做了大量的改進(jìn)和優(yōu)化，以滿足3GPP的立項目標(biāo)。
1.NB-IoT物理層方面
與傳統(tǒng)的4G LTE網(wǎng)絡(luò)不同，NB-IoT系統(tǒng)帶寬僅200kHz，傳輸帶寬為180kHz，兩側(cè)各保留10K的保護(hù)帶寬。這一方面可以提高系統(tǒng)的功率譜密度，另一方面可以更靈活的選擇頻點。物理層下行采用12個子載波，每個子載波間隔15kHz。物理層編碼、調(diào)制和傳輸模式均有不同程度的簡化。為降低終端功耗，減小終端處理的復(fù)雜度，下行不支持波束賦型與空分復(fù)用等較復(fù)雜的傳輸方式。物理層上行除常規(guī)的15kHz子載波間隔外，還增加了3.75kHz的子載波間隔，支持用戶上行使用單子載波傳輸，以提升上行傳輸?shù)墓β首V密度，增加覆蓋能力。同時3GPP在物理層上引入了重復(fù)傳輸?shù)臋C(jī)制，通過重復(fù)傳輸?shù)姆旨鲆婧秃喜⒃鲆鎭硖嵘庹{(diào)門限，這為上下行覆蓋增強(qiáng)提供了強(qiáng)有力的支撐。
2.NB-IoT高層方面
3GPP在高層方面主要是對現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到節(jié)省開銷，降低終端功耗的目的。優(yōu)化系統(tǒng)信息，通過延長系統(tǒng)信息有效的降低了上行隨機(jī)接入、小區(qū)選擇和重選的頻次，降低終端功耗。優(yōu)化空閑態(tài)，延長DRX的周期，擴(kuò)大尋呼窗長，以進(jìn)一步降低終端功耗，在空閑態(tài)情況下采用終端異頻負(fù)載均衡，平衡小區(qū)之間的資源，達(dá)到更大的系統(tǒng)連接數(shù)。優(yōu)化接入控制，通過覆蓋增強(qiáng)對隨機(jī)接入過程進(jìn)行了優(yōu)化，根據(jù)用戶覆蓋等級的不同調(diào)整用戶隨機(jī)接入次數(shù)。當(dāng)終端出現(xiàn)狀態(tài)異常時，可以優(yōu)先接入系統(tǒng)，系統(tǒng)將優(yōu)先進(jìn)行故障排查定位。優(yōu)化信令面，為節(jié)省業(yè)務(wù)面開銷，支持控制面?zhèn)鬏斝?shù)據(jù)的核心網(wǎng)方案。為進(jìn)一步降低終端功耗，控制面對PDCP和加密過程進(jìn)行優(yōu)化，減小信令交互過程。