NB-IoT空中接口关键技术

NB-IoT是专门为LPWA移动物联网业务设计的全新技术，采用超窄带、低成本设计(基于FDD半双工模式)理念，在一定程度上牺牲了速率和时延性能，以换取更极致的物联网低功耗大连接等特性。

NB-IoT设计目标包括：续航10年、较GSM系统覆盖增强20dB、支持每小区5万连接以及更低成本。其中采用的新型空中接口技术包括：超窄带设计(200kHz系统带宽，3.75kHz/15kHz信道带宽)、重复发送实现覆盖增强;新增了省电模式以降低功耗(如PSM省电模式、eDRX功能等);低复杂度设计以降低成本。

1 子载波间隔

LTE的子载波间隔为15kHz，为进一步适配典型物联网业务的小包传输，NB-IoT在上行引入了更小的子载波间隔，如3.75kHz。

上行数据传输方案包括3.75kHz单频、15kHz单频、15kHz多频等方案。对于3.75kHz单频，其最小传输单元时域上为32ms;对于15kHz单频，其最小传输单元时域上为8ms;对于15kHz多频，NB-IoT系统支持3频、6频、12频三种。其中对于15kHz 3频，其最小传输单元时域上为4ms;对于15kHz 6频，其最小传输单元时域上为2ms;对于15kHz 12频，其最小传输单元同LTE，时域上为1ms。

3.75kHz单频的单用户上行峰值速率约为4.7kbit/s;15kHz单频的单用户上行速率峰值约为15.6kbit/s;15kHz多频的单用户上行峰值速率约为62.5kbit/s。

下行子载波间隔与LTE保持相同，仅有一种子载波间隔(15kHz)，最小传输单元在时域上为1ms，也与LTE相同，在该设计中，下行峰值速率约为21kbit/s。

2 工作模式

图1 NB-IoT的3种工作模式

NB-IoT系统可支持3种工作模式，以适应不同运营商的不同使用场景。3种工作模式包括Stand-alone(独立工作模式)，采用独立的频谱部署NB-IoT;In-band(LTE带内工作模式)，在LTE带宽内部署NB-IoT，适用于仅有LTE频谱没有额外频谱的运营商;Guard band(LTE保护带工作模式)，在LTE频谱边缘的保护带内部署NB-IoT，适用于仅有LTE频谱没有额外频谱的运营商。

3种工作模式如图1所示。

表1给出了NB-IoT 3种不同工作模式对比。

表1 NB-IoT不同工作模式对比

除此之外，3种工作模式在资源使用上的主要区别包括：1)In-band需要额外留出LTE CRS、PDCCH symbol的位置，每ms开销约为28.6%;2)In-band与Guardband的下行发射功率较Stand-alone差8dB(假设LTE发射功率为20W@5MHz)。

3 物理信道

NB-IoT物理信道继承并简化了LTE系统设计，其上、下行信道对比分别参见表2和表2。

表2 NB-IoT与LTE上行信道对比

表2 NB-IoT与LTE下行信道对比

4 数据传输方案

NB-IoT的数据传输方案包括两类：用户面数据传输方案(UP方案)和控制面数据传输方案(CP方案)。

NB-IoT UP方案在LTE基本过程的基础上，引入RRC挂起、恢复过程，如图2所示。挂起时，UE、eNodeB、核心网保存UE上下文(每用户KB量级);恢复时，根据各网元保存的UE上下文，快速恢复控制面、AS安全和用户面。该方案适用于大数据包传输，或频繁发包的业务。

图2 NB-IoT UP方案与LTE信令流程对比

另一方面，为进一步适配典型物联网业务长间隔小数据包传输(如每天上报20B)的业务特性，降低信令开销，NB-IoT还引入了控制面数据传输方案(CP方案)。

图3 NB-IoT CP方案与LTE信令流程对比

如图3所示，相比于LTE的空中接口信令，CP方案无须建立用户面承载，直接使用控制面承载进行数据传输，可节省信令，尤其适用于长间隔的小数据包传输，效率更高。

5 部署方案建议

综合考虑子载波间隔、工作模式、数据传输方案等因素，NB-IoT网络部署建议如下：

(1)子载波间隔

上行15kHz子载波间隔在单用户速率性能方面占优，其中15kHz多频速率性能最优，但对信道传输条件有较高要求，主要应用于覆盖的极好点、好点;15kHz单频速率性能弱于多频，主要用于覆盖的好点、中点、中差点;上行3.75kHz子载波间隔在用户容量、上行覆盖性能方面占优，因此在部署初期，该三种传输方式应要求同时支持。实际应用场景下，可基于深度覆盖、容量、用户分布等因素，自适应选择3.75kHz单频、15kHz单频、15kHz多频配置。下行子载波间隔仅有1种，为15kHz。

(2)工作模式

Stand-alone方式因下行覆盖性能更优，且系统开销较小，部署初期可采用Stand-alone独立部署方式。

(3)数据传输方案

小数据包传输时，CP方案效率更高，因此更适合低频次通信业务;UP方案，适合通信频次较高的业务;CP和UP相结合的方案，适合数据传输的频次由低向高转换的业务。