关于蜂窝物联网NB-IOT及其测试解决方案介绍和应用分析

NB-IOT是技术演进和市场竞争的综合产物，NB-IOT作为低功耗、广域覆盖LPWAN的物联网技术，必将在万物互联的时代扮演极其重要的角色。本文主要从NB-IOT的技术背景入手，探讨了NB-IOT的技术优势、标准演进和技术原理，提出了一整套的以罗德与施瓦茨公司的信号源SMW200A、频谱仪FSW为基础的NB-IOT技术测试解决方案。

1. NB-IOT技术背景

如今物联网技术在行业应用的比例逐年提高，渗透生产制造、交通物流、健康医疗、消费电子、零售、汽车等应用行业。万物互联的时代正以极其迅速的脚步走进我们的生活。而“万物互联”实现的基础之一在于数据的传输，不同的物联网业务对数据传输能力和实时性都有着不同要求。

图1 不同无线物联网接入技术对比

物联网通信技术有很多种，从传输距离上区分，可以分为两类：

短距离通信技术：代表技术有Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等，典型的应用场景如智能家居；

广域网通信技术：业界一般定义为LPWAN（低功耗广域网），典型的应用场景如智能抄表。

低功耗广域网LPWAN技术又可分为两类：

工作在非授权频段的技术：如Lora、Sigfox等，这类技术大多是非标、自定义实现；

工作在授权频段的技术：如GSM、CDMA、WCDMA等较成熟的2G/3G蜂窝通信技术，以及目前逐渐部署应用、支持不同category终端类型的LTE及其演进技术。

目前的技术主要依赖于2G和3G系统。基于4G技术的最新3GPP标准-NB-IOT技术可以实现蜂窝物联网的一般需求，比如广域覆盖、改进室内接收性能、低功耗、低成本以及支持大量设备接入。

NB-IOT（Narrow Band Internet of Things，窄带蜂窝物联网）作为3GPP R13一项重要课题，其对应的3GPP协议相关内容获得了RAN全会批准，正式宣告了这项受无线产业广泛支持的NB-IOT标准核心协议历经2年多的研究终于在2016年6月全部完成。

2. NB-IOT技术优势

作为一项应用于低速率业务中的技术，NB-IOT具备四大优势，如下：

图2 NB-IOT技术的四大优势

广覆盖：NB-IOT技术能实现比GSM好20dB以上的覆盖增益，覆盖面积扩大100倍，在地下车库、地下管道也能覆盖到。

低功耗：NB-IOT借助PSM和eDRX可实现更长待机，低功耗特性是物联网应用一项重要指标，NB-IOT终端模块的待机时间可长达10年。

低成本：低速率、低功耗、低带宽带来的是低成本优势。目前单个模块做出来的成本不会超过5美元， 目标是要做到1美元左右。

大链接：在同一基站的情况下，NB-IOT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数。一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。

这些与之俱来的优势，让NB-IOT非常适合于传感、计量、监控等物联网应用，适用于智能抄表、智能停车、车辆跟踪、物流监控、共享单车以及智能穿戴、智慧家庭等领域，目前广泛应用的2G/3G/4G网络及其他无线技术都无法满足这些挑战。

3. NB-IOT关键技术

NB-IOT从立项到协议冻结仅用时不到8个月，成为史上建立最快的3GPP标准之一。在2016年9月完成性能标准制定和12月完成一致性测试后，几大运营商目前都在争相布局NB-IOT基站网络，因此，可以预见NB-IOT即将进入大规模商用阶段。

NB-IOT之所以可以解决室内覆盖增强、支持巨量低速率设备接入、低时延敏感、超低设备成本、低功耗和网络架构优化等问题，主要得益于其自身的几大关键技术。

3.1 NB-IOT网络部署模式

NB-IOT支持3 种部署方式： 独立部署、保护带部署、带内部署，如图3所示：

图3 NB-IOT三种部署模式

独立部署(Stand-alone)：可以利用单独的频带，适合用于GSM频段的重耕；

保护带部署(Guard-band)：可以利用LTE系统中边缘无用频带，带宽180kHz；

带内部署(In-band)：可以利用LTE载波中间的任何资源块。

通过三种不同方式的网络部署，NB-IOT充分有效地利用了频谱资源。

3.2 NB-IOT半双工模式

在3GPP R13版本中， NB-IOT仅支持FDD 半双工type-B模式。而在type B下，UE在发送上行信号时，其前面的子帧和后面的子帧都不接收下行信号，使得保护时隙加长，这对于设备的要求降低，且提高了信号的可靠性。

图4 NB-IOT半双工工作方式

通过NB-IOT的半双工Type B模式，有效降低了终端的成本和功耗。

3.3 NB-IOT物理层的变更

NB-IOT下行链路

NB-IOT系统下行链路的传输带宽为180kHz，采用现有LTE相同的15kHz子载波间隔，下行多址方式O为OFDMA、帧结构和物理资源单元也都尽量沿用现有LTE的设计。

针对180kHz下行传输带宽的特点及满足深度覆盖的需求，NB-IOT系统缩减了下行物理信道的类型，重新设计了部分下行物理信道、同步信号和参考信号，如下：

图5 NB-IOT下行物理层帧结构及物理层信道

NB-IOT上行链路

NB-IOT系统上行链路传输带宽为180kHz，支持两种子载波间隔：3.75kHz和15kHz。对于覆盖增强场景，3.75kHz子载波间隔比15kHz子载波间隔可以提供更广的覆盖范围。

上行链路支持单子载波Single-tone和多子载波Multi-tone传输，子载波间隔可配置为3.75kHz或15kHz，对于多子载波传输，采用15kHz子载波间隔。上行都是基于SC-FDMA的多址技术。对于15kHz子载波间隔，NB-IOT上线帧结构和LTE相同，对于3.75kHz子载波间隔，NB-IOT新定义了一个2ms长度的窄带时隙，一个无线帧包含5个窄带时隙，每个窄带时隙包含7个符合，并在每个时隙之间预留保护间隔，用于最小化NB-IOT符号和LTE探测参考SRS之间的冲突。

NB-IOT系统上行也缩减了上行物理信道类型，重新设计了部分上行物理信道。如下图所示：

图6 NB-IOT上行物理层特性及物理层信道

3.4 NB-IOT覆盖增强技术

在3GPP标准中，要求NB-IOT的路径损耗可高达164dB，以满足布建在小区边缘或地下室等信道质量较低的NB-IOT终端设备。涵盖范围延伸(Coverage Enhancement, CE) 共分为三种等级，分别为达到可对抗最大耦合损失MCL为144dB、154dB、164dB的信号能量衰减。基站与NB-IOT 终端间会根据所在的CE Level来选择相对应的讯息重复传送次数。

NB-IOT为了解决深度覆盖问题，通过基站与NB-IOT终端之间采用较少数量的子载波与将欲传递的数据作重复传送以利于接收端提高正确解出数据的成功率。依照目前规格的规范，在随机存取信道、控制信道与数据信道所传递之讯息的重复传送次数最高可高达2048次。

NB-IOT的重传机制，不是简单的数据重复，而是将数据进行重新排序后再传输的方式，类似于时域分集的理念。

图7 NB-IOT重传机制

3.5 NB-IOT低功耗技术

NB-IOT借助PSM和eDRX可实现更长待机，如下：

PSM(Power Saving Mode) 节电模式：R12中新增的功能，在此模式下，终端仍旧注册在网但信令不可达，从而使终端更长时间驻留在深睡眠以达到省电的目的。

eDRX(Enhanced Discontinuous Reception)延长非连续接收：R13中新增的功能，进一步延长终端在空闲模式下的睡眠周期，减少接收单元不必要的启动，相对于PSM，大幅度提升了下行可达性。

图8 NB-IOT低功耗技术PSM & eDRX

NB-IOT目标是对于典型的低速率、低频次业务模型，等容量电池寿命可达10年以上。根据TR45.820的仿真数据，在耦合耗损164dB的恶劣环境，PSM和eDRX均部署，如果终端每天发送一次200byte报文，5瓦时电池寿命可达12.8年。

4. NB-IOT测试方案

NB-IOT虽然是基于LTE技术的演进，但是，NB-IOT的技术特点决定了它自身的独特之处，因此，NB-IOT的测试同样也需要完全按照3GPP标准的要求进行。

4.1 NB-IOT测试需求

根据3GPP R13版本的需求，NB-IOT的射频测试项如下表所示：

表1 NB-IOT测试规范需求

4.2 NB-IOT测试挑战

网络未动，测试先行，对于NB-IOT产业也同样如此。相比于现在的LTE技术，NB-IOT的信道宽带、双工方式、无线信道类型、帧结构、资源分配方式等方面均发生了改变，相应的空闲模式流程、随即接入、RRC连接管理、连接重配置、无线链路监测以及可能的重定向等流程也都进行了调整。

因此，在功能方面无法复用LTE测试仪表，需要将NB-IOT视为一项全新的技术进行测试，并覆盖所有的协议功能点。而在RF性能方面，同样将涉及各类发射机/接收机、解调等测试项目。

4.3 NB-IOT测试方案

在通信网络的部署当中，测试仪器对于网络性能的验证至关重要。罗德与施瓦茨公司一直走在NB-IOT的最前沿，在2016年6月NB-IOT标准冻结之日，罗德与施瓦茨测试仪表的NB-IOT功能也随之正式发布。2016年底，与三大运营商和几大设备厂商（包括中信、华为、爱立信、大唐等）之间就已经完成了NB-IOT基站的摸底测试。

罗德与施瓦茨是第一个提供NB-IOT基站测试方案的供应商，基于R&S测试仪表，可以产生与分析NB-IOT信号。NB-IOT测试方案基于完美的测试设备组合，由矢量信号发生器SMW200A和信号与频谱分析仪FSW组成，这两款仪表已经广泛应用于移动网络设备生产厂商的基站测试中。具体方案如下：

4.3.1 NB-IOT发射机测试

NB-IOT信号分析通过R&S的VSE矢量信号分析软件选件来实现，用户也可以通过软件把测试系统升级到具有NB-IOT功能，以确保NB-IOT生态系统的成功应用。

图9 NB-IOT发射机测试

R&S FSW/FSV/FSVA/FPS + VSE-K106的方案，可以非常方便灵活地完成NB-IOT的发射机测试，测试项完全符合3GPP标准要求。

4.3.2 NB-IOT接收机测试

罗德与施瓦茨公司的矢量信号源SMW200A，内置NB-IOT的上行信号产生，其测试框图如下：

图10 NB-IOT接收机测试

R&S SMW200A，是目前市场上唯一的一台双通道矢量信号源，可以通过单台仪表的方式完成NB-IOT的接收机测试，尤其是针对邻道选择性、阻塞、动态范围等指标的测试，不需要另外的信号源。同时，由于R&S SMW200A内置信道衰落和高斯白噪声，下一步，计划加入衰落场景下的接收机性能测试，这个测试可以很容易的通过R&S SMW200A单台仪表实现。

5. 小 结

NB-IOT将开启5G大规模机器类型设备通信的成功之路。罗德与施瓦茨公司同运营商、设备厂商之间的成功合作，表明三方为NB-IOT做出了重大贡献，基于对蜂窝物联网测试与测量方案的全面理解，同时还致力于物联网生态系统。

本文主要基于NB-IOT的技术背景、技术优势及关键技术的分析上，使用罗德与施瓦茨公司强大的测试与测量设备-信号源SMW200A和频谱仪FSW+VSE，完成了符合3GPP标准要求的NB-IOT基站测试，促进了运营商、设备厂商及其他关注于物联网应用的用户在NB-IOT各个阶段的顺利完成。