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窄带物联网
摘 要
本文回顾了窄带物联网的背景和发展现状。我们首先介绍NB-IoT的一般背景、发展历史和标准化情况。然后，通过对NB-IoT技术的国内外研究现状的回顾，介绍了NB-IoT的特点，重点介绍了n b-IoT的基础理论和关键技术，即连接计数分析理论、延迟分析理论、覆盖增强机制、超低功耗技术以及信令和数据之间的耦合关系。随后，我们比较了NB-IoT与其他无线和移动通信技术在时延、安全性、可用性、数据传输速率、能耗、频谱效率和覆盖区域等方面的性能。此外，我们分析了NB-IoT的五个智能应用，包括智能城市、智能建筑、智能环境监控、智能用户服务和智能计量。最后，总结了NB-IoT亟待解决的安全需求。这些讨论旨在提供NB-IoT的全面概述，帮助读者清楚地了解NB-IoT的科学问题和未来的研究方向。
关键词 智能应用、物联网、LPWAN、LTE、NB-IoT。
目录
第1章 导言
在过去的20年里，物联网技术有了长足的发展，并融入到各个领域。也就是说，几乎所有东西都可以通过物联网网络连接起来。物联网在大数据处理、异构性和性能方面取得了显著进步。从传输速率的角度来看，物联网的通信业务可以大致分为两类:高数据速率业务(如视频业务)和低数据速率业务(如抄表业务)。根据ATECH 2017年的统计，低数据速率服务占总物联网服务的67%以上，这表明低数据速率广域网技术确实是可取的。
近年来，由于物联网的发展，物联网通信技术已经成熟和普及。从传输距离的角度来看，物联网通信技术可以分为短距离通信技术和广域网通信技术[5]，[6]。前者以Zigbee、Wi-Fi、蓝牙、Z-wave等为代表。他们的典型应用是智能家居。后者在低数据速率服务中是期望的，如上面提到的智能停车，其通常被工业定义为低功率广域网(LPWAN)技术。
其中，LPWAN通信技术的发展尤为明显。从频谱许可的角度来看，LPWAN技术可以分为两类，工作在非授权频谱的技术和工作在授权频谱的技术[7]，[8]。第一类以Lora、Sigfox等为代表。，其中大多数是非标准的和自定义实现的。第二类一般以一些相对成熟的2G/3G蜂窝通信技术(如GSM、CDMA、WCDMA等)为代表。)，LTE技术和演进的LTE技术，支持不同类别的终端[9]。这些授权频谱通信技术的标准基本上由3GPP (GSM、WCDMA、LTE和演进的LTE技术等)等国际标准组织制定。)和3GPP2 (CDMA等。).
窄带物联网(NB-IoT)是由3GPP提出的大规模低功耗广域(LPWA)技术，用于智能低数据速率应用的数据感知和获取。典型的应用是智能计量和智能环境监控[11] [12]。NB-IoT支持海量连接、超低功耗[13]、广域覆盖以及信令平面[14]和数据平面[15] [16]之间的双向触发。此外，它还受到优秀的蜂窝通信网络的支持[17]。因此，NB-IoT是一项很有前景的技术[18]。
1.1 网络物联网发展历史与标准化
长期以来，蜂窝移动通信主要支持以人为本的语音业务和移动宽带业务。自2005年以来，3GPP开始对用于机器类型通信(MTC)服务的蜂窝网络(如GSM、UMTS和LTE)进行深入研究。相关可行性和改进研究[19]旨在让MTC成为5G网络中的重要组成部分[20]，如表1 [21]所示。基于MTC的早期部署，3GPP (R8-R11)的前期工作主要集中在数据和信令平面上的过载和拥塞，以及众多终端同步接入网络时资源短缺的编号和解决等问题。在进一步细化和规定了MTC服务的需求[22]和特征之后，在R12，3GPP宣布了与低成本MTC终端的设计、安全性要求和网络系统架构相关的GSM接入网的增强。在非3GPP LPWA技术(如LoRa和Sigfox)的推动下，在R13 3GPP中为MTC设定了5个目标，包括增强室内覆盖、支持海量小数据终端、降低终端复杂度和成本、提高能效以及支持各种时延特性。R13还定义了3种新的窄带空中接口，包括兼容GSM的EC-GSM-IoT、兼容LTE的eMTC和全新的NB-IoT技术。其中，NB-IoT由中国优秀民营企业华为技术有限公司牵头[23]。与非3GPP LPWA技术相比，3GPP LPWA技术(以NB-IoT为代表)因其软件升级和核心网复用部署在授权频段而更受业界关注。预计2017年将逐步实现NB-IoT终端芯片的成本下降和商用推广。2015年2月，中国IMT2020工作组提出了NB-IoT的相关概念。此后，IMT2020逐渐完善了技术方案的研究[24]以及原理样机和终端芯片方面的开发[25]。然而，受时间点的限制，R13只是为NB-IoT的长期前景提供了一个初步的原则框架。因此，3GPP R14中仍有许多功能需要改进。根据典型的用途和服务特性的差异[26]，R14定义的MTC服务可以进一步分为两类，mMTC和uRLLC。此外，R14在R13的五个目标的基础上，提出了定位支持、多播、移动性、更高数据速率和链路自适应方面的功能需求，以使蜂窝物联网拥有更合适的对象和应用范围[27]。简而言之，3GPP采用两步走的策略来应对MTC业务带来的技术挑战。第一步是过渡策略，旨在利用和优化现有网络和技术来提供MTC服务[28]。第二步是一项长期战略，基于为NB-IoT引入新的空中接口技术，以支持MTC服务的大规模增长，并保持其对非3GPP LPWA技术的核心竞争力[29]。
1.2 NB-IoT 特征
NB-IoT的主要特征如图1所示，并在下文中简要介绍。
（1）低功耗
使用省电模式(PSM)和扩展不连续接收(eDRX)，可以在NB-IoT中实现更长的待机时间。其中，在Rel-12中新加入了PSM技术，在省电模式下，终端仍然在线注册，但无法通过信令到达，以便使终端更长时间地深度睡眠，从而达到省电的目的。另一方面，Rel-13中新增了eDRX，进一步延长了终端在空闲模式下的睡眠周期，减少了接收信元不必要的启动。与PSM相比，eDRX显著提高了下行链路的可达性。PSM和eDRX的省电机制如图2所示[30]。
图2 PSM和eDRX的节能机制
表2
集成功放中电池寿命的估算
NB-IoT对于典型的低速率低频业务，要求恒容量电池的终端使用寿命为10年。根据TR45.820的模拟数据，对于164 dB的耦合损耗，同时使用PSM和eDRX，如果终端每天发送一次200字节的消息，5-Wh电池的使用寿命可以是12.8年，如表2所示[30]。
（2）增强的覆盖范围和低延迟敏感性
根据TR45.820的仿真数据，可以确认NB-IoT在独立部署模式下的覆盖功率可以达到164 dB。针对带内部署和防护带部署进行了模拟测试。为了实现覆盖增强，NB-IoT采用了重传(200次)和低频调制等机制。目前NB-IoT对16QAM的支持还在讨论中。对于164 dB的耦合损耗，如果提供可靠的数据传输，由于大量数据的重传，等待时间增加。TR45.820的模拟显示了不规则报告服务场景和不同耦合损耗(报头压缩与否)的延迟，可靠性为99%，见表3 [30]。目前，3GPP物联网的容许延迟为10秒。事实上，对于最大耦合损耗，也可以支持约6秒的更低延迟。有关更多详细信息，请参考针对TR45.820的NB-IoT仿真结果。
（3）传输方式
如表4 [31]所示，NB-IoT的开发基于LTE。根据NB-IoT独有的特点，主要对LTE的相关技术进行了修改。NB-IoT物理层射频带宽为200 kHz。在下行链路中，NB-IoT采用QPSK调制解调器和OFDMA技术，子载波间距为15 KHz [32]。在上行链路中，采用BPSK或QPSK调制解调器以及包括单个子载波和多个子载波的SC-FDMA技术。子载波间距为3.75 kHz和15 kHz的单个子载波技术，适用于超低速率、超低功耗的物联网终端。
表1
NB-IoT发展简史及标准化进程
对于15 kHz的子载波间隔，定义了12个连续的子载波。因此，对于3.75 kHz的子载波间隔，定义了48个连续的子载波。多子载波传输支持15 kHz的子载波间隔，并定义了12个连续的子载波，这些子载波被组合成3、6或12个连续的子载波。由于更高的功率谱密度，3.75 kHz间距的覆盖能力高于15kHz间距。15 kHz间隔的小区容量是3.75kHz间隔的92%，但调度效率和调度复杂度更高。由于窄物理随机接入信道(NPRACH)必须采用间隔为3.75 kHz的单个子载波传输，因此大多数设备优先支持上行链路间隔为3.75 kHz的单个子载波传输。在引入间隔为15 kHz的单个子载波传输和多个子载波传输之后，根据终端的信道质量自适应地进行选择。窄物理下行链路共享信道(NPDSCH)传输的最小调度单元是资源块(RB)，窄物理上行链路共享信道(NPUSCH)传输的最小调度单元是资源单元(RU)。在时域方面，对于单个子载波传输，对于3.75 kHz的子载波间隔，资源单位为32 ms，对于15 kHz的子载波间隔，资源单位为8 ms对于多子载波传输，对于3个子载波间隔，资源单位为4 ms对于6个子载波间隔，资源单位为2 ms对于12个子载波间隔，资源单位为1 ms。
NB-IoT高层(物理层之上的层)的协议是通过修改LTE的一些特性制定的，例如多连接、低功耗和少数据。NB-IoT的核心网络通过S1接口连接。
图1 NB-IoT的主要特性
表3
不规则报告业务场景下不同耦合损耗环境下的延迟，保证99%的可靠性
表4
网络物联网的主要技术特点
（4）频谱资源
物联网是未来通信服务市场上吸引更大用户群的核心服务，因此NB-IoT的发展得到了中国四大电信运营商的大力支持，他们拥有各自的NB-IoT频谱资源，详见表5[31]。其
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