文/陳剛 黃欣 王家誠 龐宇 趙汝法

1 引言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)發(fā)展迅速，稱為未來“萬物互聯(lián)”愿景的重要底層支撐技術(shù)。據(jù)技術(shù)市場研究公司Gartner的預(yù)測，預(yù)計(jì)到2020年，移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將超過260 億臺(tái)。而目前物聯(lián)網(wǎng)市場上，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，低速率業(yè)務(wù)已占據(jù)67%以上的IoT業(yè)務(wù)，且缺乏良好的蜂窩技術(shù)支持，這意味著低速率廣域網(wǎng)技術(shù)的市場需求巨大。隨著IoT的不斷發(fā)展，廣域網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展尤為明顯。

基于長期演進(jìn)項(xiàng)目(Long Term Evoluntation, LTE)的4G 通信系統(tǒng)擴(kuò)展的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NBIoT）技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢。NB-IoT 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，盡可能與LTE 保持兼容一致，便于利用LTE 已有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈和全球廣覆蓋的網(wǎng)絡(luò)，快速升級支持NB-IoT 發(fā)展。與此同時(shí)，NBIoT 系統(tǒng)的芯片、模組和設(shè)備發(fā)開正在快速推進(jìn)，與之配套的軟件算法仿真平臺(tái)一方面能夠輔助開發(fā)人員進(jìn)行調(diào)試和性能測試；另一方面能夠成為開發(fā)人員快速了解NB-IoT 系統(tǒng)的平臺(tái)工具。因此，本文對NB-IoT 系統(tǒng)下行鏈路進(jìn)行分析，并基于Matlab 搭建NB-IoT 下行鏈路仿真平臺(tái)。

2 NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)化

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展已經(jīng)超過10年，但采用的大多是針對特定行業(yè)或非標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，存在可靠性低，安全性差，操作維護(hù)成本高等缺點(diǎn)?；诙嗄甑臉I(yè)界實(shí)踐可以看出，物聯(lián)網(wǎng)通信能否成功發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素是標(biāo)準(zhǔn)化。與傳統(tǒng)蜂窩通信不同，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用具有支持海量連接數(shù)、低終端成本、低終端功耗和超強(qiáng)覆蓋能力等特殊需求。這些年來，不同行業(yè)和標(biāo)準(zhǔn)組織制訂了一系列物聯(lián)網(wǎng)通信方面的標(biāo)準(zhǔn)，例如針對機(jī)器到機(jī)器（M2M）應(yīng)用的碼分多址（CDMA）2000 優(yōu)化版本，長期演進(jìn)（LTE）R12 和R13 的低成本終端category0 及增強(qiáng)機(jī)器類型通信（eMTC），基于全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）增強(qiáng)等，但從產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展以及技術(shù)本身來看，仍然無法很好滿足上述物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求。在這個(gè)背景下，3GPP 于2015年9月正式確定窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)，全球業(yè)界超過50 家公司積極參與，標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議核心部分在2016年6月宣告完成，并正式發(fā)布基于3GPP LTE R13版本的第1 套NB-IoT 標(biāo)準(zhǔn)體系。

圖1：NB-IoT 系統(tǒng)三種部署模式

3 NB-IoT下行鏈路分析

NB- IoT 系統(tǒng)預(yù)期能夠滿足在180 kHz 的傳輸帶寬下支持覆蓋增強(qiáng)（提升20 dB 的覆蓋能力）、超低功耗（5Wh 電池可供終端使用10年）、巨量終端接入（單扇區(qū)可支持50000個(gè)連接）的非時(shí)延敏感（上行時(shí)延可放寬到10s 以上）的低速業(yè)務(wù)（支持單用戶上下行至少160bit/s）需求。NB-IoT 基于現(xiàn)有4G LTE系統(tǒng)對空口物理層和高層、接入網(wǎng)以及核心網(wǎng)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，以更好地滿足上述預(yù)期目標(biāo)。

3.1 NB-IoT部署模式

根據(jù)NB-IoT 的立項(xiàng)目標(biāo)，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的無線接入的重點(diǎn)需求是增強(qiáng)室內(nèi)覆蓋，支持大量的低吞吐量設(shè)備，低延遲敏感度，超低成本、低功耗設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。

NB-IoT 系統(tǒng)所支持的部署模式根據(jù)其所處的頻段可分為Stand-alone, Guard-alone, Inband 三種，示意圖如圖1所示。

（1）獨(dú)立部署(Stand-alone)：GSM 運(yùn)營商使用NB-IoT 替代200kHz 的GSM 帶寬，在GSM EDGE 無線接入網(wǎng)等系統(tǒng)中重新規(guī)劃專用頻譜，這種部署方式在實(shí)際應(yīng)用中是可行的，因?yàn)镚SM 的帶寬，包含保護(hù)帶在內(nèi)，與NBIoT 的帶寬相同，均為200kHz；

（2）保護(hù)帶部署(Guard-band)：利用LTE 運(yùn)營商保護(hù)帶內(nèi)未使用的資源塊來部署NB-IoT 系統(tǒng)；

（3）帶內(nèi)部署(In-band)：即LTE 運(yùn)營商內(nèi)部的NB-IoT 系統(tǒng)，運(yùn)營商通過規(guī)劃，將一個(gè)180kHz 的帶內(nèi)物理資源塊分為給NB-IoT系統(tǒng)。經(jīng)過NB-IoT 空口優(yōu)化，可以與現(xiàn)有LTE 系統(tǒng)和諧共存，而不影響其傳輸性能；

在實(shí)際部署中，運(yùn)營商可根據(jù)自身的頻譜資源和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)情況，選擇合適的工作模式，通過新建或者網(wǎng)絡(luò)升級的方式部署NB-IoT 無線網(wǎng)絡(luò)。考慮到網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期NB-IoT 業(yè)務(wù)量小，完全新建一張專用核心網(wǎng)絡(luò)成本較高，工作量較大，也可采用現(xiàn)有LTE EPC 升級的方式快速支持NB-IoT。當(dāng)NB-IoT 業(yè)務(wù)量大時(shí)再通過獨(dú)立建網(wǎng)的方式支持。中國電信NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先考慮采用獨(dú)立工作模式部署在800 MHz上端，通過對800 MHz 碼分多址（CDMA）部分載波進(jìn)行重耕部署LTE800 MHz，再通過軟件升級的方式支持NB-IoT。NB-IoT 與800 MHz LTE 無線網(wǎng)絡(luò)共站址、共天饋、共設(shè)備、共傳輸，具有廣覆蓋的優(yōu)勢。同時(shí)，為了快速支持NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)開通和業(yè)務(wù)運(yùn)營，核心網(wǎng)初期采用EPC 升級的方式，后續(xù)NB-IoT 業(yè)務(wù)量大時(shí)，再獨(dú)立建網(wǎng)。裝有NB-IoT 模塊的終端通過NB-IoT 蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接至全國統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)連接管理和業(yè)務(wù)應(yīng)用使能平臺(tái)，通過平臺(tái)層接口對應(yīng)用層各種業(yè)務(wù)進(jìn)行開放。NB-IoT 端到端整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

圖2：NB-IoT 下行仿真鏈路

圖3：QPSK 調(diào)制方式下的BLER 性能仿真結(jié)果

4 NB-IoT下行仿真鏈路搭建及仿真

NB-IoT 與LTE 系統(tǒng)類似，下行采用OFDMA 的多址方式，對于Stand-alone、Guard-band 和In-band 三種操作模式，都采用15kHz 的子載波間隔。NB-IoT 的部署規(guī)范如表1所示。

4.1 下行鏈路關(guān)鍵技術(shù)分析

在NB-IoT 下行鏈路中，物理層接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)為多址接入、調(diào)制解調(diào)和信道碼譯碼：

（1）多址接入方式采用的是與LTE 下行鏈路一致的OFDMA 方案。OFDMA 多址方案在的發(fā)射端和接收端分別需要進(jìn)行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)和IFFT變換?？紤]到FFT 與IFFT 運(yùn)算操作的相似性，在實(shí)際系統(tǒng)中可以共享FFT 硬件加速模塊，因此，F(xiàn)FT 硬件加速器的高效實(shí)現(xiàn)稱為NB-IoT 系統(tǒng)下行鏈路的關(guān)鍵技術(shù)之一。

（2）在NB-IoT 下行鏈路中，調(diào)制方式為QPSK 和BPSK 兩種，并未支持如16QAM的更高階調(diào)制，其目的是為了降低系統(tǒng)功耗開銷，這兩種調(diào)制方式的數(shù)字化調(diào)制和解調(diào)已經(jīng)在LTE 系統(tǒng)中有非常成熟的運(yùn)用，因此在NB-IoT 系統(tǒng)中可以有很好的借鑒。

（3）NB-IoT 系統(tǒng)中上行鏈路信道編碼方案采用的是咬尾卷積碼（TBCC）方案，TBCC 碼相比于NB-IoT 上行鏈路采用的Turbo碼[8-13]雖然糾錯(cuò)性能稍弱，但其譯碼復(fù)雜度很低，比較適合于低功耗移動(dòng)端設(shè)備，考慮到NB-IoT 下行鏈路中基站發(fā)射端射頻功耗相對不太敏感，而移動(dòng)端設(shè)備基帶處理功耗極端受限，因此NB-IoT 下行鏈路采用了TBCC 碼作為信道編碼方案。

4.2 NB-IoT下行仿真鏈路

表1：NB-IoT 系統(tǒng)規(guī)范

窄帶物理下行共享信道(Narraw Physical Dowlink Sharing Channel, NPDSCH)用于承載NB-IoT 系統(tǒng)不同的下行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，如單播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、尋呼消息以及RAR 消息等，仿真鏈路框圖如圖2所示，其中：

（1）CRC：按照TS36.212 通過24 比特的CRC 校驗(yàn)碼。

（2）信道編碼：與LTE 標(biāo)準(zhǔn)中的Turbo相比，咬尾卷積碼（TBCC）具有更低的譯碼復(fù)雜度，更適合低功耗、低成本的移動(dòng)終端，因此，NPDSCH 中采用TBCC 編碼。

（3）調(diào)制：考慮到NB-IoT 低功耗、低成本終端設(shè)備的接收信噪比不會(huì)很高，不需要支持16QAM 調(diào)制，NPDSCH 中采用QPSK 調(diào)制方式。

（4）天線規(guī)模：NB-IoT 中規(guī)定可支持到2 天線端口，采用空頻塊碼（SFBC）的方式利用天線分集。本仿真中收發(fā)均為單天線。

（5）多址方式：NPDSCH 采用的多址方式為OFDMA

（6）帶寬：終端下行射頻接收帶寬為180kHz，15kHz 子載波間隔

（7）資源映射：以4 端口LTE CRS 和2端口窄帶參考信號為例，如下圖所示，在每個(gè)子幀范圍內(nèi)，調(diào)至符號按照先頻域后時(shí)域的方式進(jìn)行映射，其中，上述調(diào)制符號不會(huì)映射到分配用于窄帶參考信號和LTE CRS 傳輸?shù)馁Y源單元以及LTE 的控制信道區(qū)域。當(dāng)在一個(gè)子幀內(nèi)的資源單元完全被調(diào)制符號填充之后，生于調(diào)制符號繼續(xù)映射到傳輸時(shí)間間隔內(nèi)的下一個(gè)子幀。

4.3 仿真結(jié)果

圖3給出了15kHz 子載波間隔下的NBIoT 上行鏈路的誤塊率(Block Error Rate, BLER)仿真結(jié)果，其中Turbo 碼譯碼迭代次數(shù)為5 次。

5 結(jié)束語

目前，NB-IoT 系統(tǒng)的芯片、模組和設(shè)備的開發(fā)正在快速推進(jìn)，急需配套的軟件仿真平臺(tái)，為硬件和芯片開發(fā)測試提供基線。本文對第三代合作伙伴計(jì)劃NB-IoT 協(xié)議中的下行鏈路及其涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，并基于Matlab 搭建仿真平臺(tái)，為芯片和模組等硬件開發(fā)流程提供便利的參考。