NB-IoT关键技术、应用前景、后续演进
：5G公众号（ID:angmobile），作者为邹玉龙：南京邮电大学教授、博士生导师、丁晓进：东南大学在读博士、王全全：南京邮电大学在读硕士
摘要：基于窄带物联网（NB-IoT）的技术特点、组网方法及潜在应用场景，本文指出了NB-IoT发展过程中面临的关键问题，包括NB-IoT的数据安全与传输可靠性，NB-IoT向WB-IoT（宽带物联网）演进的问题，以及物联网设备连接需求的低、中、高速率共存的问题。同时，本文还展望NB-IoT发展的美好前景，认为多速率物联网设备的研究将是下一阶段NB-IoT发展的重点方向。
一、物联网的起源
物联网（IoT）是在互联网基础上延伸与扩展的一种网络，通过信息传感设备（例如无线传感器节点、射频识别装置、红外感应器等）按照事先约定的协议，将世间万物与互联网连接起来，并进行信息的交换和通信，从而实现智能化识别、定位、跟踪、监测控制和管理。IoT包括两个主要方面，即物与物之间的信息交互和人与物之间的信息交互。
IoT通常可以分成3层，即感知层、网络层和应用层。感知层通过实时感知，随时随地对物体进行相关信息的采集和获取，并将收集到的物理信息传送至网络层；网络层通过将物理世界接入到信息网络，进行安全可靠的信息交互和共享；应用层则对感知信息和数据和信息进行相关分析和处理，以实现智能化决策和控制。
时至今日，IoT迎来了新的发展机遇和浪潮，极大地推动了智能交通、智能家居、智慧医疗以及智慧物流等行业的快速发展，成为社会发展的重要动力，由此可能引发新一轮的工业革命。
二、NB-IoT概述
1、NB-IoT的发展背景
近年来，IoT发展迅速，世界万物都可以通过互联网相互连接，其中包括一些高速率业务（如视频类业务等），以及一些低速率业务（如抄表类业务等）。据不完全统计，低速率业务占据IoT业务的67%以上，且低速率业务还没有良好的蜂窝技术来提供支持，这也意味着低速率广域网技术拥有巨大的需求空间。在IoT不断发展的同时，IoT通信技术也日趋成熟，其中广域网通信技术的发展尤其明显。广域网通信技术按频谱是否授权可以分成以下两种类型：
（1）非授权，如Lora和Sigfox等；
（2）授权，3GPP制定的蜂窝通信技术，如2G、3G、4G、以及基于4G演进而来的长期演进（LTE）CAT-NB1，也称为窄带物联网（NB-IoT）技术。
综合来说，NB-IoT一方面具有迫切的市场需求，另一方面也具备良好的通信网络支撑，因此具有广阔的发展前景。
2、NB-IoT的关键技术
本小节简要介绍了NB-IoT相关的主要内容，着重从以下4个部分来介绍。
（1）NB-IoT 主要技术特点
NB-IoT是在LTE基础上发展起来的，其主要采用了LTE的相关技术，针对自身特点做了相应的修改。
NB-IoT物理层，射频带宽为200 kHz，下行采用正交相移键控（QPSK）调制解调器，且采用正交频分多址（OFDMA）技术，子载波间隔15 kHz；上行采用二进制相移键控（BPSK）或QPSK调制解调器，且采用单载波频分多址（SC-FDMA）技术，包含single-tone和multi-tone两种。single-tone技术的子载波间隔为3.75 kHz 和15 kHz 两种，可以适应超低速率和超低功耗的IoT终端。multi-tone技术的子载波间隔为15 kHz，可以提供更高的速率需求。NB-IoT的高层协议（物理层以上）是基于LTE 标准制定的，对多连接、低功耗和少数据的特性进行了部分修改。
NB-IoT的核心网基于S1接口进行连接。
（2）NB-IoT的频谱资源
IoT是未来通信服务市场的核心增量用户群，中国4大电信运营商对NB-IoT的发展都很支持，各自都划分了NB-IoT的频谱资源，具体如表1所示。其中联通已经开通了NB-IoT的商用网络。
表1 各运营商的NB-IoT频谱划分
（3）NB-IoT的部署
根据NB-IoT立项中RP-151621的规定，NB-IoT支持3种部署场景。如图1所示，NB-IoT所支持的3种部署场景分别是：①独立部署，即stand-alone模式，利用独立的频带，与LTE频带不重叠；②保护带部署，即Guard-band模式，利用LTE频带中边缘频带；③带内部署，即In-band模式，利用LTE频带进行部署。
图1 NB-IoT所支持的3种部署方式
（4）NB-IoT的组网
NB-IoT组网框图如图2所示，主要分成了如下所述的5个部分。
①NB-IoT终端：支持各行业的IoT设备接入，只需要安装相应的SIM卡就可以接入到NB-IoT的网络中；
②NB-IoT基站：主要是指运营商已架设的LTE基站，从部署方式来讲，主要有上面介绍的3种方式；
③NB-IoT核心网：通过NB-IoT核心网就可以将NB-IoT基站和NB-IoT云进行连接；
④NB-IoT云平台：在NB-IoT云平台可以完成各类业务的处理，并将处理后的结果转发到垂直行业中心或NB-IoT终端；
⑤垂直行业中心：垂直行业中心既可以获取到本中心NB-IoT业务数据，也可以完成对NB-IoT终端的控制。
图2 NB-IoT组网框图
3、NB-IoT的相关应用
根据NB-IoT的技术标准，NB-IoT所支持的相关应用具有以下几个主要特点：
（1）低速率属性
通过前面的相关介绍可知，NB-IoT主要是为了解决IoT中低速率业务而提出的。NB-IoT采用了低阶调制，低速率也是其主要特征。
（2）高时延属性
NB-IoT具有很强的覆盖能力。为了实现高可靠的广域覆盖，NB-IoT网络中的数据传输可能需要进行多次重传，从而导致较大的通信时延。当前NB-IoT标准设想的数据传输时延可能会达到10s。
（3）低频次属性
顾名思义，低频次就是指单位时间内业务数据传输次数不能过于频繁。过于频繁的数据传输不仅会增加IoT终端的功率消耗，也会对NB-IoT网络的时延提出更为严苛的要求。
（4）移动性弱特性
由于NB-IoT对终端功耗有很高的要求，NB-IoT Rel-13标准中不支持连接状态的移动性管理，包括相关测量、测量报告、切换等，以达到节省终端功耗的目的。
4、NB-IoT的应用场景
随着IoT通信技术的快速发展，尤其是NB-IoT技术日趋成熟，IoT技术将不断渗透到各行各业。NB-IoT技术正飞速走进人们的生活，其支持的应用场景包括：
①智慧市政，水、电、气、热等基础设施的智能管理；
②智慧交通，交通信息、应急调度、智能停车等；
③智慧环境，水、空气、土壤等实时监测控制；
④智慧物流，集装箱等物流资源的跟踪与监测控制；
⑤智慧家居，家居安防等设备的智能化管理与控制。
三、NB-IoT发展面临的潜在问题
四、总结与展望
在当今的工业4.0时代，各行业对智慧化及产业转型升级的需求越来越迫切。基于这样的背景，NB-IoT孕育而生，它是基于蜂窝网络的通信技术，具备广域覆盖、海量接入、低功耗、低成本等特征。
随着NB-IoT对行业的不断渗透，生态体系的不断完善，其发展会给当今社会的各个层面带来深远的影响。
此外，随着社会的不断发展，IoT设备的速率需求会由以低速率为主转向低速率、中速率、高速率共存。低速率的NB-IoT技术将主要应用于对通信时延低敏感的智能水表等市政应用，而诸如大型停车场的智能停车网络等大规模应用则需要相对较高的数据速率及较低的容错率以避免事故的发生，与此同时，更多的IoT应用在不同的时间和地点都有着不同的速率要求。因此对于多速率IoT设备的研究将是下一阶段NB-IoT发展的重点方向之一。
NB-IoT移动物联网系统现状、发展
来源：5G（ID:angmobile）
作者：张万春，陆婷，高音
摘要：通过与现有LTE系统对比，认为窄带物联网（NB-IoT）针对物理层、空口高层、接入网、核心网引入的各项优化特性能够很好地满足物联网低功耗、低成本、深度覆盖的典型需求。NB-IoT在标准体系统一、扩展能力上具有巨大优势，必将成为物联网技术及产业链发展、物联网应用在全球部署的有力推动者。具体地，本文介绍了：NB-IoT网络架构、NB-IoT 物理层特性（下行与上行链路）、NB-IoT空口高层特性、NB-IoT接入网特性、NB-IoT核心网特性、NB-IoT的后续演进与未来发展。
物联网应用发展已经超过10年，但采用的大多是针对特定行业或非标准化的解决方案，存在可靠性低、安全性差、操作维护成本高等缺点。基于多年的业界实践可以看出，物联网通信能否成功发展的一个关键因素是标准化。
与传统蜂窝通信不同，物联网应用具有支持海量连接数、低终端成本、低终端功耗和超强覆盖能力等特殊需求。这些年来，不同行业和标准组织制订了一系列物联网通信方面的标准，例如针对机器到机器（M2M）应用的码分多址（CDMA）2000 优化版本，长期演进（LTE）R12 和R13 的低成本终端category0及增强机器类型通信（eMTC），基于全球移动通信系统（GSM）的物联网（IoT）增强等，但从产业链发展以及技术本身来看，仍然无法很好满足上述物联网应用需求。其他一些工作于免授权频段的低功耗标准协议，如LoRA、Sigfox、Wi-Fi，虽然存在一定成本和功耗优势，但在信息安全、移动性、容量等方面存在缺陷，因此，一个新的蜂窝物联网标准需求越来越迫切。
在这个背景下，第三代合作伙伴计划（3GPP）于2015年9月正式确定窄带物联网（NB-IoT）标准立项，全球业界超过50家公司积极参与，标准协议核心部分在2016年6月宣告完成，并正式发布基于3GPP LTE R13版本的第1套NB-IoT标准体系。随着NB-IoT标准的发布，NB-IoT系统技术和生态链将逐步成熟，或将开启物联网发展的新篇章。
NB-IoT系统预期能够满足在180 kHz的传输带宽下支持覆盖增强（提升20 dB的覆盖能力）、超低功耗（5 Wh电池可供终端使用10年）、巨量终端接入（单扇区可支持50000个连接）的非时延敏感（上行时延可放宽到10 s以上）的低速业务（支持单用户上下行至少160 bit/s）需求。NB-IoT基于现有4G LTE系统对空口物理层和高层、接入网以及核心网进行改进和优化，以满足上述预期目标。
一、NB-IoT 网络架构
NB-IoT系统采用了基于4G LTE/演进的分组核心网（EPC）网络架构，并结合NB-IoT系统的大连接、小数据、低功耗、低成本、深度覆盖等特点对现有4G网络架构和处理流程进行了优化。
NB-IoT 的网络架构如图1 所示，包括：NB-IoT 终端、演进的统一陆地无线接入网络（E-UTRAN）基站、归属用户签约服务器（HSS）、移动性管理实体（MME）、服务网关（SGW）、公用数据网（PDN）网关（PGW）、服务能力开放单元（SCEF）、第三方服务能力服务器（SCS）和第三方应用服务器（AS）。和现有4G 网络相比，NB-IoT网络主要增加了业务能力开放单元（SCEF）来优化小数据传输和支持非IP数据传输。为了减少物理网元的数量，可以将MME、S-GW 和P-GW 等核心网网元合一部署，称之为蜂窝物联网服务网关节点（C-SGN）。
图1 NB-IoT网络架构
为了适应NB-IoT系统的需求，提升小数据的传输效率，NB-IoT系统对现有LTE处理流程进行了增强，支持两种优化的小数据传输方案，包括控制面优化传输方案和用户面优化传输方案。控制面优化传输方案使用信令承载在终端和MME之间进行IP数据或非IP数据传输，由非接入承载提供安全机制；用户面优化传输方案仍使用数据承载进行传输，但要求空闲态终端存储接入承载的上下文信息，通过连接恢复过程快速重建无线连接和核心网连接来进行数据传输，简化信令过程。
二、NB-IoT 系统特性
1、NB-IoT 物理层特性
NB-IoT系统支持3种操作模式：独立操作模式、保护带操作模式及带内操作模式。①独立操作模式：利用目前GSM/EDGE无线接入网（GERAN）系统占用的频谱，替代已有的一个或多个GSM载波；②保护带操作模式：利用目前LTE 载波保护带上没有使用的资源块；③带内操作模式：利用LTE载波内的资源块。
（1）NB-IoT下行链路
NB-IoT系统下行链路的传输带宽为180 kHz，采用了现有LTE相同的15 kHz的子载波间隔，下行多址方式（采用正交频分多址（OFDMA）技术）、帧结构（时域由10个1 ms子帧构成1个无线帧，但每个子帧在频域只包含12个连续的子载波）和物理资源单元等也都尽量沿用了现有LTE的设计。
针对180 kHz下行传输带宽的特点以及满足覆盖增强的需求，NB-IoT系统缩减了下行物理信道类型，重新设计了部分下行物理信道、同步信号和参考信号，包括：重新设计了窄带物理广播信道（NPBCH）、窄带物理下行共享信道（NPDSCH）、窄带物理下行控制信道（NPDCCH），窄带主同步信号（NPSS）/窄带辅主同步信号（NSSS）和窄带参考信号（NRS）；不支持物理控制格式指示信道（子帧中起始OFDM符号根据操作模式和系统信息块1（SIB1）中信令指示）和不支持物理混合重传指示信道（采用上行授权来进行窄带物理上行共享信道（NPUSCH）的重传）；并在下行物理信道上引入了重复传输机制，通过重复传输的分集增益和合并增益来提升解调门限，更好地支持下行覆盖增强。
为了解决增强覆盖下的资源阻塞问题（例如，为了最大20 dB覆盖提升需求，在带内操作模式下，NPDCCH大约需要200～350 ms重复传输，NPDSCH大约需要1200~1900 ms重复传输，如果资源被NPDCCH或NPDSCH连续占用，将会阻塞其他终端的上/下行授权或下行业务传输），引入了周期性的下行传输间隔。
（2）NB-IoT上行链路
NB-IoT系统上行链路的传输带宽为180 kHz，支持2种子载波间隔：3.75 kHz 和15 kHz。对于覆盖增强场景，3.75 kHz子载波间隔比15 kHz子载波间隔可以提供更大的系统容量，但是，在带内操作模式场景下，15 kHz子载波间隔比3.75 kHz子载波间隔有更好的LTE兼容性。
上行链路支持单子载波和多子载波传输，对于单子载波传输，子载波间隔可配置为3.75 kHz或15 kHz；对于多子载波传输，采用基于15 kHz的子载波间隔，终端需要指示对单子载波和多子载波传输的支持能力（例如，通过随机接入过程的msg1或msg3指示）以便基站选择合适的方式。无论是单子载波还是多子载波，上行都是基于单载波频分多址（SC-FDMA）的多址技术。对于15 kHz子载波间隔，NB-IoT上行帧结构（帧长和时隙长度）和LTE相同；对于3.75 kHz子载波间隔，NB-IoT新定义了一个2 ms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个符号并在每个时隙之间预留了保护间隔，用于最小化NB-IoT符号和LTE探测参考信号（SRS）之间的冲突。
NB-IoT系统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，包括：重新设计了窄带物理随机接入信道（NPRACH）、NPUSCH；不支持物理上行控制信道（PUCCH）。
为了更好地支持上行覆盖增强，NB-IoT系统在上行物理信道上也引入了重复传输机制。由于NB-IoT终端的低成本需求，配备了较低成本晶振的NB-IoT终端在连续长时间的上行传输时，终端功率放大器的热耗散导致发射机温度变化，进而导致晶振频率偏移，严重影响到终端上行传输性能，降低数据传输效率。为了纠正这种频率漂移，NB-IoT中引入了上行传输间隔，让终端在长时间连续传输中可以暂时停止上行传输，并且利用这段时间切换到下行链路，利用NPSS/NSSS NRS信号进行同步跟踪以及时频偏补偿，通过一定时间补偿后（比如频偏小于50Hz），终端将切换到上行继续传输。
2、NB-IoT空口高层特性
NB-IoT系统在空口高层主要是对现有LTE的控制面和用户面机制进行优化或简化，达到降低系统复杂度和终端功耗，节省开销以及支持覆盖增强和更有效的小数据传输的目的。
（1）RRC 信令流程优化
NB-IoT系统相比于LTE系统，在功能上做了大幅简化，相应的无线资源控制（RRC）处理过程也明显减少，特别是对连接态移动性功能的简化，不支持连接态测量上报和切换。对于控制面优化传输方案，空口信令流程被大幅缩减，最少只需3条空口RRC消息来建立无线信令承载并进行数据传输，无需激活接入层安全和无需建立无线数据承载。
对于用户面优化传输方案，可以在首次接入网络时激活接入层安全，建立无线信令和数据承载，通过连接挂起过程在终端和基站存储终端的接入层上下文，挂起无线承载；后续通过连接恢复过程恢复无线承载并重新激活接入层安全来进行数据传输。通过连接恢复过程，空口信令流程也被大幅缩减。
（2）系统消息优化
由于NB-IoT系统功能的简化，系统消息的类型减少且每个系统消息需要包含的信息也相应减少，而物理层广播信道的重新设计使得NB-IoT系统的主信息块（MIB）消息也不同于LTE系统，因此，在NB-IoT系统中最终重新定义了一套系统消息，包括窄带主信息块（MIB-NB）、窄带主信息块1（SIB1-NB）~SIB5-NB、SIB14-NB、SIB20-NB等8条系统消息，各条系统消息基本沿用了LTE相应系统消息的功能。
为了提升资源效率，NB-IoT中系统消息的调度方式由LTE采用的动态调度改为半静态调度，包括：SIB1-NB的调度资源由MIB-NB指定，其他SIB的时域资源由SIB1-NB指定。
为了降低终端接收系统消息带来的功耗和网络发送系统消息带来的资源占用，NB-IoT系统的系统消息处理采用了以下机制，包括：系统消息的有效时间从LTE的3个小时扩展为24个小时，MIB-NB 消息中携带系统消息改变的指示标签，SIB1-NB中携带了针对每个系统信息（SI）改变的单独的指示标签，连接态终端不读取系统消息，允许通过NPDCCH的控制信息直接指示系统消息变更等。
（3）寻呼优化
为了满足NB-IoT终端超长待机时间的要求，NB-IoT系统的寻呼机制也进行了优化，支持以超帧为单位（1个超帧包含1 024个无线帧）的长达3个小时的扩展非连续接收（DRX）；为了提升终端在扩展DRX周期内的寻呼接收成功率，NB-IoT系统引入了寻呼传输窗（PTW），允许在PTW内多次寻呼终端。
（4）随机接入过程优化
针对覆盖增强需求，NB-IoT系统采用了基于覆盖等级的随机接入；终端根据测量到的信号强度判断当前所处的覆盖等级，并根据相应的覆盖等级选择合适的随机接入资源发起随机接入。为了满足不同覆盖等级下的数据传输要求，基站可以给每个覆盖等级配置不同的重复次数、发送周期等，例如，处于较差覆盖等级下的终端需要使用更多的重复次数来保证数据的正确传输，但同时为了避免较差覆盖等级的终端占用过多的系统资源，可能需要配置较大的发送周期。
（5）接入控制
物联网终端数量巨大，需要有效的接入控制机制来保证控制终端的接入和某些异常上报数据的优先接入。NB-IoT系统的接入控制机制充分借鉴了LTE 系统的扩展接入限制（EAB）机制（SIB14）和随机接入过程的Backoff机制，并通过在MIB-NB中广播是否使能接入控制的指示降低终端尝试读取的SIB14-NB的功耗。
（6）数据传输机制优化
3、NB-IoT接入网特性
NB-IoT系统的接入网基于现有LTE的X2接口和S1接口进行优化。X2接口用以在eNodeB和eNodeB之间实现信令和数据交互。在NB-IoT系统中，X2接口在基于R13 的版本不支持eNodeB间的用户面操作，主要是在控制面引入了新的跨基站用户上下文恢复处理，在用户面优化传输方案下，挂起的终端移动到新基站发起RRC连接恢复过程，携带先前从旧基站获得的恢复ID，新基站在X2接口向旧基站发起用户上下文获取流程，从旧基站获取终端在旧基站挂起时保存的用户上下文信息，以便在新基站上将该UE快速恢复。
S1接口的控制面用以实现eNodeB和MME之间的信令传递，S1接口的用户面用以实现eNodeB和SGW之间的用户面数据传输。在NB-IoT系统中，S1接口引入的新特性主要包括：无线接入技术（RAT）类型上报（区分NB-IoT或E-TURAN接入）、UE无线能力指示（例如，允许MME通过下行NAS传输消息向eNodeB发送用户设备（UE）的无线能力）、优化信令流程支持控制面优化传输方案，以及为用户面优化传输方案在S1接口引入连接挂起和恢复处理等。
4、NB-IoT核心网特性
NB-IoT系统的核心网优化了现有LTE/EPC在MME、SGW、PGW及归属签约用户服务器（HSS）之间的各个接口（包括S5/S8/S10/S11/S6a 等）和功能，并针对新引入的业务能力开放单元（SCEF）增加了MME和SCEF之间的T6接口以及HSS和SCEF之间的S6t接口和相应功能。
NB-IoT系统的核心网必须支持的功能包括：支持控制面优化传输方案和用户面优化传输方案的处理及提供必要的安全控制（例如，控制面优化传输方案使用非接入层安全，用户面优化传输方案必须支持接入层安全），支持控制面优化传输方案和用户面优化传输方案间的切换（例如，S11-U和S1-U传输方式间的切换），支持与空口覆盖增强配合的寻呼，支持非IP数据经过PGW（SGi 接口实现隧道）和SCEF传输（基于T6接口），对仅支持NB-IoT的UE实现不需要联合附着的短信服务（SMS），以及支持附着时不创建PDN连接。
对于使用控制面优化传输方案的IP数据传输，MME在创建PDN连接请求中会指示SGW建立S11-U隧道。当SGW收到下行数据时，如果S11-U连接存在，SGW将下行数据发给MME，否则触发MME执行寻呼。
对于使用控制面优化传输方案的非IP数据传输，如果采用基于SGi的非IP的PDN连接，MME需要和SGW建立基于通用分组无线服务技术（GPRS）隧道协议用户面协议（GTP-U）的S11-U连接，同时PGW不为终端分配IP地址或者即使为终端分配了IP地址也不发给终端，PG和外部SCS/AS间使用隧道通信；如果采用基于T6的非IP的PDN连接中，MME需要和SCEF建立基于Diameter的T6连接。对上行非IP小数据传输，MME从eNodeB接收的网络附属存储（NAS）数据包中提取上行非IP小数据包，封装在GTP-U数据包中发送给SGW及PGW，或封装在Diameter消息中发送给SCEF。对下行非IP 小数据传输，MME从GTP-U数据包中提取下行非IP小数据包，或从Diamter消息中提取下行非IP小数据包，然后封装在NAS数据包中通过eNodeB发送给UE。
为了支持用户面传输优化方案，NB-IoT核心网各网元（MME、SGW等）同样需要支持连接挂起和恢复的相应操作。对用户面传输优化方案，数据传输机制上与LTE/EPC机制相似，仅支持IP数据传输。
三、NB-IoT的后续演进、未来发展
四、结束语
NB-IoT标准为了满足物联网的需求应运而生，中国市场启动迅速，中国移动、中国联通、中国电信都计划2017年上半年商用，并且已经开始实验室测试。在运营商的推动下，NB-IoT网络将成为未来物联网的主流通信网之一，随着应用场景的扩展，NB-IoT网络将会不断演进以满足各种不同需求。
张万春：中兴通讯股份有限公司无线研究院院长；主要从事LTE、5G相关无线产品研发；获得国家科技进步奖特等奖1项，国家科技进步二等奖1项，深圳市科技进步一等奖1项。
陆 婷：中兴通讯股份有限公司技术预研高级系统工程师；主要从事无线通信系统协议研究及标准推进，先后参与3G/4G/5G多个标准版本制订工作；已申请发明专利30项。
高 音：中兴通讯股份有限公司无线通信标准预研系统工程师；主要从事4G 和5G 标准技术研究和标准推进工作；曾任SON国家重大专项课题项目负责人；已发表论文4篇，3GPP会议提案200多篇。