NB-IoT是專門為LPWA移動物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)設(shè)計的全新技術(shù)，采用超窄帶、低成本設(shè)計(基于FDD半雙工模式)理念，在一定程度上犧牲了速率和時延性能，以換取更極致的物聯(lián)網(wǎng)低功耗大連接等特性。

NB-IoT設(shè)計目標包括：續(xù)航10年、較GSM系統(tǒng)覆蓋增強20dB、支持每小區(qū)5萬連接以及更低成本。其中采用的新型空中接口技術(shù)包括：超窄帶設(shè)計(200kHz系統(tǒng)帶寬，3.75kHz/15kHz信道帶寬)、重復(fù)發(fā)送實現(xiàn)覆蓋增強;新增了省電模式以降低功耗(如PSM省電模式、eDRX功能等);低復(fù)雜度設(shè)計以降低成本。

1 子載波間隔

LTE的子載波間隔為15kHz，為進一步適配典型物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的小包傳輸，NB-IoT在上行引入了更小的子載波間隔，如3.75kHz。

上行數(shù)據(jù)傳輸方案包括3.75kHz單頻、15kHz單頻、15kHz多頻等方案。對于3.75kHz單頻，其最小傳輸單元時域上為32ms;對于15kHz單頻，其最小傳輸單元時域上為8ms;對于15kHz多頻，NB-IoT系統(tǒng)支持3頻、6頻、12頻三種。其中對于15kHz 3頻，其最小傳輸單元時域上為4ms;對于15kHz 6頻，其最小傳輸單元時域上為2ms;對于15kHz 12頻，其最小傳輸單元同LTE，時域上為1ms。

3.75kHz單頻的單用戶上行峰值速率約為4.7kbit/s;15kHz單頻的單用戶上行速率峰值約為15.6kbit/s;15kHz多頻的單用戶上行峰值速率約為62.5kbit/s。

下行子載波間隔與LTE保持相同，僅有一種子載波間隔(15kHz)，最小傳輸單元在時域上為1ms，也與LTE相同，在該設(shè)計中，下行峰值速率約為21kbit/s。

2 工作模式

圖1 NB-IoT的3種工作模式

NB-IoT系統(tǒng)可支持3種工作模式，以適應(yīng)不同運營商的不同使用場景。3種工作模式包括Stand-alone(獨立工作模式)，采用獨立的頻譜部署NB-IoT;In-band(LTE帶內(nèi)工作模式)，在LTE帶寬內(nèi)部署NB-IoT，適用于僅有LTE頻譜沒有額外頻譜的運營商;Guard band(LTE保護帶工作模式)，在LTE頻譜邊緣的保護帶內(nèi)部署NB-IoT，適用于僅有LTE頻譜沒有額外頻譜的運營商。

3種工作模式如圖1所示。

表1給出了NB-IoT 3種不同工作模式對比。

表1 NB-IoT不同工作模式對比

除此之外，3種工作模式在資源使用上的主要區(qū)別包括：1)In-band需要額外留出LTE CRS、PDCCH symbol的位置，每ms開銷約為28.6%;2)In-band與Guardband的下行發(fā)射功率較Stand-alone差8dB(假設(shè)LTE發(fā)射功率為20W@5MHz)。

3 物理信道

NB-IoT物理信道繼承并簡化了LTE系統(tǒng)設(shè)計，其上、下行信道對比分別參見表2和表2。

表2 NB-IoT與LTE上行信道對比

表2 NB-IoT與LTE下行信道對比

4 數(shù)據(jù)傳輸方案

NB-IoT的數(shù)據(jù)傳輸方案包括兩類：用戶面數(shù)據(jù)傳輸方案(UP方案)和控制面數(shù)據(jù)傳輸方案(CP方案)。

NB-IoT UP方案在LTE基本過程的基礎(chǔ)上，引入RRC掛起、恢復(fù)過程，如圖2所示。掛起時，UE、eNodeB、核心網(wǎng)保存UE上下文(每用戶KB量級);恢復(fù)時，根據(jù)各網(wǎng)元保存的UE上下文，快速恢復(fù)控制面、AS安全和用戶面。該方案適用于大數(shù)據(jù)包傳輸，或頻繁發(fā)包的業(yè)務(wù)。

圖2 NB-IoT UP方案與LTE信令流程對比

另一方面，為進一步適配典型物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)長間隔小數(shù)據(jù)包傳輸(如每天上報20B)的業(yè)務(wù)特性，降低信令開銷，NB-IoT還引入了控制面數(shù)據(jù)傳輸方案(CP方案)。

圖3 NB-IoT CP方案與LTE信令流程對比

如圖3所示，相比于LTE的空中接口信令，CP方案無須建立用戶面承載，直接使用控制面承載進行數(shù)據(jù)傳輸，可節(jié)省信令，尤其適用于長間隔的小數(shù)據(jù)包傳輸，效率更高。

5 部署方案建議

綜合考慮子載波間隔、工作模式、數(shù)據(jù)傳輸方案等因素，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署建議如下：

(1)子載波間隔

上行15kHz子載波間隔在單用戶速率性能方面占優(yōu)，其中15kHz多頻速率性能最優(yōu)，但對信道傳輸條件有較高要求，主要應(yīng)用于覆蓋的極好點、好點;15kHz單頻速率性能弱于多頻，主要用于覆蓋的好點、中點、中差點;上行3.75kHz子載波間隔在用戶容量、上行覆蓋性能方面占優(yōu)，因此在部署初期，該三種傳輸方式應(yīng)要求同時支持。實際應(yīng)用場景下，可基于深度覆蓋、容量、用戶分布等因素，自適應(yīng)選擇3.75kHz單頻、15kHz單頻、15kHz多頻配置。下行子載波間隔僅有1種，為15kHz。

(2)工作模式

Stand-alone方式因下行覆蓋性能更優(yōu)，且系統(tǒng)開銷較小，部署初期可采用Stand-alone獨立部署方式。

(3)數(shù)據(jù)傳輸方案

小數(shù)據(jù)包傳輸時，CP方案效率更高，因此更適合低頻次通信業(yè)務(wù);UP方案，適合通信頻次較高的業(yè)務(wù);CP和UP相結(jié)合的方案，適合數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l次由低向高轉(zhuǎn)換的業(yè)務(wù)。