NB-IOT是技術演進和市場競爭的綜合產物，NB-IOT作為低功耗、廣域覆蓋LPWAN的物聯網技術，必將在萬物互聯的時代扮演極其重要的角色。本文主要從NB-IOT的技術背景入手，探討了NB-IOT的技術優勢、標準演進和技術原理，提出了一整套的以羅德與施瓦茨公司的信號源SMW200A、頻譜儀FSW為基礎的NB-IOT技術測試解決方案。

1. NB-IOT技術背景

如今物聯網技術在行業應用的比例逐年提高，滲透生產制造、交通物流、健康醫療、消費電子、零售、汽車等應用行業。萬物互聯的時代正以極其迅速的腳步走進我們的生活。而“萬物互聯”實現的基礎之一在于數據的傳輸，不同的物聯網業務對數據傳輸能力和實時性都有著不同要求。

圖1 不同無線物聯網接入技術對比

物聯網通信技術有很多種，從傳輸距離上區分，可以分為兩類：

短距離通信技術：代表技術有Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等，典型的應用場景如智能家居；

廣域網通信技術：業界一般定義為LPWAN（低功耗廣域網），典型的應用場景如智能抄表。

低功耗廣域網LPWAN技術又可分為兩類：

工作在非授權頻段的技術：如Lora、Sigfox等，這類技術大多是非標、自定義實現；

工作在授權頻段的技術：如GSM、CDMA、WCDMA等較成熟的2G/3G蜂窩通信技術，以及目前逐漸部署應用、支持不同category終端類型的LTE及其演進技術。

目前的技術主要依賴于2G和3G系統。基于4G技術的最新3GPP標準-NB-IOT技術可以實現蜂窩物聯網的一般需求，比如廣域覆蓋、改進室內接收性能、低功耗、低成本以及支持大量設備接入。

NB-IOT（Narrow Band Internet of Things，窄帶蜂窩物聯網）作為3GPP R13一項重要課題，其對應的3GPP協議相關內容獲得了RAN全會批準，正式宣告了這項受無線產業廣泛支持的NB-IOT標準核心協議歷經2年多的研究終于在2016年6月全部完成。

2. NB-IOT技術優勢

作為一項應用于低速率業務中的技術，NB-IOT具備四大優勢，如下：

圖2 NB-IOT技術的四大優勢

廣覆蓋：NB-IOT技術能實現比GSM好20dB以上的覆蓋增益，覆蓋面積擴大100倍，在地下車庫、地下管道也能覆蓋到。

低功耗：NB-IOT借助PSM和eDRX可實現更長待機，低功耗特性是物聯網應用一項重要指標，NB-IOT終端模塊的待機時間可長達10年。

低成本：低速率、低功耗、低帶寬帶來的是低成本優勢。目前單個模塊做出來的成本不會超過5美元， 目標是要做到1美元左右。

大鏈接：在同一基站的情況下，NB-IOT可以比現有無線技術提供50-100倍的接入數。一個扇區能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設備成本、低設備功耗和優化的網絡架構。

這些與之俱來的優勢，讓NB-IOT非常適合于傳感、計量、監控等物聯網應用，適用于智能抄表、智能停車、車輛跟蹤、物流監控、共享單車以及智能穿戴、智慧家庭等領域，目前廣泛應用的2G/3G/4G網絡及其他無線技術都無法滿足這些挑戰。

3. NB-IOT關鍵技術

NB-IOT從立項到協議凍結僅用時不到8個月，成為史上建立最快的3GPP標準之一。在2016年9月完成性能標準制定和12月完成一致性測試后，幾大運營商目前都在爭相布局NB-IOT基站網絡，因此，可以預見NB-IOT即將進入大規模商用階段。

NB-IOT之所以可以解決室內覆蓋增強、支持巨量低速率設備接入、低時延敏感、超低設備成本、低功耗和網絡架構優化等問題，主要得益于其自身的幾大關鍵技術。

3.1 NB-IOT網絡部署模式

NB-IOT支持3 種部署方式： 獨立部署、保護帶部署、帶內部署，如圖3所示：

圖3 NB-IOT三種部署模式

獨立部署(Stand-alone)：可以利用單獨的頻帶，適合用于GSM頻段的重耕；

保護帶部署(Guard-band)：可以利用LTE系統中邊緣無用頻帶，帶寬180kHz；

帶內部署(In-band)：可以利用LTE載波中間的任何資源塊。

通過三種不同方式的網絡部署，NB-IOT充分有效地利用了頻譜資源。

3.2 NB-IOT半雙工模式

在3GPP R13版本中， NB-IOT僅支持FDD 半雙工type-B模式。而在type B下，UE在發送上行信號時，其前面的子幀和后面的子幀都不接收下行信號，使得保護時隙加長，這對于設備的要求降低，且提高了信號的可靠性。

圖4 NB-IOT半雙工工作方式

通過NB-IOT的半雙工Type B模式，有效降低了終端的成本和功耗。

3.3 NB-IOT物理層的變更

NB-IOT下行鏈路

NB-IOT系統下行鏈路的傳輸帶寬為180kHz，采用現有LTE相同的15kHz子載波間隔，下行多址方式O為OFDMA、幀結構和物理資源單元也都盡量沿用現有LTE的設計。

針對180kHz下行傳輸帶寬的特點及滿足深度覆蓋的需求，NB-IOT系統縮減了下行物理信道的類型，重新設計了部分下行物理信道、同步信號和參考信號，如下：

圖5 NB-IOT下行物理層幀結構及物理層信道

NB-IOT上行鏈路

NB-IOT系統上行鏈路傳輸帶寬為180kHz，支持兩種子載波間隔：3.75kHz和15kHz。對于覆蓋增強場景，3.75kHz子載波間隔比15kHz子載波間隔可以提供更廣的覆蓋范圍。

上行鏈路支持單子載波Single-tone和多子載波Multi-tone傳輸，子載波間隔可配置為3.75kHz或15kHz，對于多子載波傳輸，采用15kHz子載波間隔。上行都是基于SC-FDMA的多址技術。對于15kHz子載波間隔，NB-IOT上線幀結構和LTE相同，對于3.75kHz子載波間隔，NB-IOT新定義了一個2ms長度的窄帶時隙，一個無線幀包含5個窄帶時隙，每個窄帶時隙包含7個符合，并在每個時隙之間預留保護間隔，用于最小化NB-IOT符號和LTE探測參考SRS之間的沖突。

NB-IOT系統上行也縮減了上行物理信道類型，重新設計了部分上行物理信道。如下圖所示：

圖6 NB-IOT上行物理層特性及物理層信道

3.4 NB-IOT覆蓋增強技術

在3GPP標準中，要求NB-IOT的路徑損耗可高達164dB，以滿足布建在小區邊緣或地下室等信道質量較低的NB-IOT終端設備。涵蓋范圍延伸(Coverage Enhancement, CE) 共分為三種等級，分別為達到可對抗最大耦合損失MCL為144dB、154dB、164dB的信號能量衰減。基站與NB-IOT 終端間會根據所在的CE Level來選擇相對應的訊息重復傳送次數。

NB-IOT為了解決深度覆蓋問題，通過基站與NB-IOT終端之間采用較少數量的子載波與將欲傳遞的數據作重復傳送以利于接收端提高正確解出數據的成功率。依照目前規格的規范，在隨機存取信道、控制信道與數據信道所傳遞之訊息的重復傳送次數最高可高達2048次。

NB-IOT的重傳機制，不是簡單的數據重復，而是將數據進行重新排序后再傳輸的方式，類似于時域分集的理念。

圖7 NB-IOT重傳機制

3.5 NB-IOT低功耗技術

NB-IOT借助PSM和eDRX可實現更長待機，如下：

PSM(Power Saving Mode) 節電模式：R12中新增的功能，在此模式下，終端仍舊注冊在網但信令不可達，從而使終端更長時間駐留在深睡眠以達到省電的目的。

eDRX(Enhanced Discontinuous Reception)延長非連續接收：R13中新增的功能，進一步延長終端在空閑模式下的睡眠周期，減少接收單元不必要的啟動，相對于PSM，大幅度提升了下行可達性。

圖8 NB-IOT低功耗技術PSM & eDRX

NB-IOT目標是對于典型的低速率、低頻次業務模型，等容量電池壽命可達10年以上。根據TR45.820的仿真數據，在耦合耗損164dB的惡劣環境，PSM和eDRX均部署，如果終端每天發送一次200byte報文，5瓦時電池壽命可達12.8年。

4. NB-IOT測試方案

NB-IOT雖然是基于LTE技術的演進，但是，NB-IOT的技術特點決定了它自身的獨特之處，因此，NB-IOT的測試同樣也需要完全按照3GPP標準的要求進行。

4.1 NB-IOT測試需求

根據3GPP R13版本的需求，NB-IOT的射頻測試項如下表所示：

表1 NB-IOT測試規范需求

4.2 NB-IOT測試挑戰

網絡未動，測試先行，對于NB-IOT產業也同樣如此。相比于現在的LTE技術，NB-IOT的信道寬帶、雙工方式、無線信道類型、幀結構、資源分配方式等方面均發生了改變，相應的空閑模式流程、隨即接入、RRC連接管理、連接重配置、無線鏈路監測以及可能的重定向等流程也都進行了調整。

因此，在功能方面無法復用LTE測試儀表，需要將NB-IOT視為一項全新的技術進行測試，并覆蓋所有的協議功能點。而在RF性能方面，同樣將涉及各類發射機/接收機、解調等測試項目。

4.3 NB-IOT測試方案

在通信網絡的部署當中，測試儀器對于網絡性能的驗證至關重要。羅德與施瓦茨公司一直走在NB-IOT的最前沿，在2016年6月NB-IOT標準凍結之日，羅德與施瓦茨測試儀表的NB-IOT功能也隨之正式發布。2016年底，與三大運營商和幾大設備廠商（包括中信、華為、愛立信、大唐等）之間就已經完成了NB-IOT基站的摸底測試。

羅德與施瓦茨是第一個提供NB-IOT基站測試方案的供應商，基于R&S測試儀表，可以產生與分析NB-IOT信號。NB-IOT測試方案基于完美的測試設備組合，由矢量信號發生器SMW200A和信號與頻譜分析儀FSW組成，這兩款儀表已經廣泛應用于移動網絡設備生產廠商的基站測試中。具體方案如下：

4.3.1 NB-IOT發射機測試

NB-IOT信號分析通過R&S的VSE矢量信號分析軟件選件來實現，用戶也可以通過軟件把測試系統升級到具有NB-IOT功能，以確保NB-IOT生態系統的成功應用。

圖9 NB-IOT發射機測試

R&S FSW/FSV/FSVA/FPS + VSE-K106的方案，可以非常方便靈活地完成NB-IOT的發射機測試，測試項完全符合3GPP標準要求。

4.3.2 NB-IOT接收機測試

羅德與施瓦茨公司的矢量信號源SMW200A，內置NB-IOT的上行信號產生，其測試框圖如下：

圖10 NB-IOT接收機測試

R&S SMW200A，是目前市場上唯一的一臺雙通道矢量信號源，可以通過單臺儀表的方式完成NB-IOT的接收機測試，尤其是針對鄰道選擇性、阻塞、動態范圍等指標的測試，不需要另外的信號源。同時，由于R&S SMW200A內置信道衰落和高斯白噪聲，下一步，計劃加入衰落場景下的接收機性能測試，這個測試可以很容易的通過R&S SMW200A單臺儀表實現。

5. 小 結

NB-IOT將開啟5G大規模機器類型設備通信的成功之路。羅德與施瓦茨公司同運營商、設備廠商之間的成功合作，表明三方為NB-IOT做出了重大貢獻，基于對蜂窩物聯網測試與測量方案的全面理解，同時還致力于物聯網生態系統。

本文主要基于NB-IOT的技術背景、技術優勢及關鍵技術的分析上，使用羅德與施瓦茨公司強大的測試與測量設備-信號源SMW200A和頻譜儀FSW+VSE，完成了符合3GPP標準要求的NB-IOT基站測試，促進了運營商、設備廠商及其他關注于物聯網應用的用戶在NB-IOT各個階段的順利完成。