2020, Vol. 46
在5G时代全面来临的背景下, 物联网产业的发展十分迅猛。根据预测, 全球的物联网连接数量将于2020年达到500亿左右[1], 2025年达到500亿~1 000亿[2]。国际通信联盟(International Telecommuni-cation Union, ITU)为5G定义了三大应用场景, 即增强型移动带宽(enhanced Mobile Broadband, eMMB)、超可靠低时延通信(Ultra-Reliable Low Latency Communication, uRLLC)以及海量机器类通信(massive Machine Type Communication, mMTC)[3]。其中mMTC场景的业务需求规模巨大, 根据统计数据可知, 到2020年, mMTC业务将占到物联网业务总数的60%左右[4]。
窄带物联网(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)是3GPP在Rel-13中引入的一项为mMTC场景设计的低功耗广域网(Low Power Wide Area Network, LPWAN)技术[5-6], 可处理大规模的低功耗连接, 提供超大覆盖范围, 并具有深度室内穿透性能[7], 较4G网络、Zigbee等短距离通信技术, 能够支持更多应用场景[8], 具有较高的高业价值[9]。目前NB-IoT的理论上行峰值速率可达62.5 kb/s, 下行也达到21.25 kb/s[10]。为探究NB-IoT的实际传输速率和信号质量, 本文回顾该技术的标准化历程, 分析其关键技术特点、物理层结构和主要信令流程, 在此基础上进行实地性能测试。
1 NB-IoT标准化历程NB-IoT的标准化经历了以下5个阶段:
1) 2013年初, 华为与相关业内厂商及运营商合作展开窄带物联网领域的研发工作, 命名为LTE-M(LTE for Machine to Machine)。在LTE-M的技术方案选择上, 主要有2种选择思路:一种是基于现有GSM演进思路(eMTC); 另一种是华为提出的新空口思路, 称为NB-M2M。NB-M2M采用FDMA多址技术及GMSK调制, 子载波间隔为5 kHz。
2) 2014年5月, 由沃达丰、中国移动、华为、诺基亚等公司支持的SI“Cellular System Support for UltraLow Complexity and Low Throughput Internet of Things”在3GPP GERAN工作组立项, LTE-M更名为Cellular IoT, 简称CIoT。
3) 2015年5月, 华为和高通共同宣布了一种融合的解决方案, 即上行采用FDMA多址方式, 下行采用OFDM多址方式, 命名为NB-CIoT(Narrow Band Cellular IoT)。NB-CIoT的优势主要体现在增强室内覆盖、支持海量终端、降低终端复杂度、功耗和时延等方面[11], 但相对LTE而言, NB-CIoT是一种全新的空口技术, 与旧版的LTE存在兼容问题。
4) 2015年8月10日, 在GERAN SI阶段末次会议上, 爱立信联合相关公司提出了NB-LTE(Narrow Band LTE)的概念。NB-LTE可与现有的LTE网络兼容, 且易于部署[12]。该方案主要设计目标是使用现有的LTE实体层部分以及尽可能多的上层LTE网络, 减少营运商在布建时的设备升级成本, 并且沿用原有的蜂巢网络架构, 达到快速布建的目的。
5) 2015年9月, 3GPP在RAN全会达成一致, 对NB-CIoT和NB-LTE两个技术方案进行融合形成NB-IoT WID。NB-CIoT由此演进到NB-IoT, 并被确立为窄带蜂窝物联网的唯一标准[13]。2016年6月, NB-IoT核心标准正式在3GPP R13中确定。
2 NB-IoT技术特点作为一项新兴的、具有广阔应用前景的LPWAN技术[14-15], NB-IoT主要有以下技术特点:
1) 广覆盖。NB-IoT可提供超大的室内覆盖范围。在同样的频段下, 与现有网络相比, NB-IoT具有接近20 dB的增益[16]。NB-IoT主要通过以下2个方面来实现广覆盖:
(1) 提升功率谱密度(Power Spectral Density, PSD)。NB-IoT通过重新定义上下行物理信道的格式, 使得上下行数据可以在比LTE更窄的带宽中发送, 提高增益。如表 1所示, 在NB-IoT上行使用3.75 kHz子载波间隔的情况下, PSD约为GSM的5.33倍, 相当于7 dB左右的增益。
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下载CSV 表 1 GSM与NB-IoT的功率谱密度对比 Table 1 Comparison of GSM and NB-IoT power spectral densities |
(2) 重复传输。在信噪比较低的接收环境中, 增加重传次数可以大幅降低误码率, 提高传输的可靠性和安全性[17]。在通信理论中, 传输次数每增加1倍, 速率降低一半, 同时产生3 dB的增益。NB-IoT使用重复传输的方式得到时间分集增益, 且所有的信道均可重传。表 2展示了NB-IoT中不同信道的重传次数, 图 1展示了重传次数和覆盖增益的关系。协议规定上行最大重复传输次数为128, 但考虑到传输效率及边缘情况, 一般设置为16, 理论上能获得12 dB的增益, 实际约为9 dB[18]。此外, NB-IoT在编译码方面也进行了优化, 可获得3 dB~4 dB的增益[19]。
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下载CSV 表 2 NB-IoT中不同信道的重传次数 Table 2 Retransmission times of different channels in NB-IoT |
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| 图 1 NB-IoT重传次数与覆盖增益的关系 Fig. 1 Relationship between NB-IoT retransmission times and coverage gains | |
2) 低功耗。NB-IoT对终端功耗的目标为:在使用固定容量电池供电时, 终端寿命可达10 a左右[20]。因此其引入以下2种节能技术:
(1) 节电模式(Power Saving Mode, PSM)。如图 2所示, 用户终端设备(User Equipment, UE)完成上行数据传输后进入空闲态, 同时开启激活定时器(T3324)。激活定时器超时后, UE进入PSM状态。在该状态下, UE深度休眠, 关闭射频接收, 不再接收下行数据, UE耗电量约为空闲态的1/200。但NB核心网中依然保留UE的注册信息, 这样当UE从PSM状态中被唤醒时, 无需再次进行附着建立即可进入连接态。PSM最长可持续310 h, 且UE的99%时间处于该状态, 达到高度节能的目的。但此时UE无法接收下行数据, 也造成了下行实时性差的缺点, 因此, PSM适用于对实时性要求不高的场景, 如远程抄表等。
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| 图 2 PSM状态示意图 Fig. 2 PSM state schematic diagram | |
(2) 扩展非连续接收(extended Discontinuous reception, eDRX)[21-22]是Rel-13中新添加的功能, 核心思想是支持周期更长的寻呼监听, 达到节电的目的。传统IoT的寻呼周期为2.56 s, 对UE的消耗较大。在下行数据发送频率较低时, UE可与NB核心网协商确定一个eDRX周期(最短20.48 s, 最长可达2.92 h)。如图 3所示, 在每个eDRX周期内, UE只在寻呼时间窗口(Paging Time Window, PTW)内监听寻呼信道, 其他时间深度休眠, 以此实现较低的功耗。eDRX技术在节能方面不如PSM, 但在实时性上较PSM更具优势。
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| 图 3 eDRX原理示意图 Fig. 3 eDRX principle schematic diagram | |
3) 低成本。为实现大规模商用, NB-IoT设计将模组成本降至1美元以下。具体措施如下:
(1) NB-IoT仅支持频分半双工(Half-Frequency Division Duplexing, H-FDD)的工作模式, 上下行传输分别在不同时段和频段上进行。因此, UE只需保留一套收发信机, 结构得到简化, 降低了成本。
(2) 与LTE相比, NB-IoT下行取消了物理控制格式指示信道(Physical Control Format Indicator Channel, PCFICH)、物理混合自动重传指示信道(Physical Hybrid ARQ Indicator Channel, PHICH)等, 上行取消了物理上行链路控制信道(Physical Uplink Control Channel, PUCCH)。
(3) NB-IoT在硬件上进行简化, 如图 4所示。首先, 与Cat-4终端相比, 除工作模式由全双工变为半双工之外, 天线模式也由1T2R变为1T1R, 降低了复杂度; 其次, NB-IoT的低采样率使得对缓存Flash/RAM的要求降低, 仅为28 KB; 再次, 由于UE的低功耗, 不再需要多模多频段的功放; 最后, 去除IMS协议栈, 意味着NB-IoT不支持语音功能。
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| 图 4 Cat-4与NB-IoT的硬件结构对比 Fig. 4 Comparison of Cat-4 and NB-IoT hardware structures | |
(4) 在MAC层, NB-IoT仅支持单进程的混合自动重传请求(Hybrid Automatic Repeat Request, HARQ), 不支持上行调度请求(Scheduling Request, SR)、信道探测参考信号(Sounding Reference Signal, SRS)、信道质量指示(Channel Quality Indicator, CQI), 并且不支持非竞争随机接入等。
4) 海量连接。NB-IoT的设计容量达到每小区5×104左右。支持NB-IoT实现海量接入的因素包括:
(1) NB-IoT的话务模型决定其可以实现海量接入。NB基站是针对物联网场景设计的, 由于UE绝大多数时间处于休眠状态, 且对时延不敏感, 因此一个基站可以设计接入更多的UE。
(2) NB-IoT是一种窄带技术, 占用带宽很小, 这决定了其调度颗粒也较小, 因此, 频谱资源利用率得到提高。
(3) 与传统LTE网络相比, NB-IoT优化了信令流程, 减少了空口信令开销, 提升了频谱效率。
3 NB-IoT的物理层结构 3.1 NB-IoT的帧结构与部署方式 3.1.1 下行帧结构在频域上, NB-IoT下行占用200 kHz带宽, 实际工作带宽为180 kHz, 分为12个连续的子载波, 子载波间隔为15 kHz。在时域上, NB-IoT下行帧结构与LTE类似, 如图 5所示。不同之处是NB-IoT引入的超帧的概念, 每个超帧由1 024个无线帧组成, NB-IoT的一个最长周期由1 024个超帧组成, 时长约为2.92 h。
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| 图 5 NB-IoT下行时域结构 Fig. 5 NB-IoT downlink time domain structure | |
在频域上, NB-IoT上行支持15 kHz或3.75 kHz两种子载波间隔, 如图 6所示, 同时其支持Single-Tone和Multi-Tone两种传输模式。在时域上, NB-IoT定义了资源单元(Resource Unit, RU)作为上行传输时资源调度的基本单位, 不同场景下RU的结构如表 3所示。
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| 图 6 NB-IoT上行频域结构 Fig. 6 NB-IoT uplink frequency domain structure | |
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下载CSV 表 3 不同场景下的RU结构 Table 3 RU structures in different scenarios |
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| 图 7 NB-IoT支持的3种部署方式 Fig. 7 3 deployment modes supported by NB-IoT | |
具体如下:
1) 独立部署(Standalone operation, ST)。它不依赖LTE网络且与LTE完全解耦, 适合重耕GSM频段。GSM的信道带宽为200 kHz, 刚好为NB-IoT 180 kHz带宽辟出空间, 两边还有10 kHz的保护间隔。在独立部署方式下, NB-IoT的配置限制较少, 不存在与现有系统的兼容问题, 且下行容量最优, 约为5×104左右。
2) 保护带部署(Guardband operation, GB)。利用LTE边缘保护带中未使用的180 kHz带宽的资源块, 不占用LTE资源。由于部署在LTE的保护带内, 需要考虑与LTE系统的兼容问题, 且可用频点非常有限, 因此保护带部署方式未来发展也将受限, 该部署方式的下行容量约为2.7×104左右。
3) 带内部署(In-band operation, IB)。占用LTE的一个物理资源块(Physical Resource Block, PRB)资源[24-25]。这种方式同样需要考虑与LTE系统的兼容问题, 如避开LTE的PDCCH区域、同步信号和PBCH、CRS等, 且下行容量在3种方式中最低, 约为1.9×104。
3.2 NB-IoT的物理信号与信道 3.2.1 下行物理信号与信道对NB-IoT下行物理信号和信道的介绍如下:
1) 窄带主同步信号(Narrowband Primary Synchro-nization Signal, NPSS)是NB-IoT的下行主同步信号, 作用是完成时间和频率上的初同步, 固定在每个无线帧的5号子帧上发送, 如图 8和图 9所示。NPSS在频域上占据0~10号的11个子载波; 在时域上, 由于UE此时还未获取NB-IoT部署方式, 因此预留出前3个OFDM符号, 为LTE资源预留位置。在In-band场景下, 还需打孔避让LTE的小区参考信号(Cell Reference Signal, CRS)。
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| 图 8 Guardband/Standalone场景下的NPSS资源位置 Fig. 8 NPSS resource location in Guardband/Standalone scenario | |
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| 图 9 In-band场景下的NPSS资源位置 Fig. 9 NPSS resource location in In-band scenario | |
2) 窄带辅同步信号(Narrowband Secondary Synchro-nization Signal, NSSS)用于终端获取PCI信息和帧定时信息, 固定在偶数无线帧的9号子帧上发送, 周期为20 ms, 如图 10和图 11所示。NSSS在频域上占据整个工作带宽, 在时域上与NPSS所占位置相同。
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| 图 10 Guardband/Standalone场景下的NSSS资源位置 Fig. 10 NSSS resource location in Guardband/Standalone scenario | |
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| 图 11 In-band场景下的NSSS资源位置 Fig. 11 NSSS resource location in In-band scenario | |
3) 窄带参考信号(Narrowband Reference Signal, NRS)的作用是下行信道质量测量估计以及终端的相干检测和解调, 在NPBCH/NPDCCH/NPDSCH信道上发送, 每天线端口每子帧使用8个RE, 如图 12和图 13所示。
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| 图 12 Guardband/Standalone场景下的NRS资源位置 Fig. 12 NRS resource location in Guardband/Standalone scenario | |
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| 图 13 In-band场景下的NRS资源位置 Fig. 13 NRS resource location in In-band scenario | |
4) 窄带物理广播信道(Narrowband Physical Broadcast Channel, NPBCH)的作用是携带主系统信息块MIB(Master Information Block), 固定在每个无线帧的0号子帧上发送, 发射周期为640 ms, 如图 14所示。NPBCH在子帧内所占位置和NSSS相同, 如图 15和图 16所示。
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| 图 14 NPBCH周期 Fig. 14 NPBCH cycle | |
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| 图 15 Guardband/Standalone场景下的NPBCH资源位置 Fig. 15 NPBCH resource location in Guardband/Standalone scenario | |
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| 图 16 In-band场景下的NPBCH资源位置 Fig. 16 NPBCH resource location in In-band scenario | |
5) 窄带物理下行控制信道(Narrowband Physical Downlink Control Channel, NPDCCH)的作用是承载下行控制消息(Downlink Control Information, DCI), 使用窄带控制信道单元(Narrowband Control Channel Elements, NCCE)作为资源调度的基本单位。每个NCCE在频域上占用6个子载波带宽; 在时域上, 由于此时UE已经获知NB-IoT的部署模式, 因此只在In-Band模式下为LTE预留资源, 如图 17和图 18所示。
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| 图 17 Guardband/Standalone场景下的NPDCCH资源位置 Fig. 17 NPDCCH resource location in Guardband/Standalone scenario | |
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| 图 18 In-band场景下的NPDCCH资源位置 Fig. 18 NPDCCH resource location in In-band scenario | |
6) 窄带物理下行共享信道(Narrowband Physical Downlink Shared Channel, NPDSCH)用于传播单播业务数据、寻呼消息以及随机接入响应(Random Access Response, RAR)消息等, 子帧结构和NPDCCH相同, 资源映射方式也基本相同, 如图 19和图 20所示。NPDSCH与NPDCCH时分复用。
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| 图 19 Guardband/Standalone场景下的NPDSCH资源位置 Fig. 19 NPDSCH resource location in Guardband/Standalone scenario | |
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| 图 20 In-band场景下的NPDSCH资源位置 Fig. 20 NPDSCH resource location in In-band scenario | |
对NB-IoT上行物理信号和信道的介绍如下:
1) 窄带物理随机接入信道(Narrowband Physical Random Access Channel, NPRACH)用于终端发起随机接入请求, 获取上行同步及必要的调度信息。UE通过在NPRACH中发送RA Preamble(随机接入前导码)来完成随机接入请求。RA Preamble在时域上统一占用8 ms, 并支持重传, 最多可达128次[26]。NPRACH在频域上占据45kHz, 即12个子载波带宽。NB-IoT的工作带宽最多划分为4个NPRACH band, 如图 21所示。
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| 图 21 NPRACH资源位置 Fig. 21 NPRACH resource location | |
2) 窄带物理上行共享信道(Narrowband Physical Uplink Shared Channel, NPUSCH)的作用是传递上行数据和控制信息, 可使用Single-Tone和Multi-Tone方案传输。NPUSCH使用RU作为资源调度的基本单位, 如表 3所示。
3) 上行解调参考信号(Demodulation Reference Signal, DMRS)用于信号的解调和同步测量。由于与NPUSCH复用, 不同场景下DMRS的位置也不同, 如图 22所示。
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| 图 22 DMRS资源位置 Fig. 22 DMRS resource location | |
UE开机入网的主要流程如图 23所示。当UE开机或进入覆盖区域后, 通过读取系统消息SIB2获得公共陆地移动网络(Public Land Mobile Network, PLMN)列表。UE首先尝试选择上一次注册过的PLMN进行注册, 如果失败, 则根据SIM卡信息选择其他的PLMN, 完成小区选择和驻留。最后进行随机接入及附着流程, 完成入网。
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| 图 23 UE开机入网流程 Fig. 23 UE startup and network access process | |
NB-IoT的系统消息由一个MIB和7个系统信息块(System Information Blocks, SIBs)构成, 分别称为SIB1、SIB2、SIB3、SIB4、SIB5、SIB14、SIB16[27]。每个系统信息块的主要参数如表 4所示。
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下载CSV 表 4 NB-IoT系统消息构成 Table 4 NB-IoT system message composition |
NB-IoT的系统消息调度关系如图 24所示。MIB消息由NPBCH承载, 调度周期为640 ms, UE可直接在NPBCH上接收; SIB1在NPDSCH上发送, 调度周期为2 560 ms, 具体位置由MIB调度; 而其他的SIB使用系统信息下发, 由SIB1调度映射到SI中[28-30]。
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| 图 24 系统信息调度关系 Fig. 24 System information scheduling relation | |
UE读取系统消息流程如图 25所示。首先盲检NPSS, 完成下行时间和频率的同步; 然后盲检NSSS, 完成帧定时和PCI信息的获取; 获取PCI后, UE可以知道小区的NRS信息, 从而获取小区的信号强度RSRP; 同时, 在完成下行同步后, UE通过盲检NPBCH信道读取MIB信息, 得到SIB1的调度信息, 再通过读取NPBSCH获得SIB1信息, 最后通过SIB1获取其他SIB信息。
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| 图 25 系统信息读取流程 Fig. 25 System information reading procedure | |
随机接入是UE进行通信前, 由UE向基站请求接入, 收到基站响应, 并由基站分配随机接入信道的过程, 目的是获得上行的时频资源以及时间同步。随机接入的主要流程如图 26所示。
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| 图 26 随机接入流程 Fig. 26 Random access procedure | |
具体步骤如下:
1) UE通过SIB2获取RACH相关配置信息, 根据RSRP测量结果和SIB2中的门限值选择对应的覆盖等级向基站发起随机接入请求(Msg1)。
2) 基站收到Preamble ID后, 根据其所在的时频资源位置推算随机接入无线网络临时标识(Random Access Radio Network Temporary Identifier, RA-RNTI)加扰NPDCCH, 并在NPDSCH上发送随机接入响应RAR(Msg2), 包括TC-RNTI、UL grant等信息。UE通过RA-RNTI解调NPDCCH来获取RAR在NPDSCH上的位置。
3) UE收到Msg2后, 在RAR分配的资源上发送RRC Connection Request(Msg3), 通过UL-SCH信道传输上行调度信息。
4) UE在发送Msg3后, 启动竞争解决定时器, 接受竞争完成消息。基站在MAC层进行竞争决议, 下发Msg4, 触发信令无线承载(Signaling Radio Bearer, SRB1)和SRB1bis建立。UE通过TC-RNTI解调NPDCCH来获取Msg4在NPDSCH上的位置。
5) UE完成SRB1bis无线资源配置, 发送RRC connection complete消息给基站, 完成随机接入。
4.3 数据传输流程NB-IoT支持控制面(Control Plane, CP)传输和用户面(User Plane, UP)传输2种模式。
4.3.1 CP传输模式由于UE大部分时间都是小包传输, 并且发包间隔较长, 为了节省开销, 提出了CP传输方案。CP传输模式无需建立DRB(Data Radio Bearer, 数据无线承载), 数据通过承载在SRB上的NAS协议数据单元(Ptotocol Data Unit, PDU)进行传输。
CP模式传输流程如图 27所示。当处于空闲态的UE有上行数据要传输时, 先向基站发起RRC连接建立请求, 并将需要发送的数据通过NAS PDU发送至基站; 基站收到NAS PDU后, 通过S1-AP Initial UE Message将其继续转发给移动管理实体(Mobility Management Entity, MME)。MME在检查完整性及解密后, 向服务网关(Serving GateWay, S-GW)发起承载修改请求; S-GW再将承载修改请求发至PDN网关(PDN GateWay, P-GW), 请求处理完成后, 给MME回复一条承载修改响应。
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| 图 27 CP传输模式流程 Fig. 27 Procedure of CP transmission mode | |
完成承载修改后, MME会把数据转发给S-GW及P-GW, 完成上行数据传输。当有下行数据传输时, MME将数据进行加密及完整性保护, 通过下行S1-AP消息, 将数据封装在NAS中传递给基站。基站继续通过RRC下行消息将数据发送至UE, 并向MME发送一条通知消息, 完成下行数据传输。在上下行传输完成后, 基站会进行激活状态检测, 如果没有数据传输, 则进入去激活状态, 进行S1释放流程, 使终端重新进入空闲态。
4.3.2 UP传输模式UP传输模式流程如图 28所示。在随机接入后, 基站通过S1-AP初始信息将NAS请求转发给MME。MME会进行资源分配, 并通过S1-AP初始UE上下文建立请求消息发送至基站, 基站收到后, 通知UE发送安全模式配置及RRC连接重配置消息, 配置完成后, 基站通知MME空口的相关资源配置已经完成。接着MME向S-GW发送承载修改请求。完成承载修改后, 即可进行上下行数据传输。
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| 图 28 UP传输模式流程 Fig. 28 Procedure of UP transmission mode | |
如果一段时间内没有数据发送, 基站同样会激活承载释放流程, 使UE回到空闲态。考虑到UP面承载建立和释放过程开销较大, 对NB-IoT小包业务来说效率较低, 因此UP模式增加了挂起(Suspend)和释放(Resume)流程, 如图 29和图 30所示。UE在无数据传输时, 基站缓存UE的AS上下行信息, 使UE进入挂起状态。处于挂起状态的UE进行主被叫业务时, 会通过Msg3发送Connection Resume Request通知基站退出RRC-IDLE状态, 基站激活UE进入连接态。
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| 图 29 Suspend流程 Fig. 29 Procedure of Suspend | |
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| 图 30 Resume流程 Fig. 30 Procedure of Resume | |
为深入探究NB-IoT的实际应用性能, 本节通过构建包含NB模块、NB基站及后台控制程序3个环节的闭环系统, 对NB-IoT的各方面性能进行实地测试, 包括距离对信号质量的影响、距离对上下行吞吐量的影响、PING时延及半封闭环境下的穿透性等。
5.1 闭环测试系统 5.1.1 闭环测试系统架构开发板与后台程序所形成的闭环系统架构如图 31所示。基站与NB模块建立连接之后, 将模块的发出请求或数据送至核心网, 由NB核心网将数据接入互联网, 再通过路由, 送至指定IP地址的后台控制程序上。
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| 图 31 闭环系统架构 Fig. 31 Closed-loop system architecture | |
测试采用移远公司的bc95模块开发板, 如图 32所示。开发板采用stm32f103芯片, 搭载基于华为公司Boudica 120芯片的NB模块, 利用Visual Studio编写一款测试软件。该软件的主要功能是与NB模块互联, 下发命令获取相应数据, 并通过界面显示。软件包含2个测试界面, 分别如图 33和图 34所示。其中:图 33为子界面1, 用于显示NB基站及NB模块信息, 测试将RSRP和SNR作为主要指标; 图 34为子界面2, 用于测试NB模块的上下行吞吐量以及PING时延。
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| 图 32 NB模块开发板实物图 Fig. 32 Physical drawing of NB module development board | |
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| 图 33 后台控制界面1 Fig. 33 Background control interface 1 | |
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| 图 34 后台控制界面2 Fig. 34 Background control interface 2 | |
测试选在某大学校区内进行。该校区内NB基站的分布如图 35所示。
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| 图 35 NB基站分布 Fig. 35 Distribution of NB base stations | |
本文进行以下4个测试:
测试1 测试NB模块在距基站不同距离的信号强度, 评估距离对信号质量的影响。
测试2 测试NB模块在距基站不同距离的下行吞吐量, 以及Single-Tone、3.75 kHz子载波间隔下的上行吞吐量, 评估距离对上下行吞吐量的影响。采用发送AT指令的方式直接查询MAC层吞吐量。
测试3 测试NB模块在不同信号强度下的发送时延, 评估信号强度对发送时延的影响。采用发送AT指令的方式查询PING时延。发送一定字节数的数据包, 立即查询PING时延, 显示查询结果。
测试4 根据文献[10]可知, NB-IoT具有深度室内穿透性能。本项测试选用一处半封闭干扰场景对以上3项指标进行测试, 以检验NB-IoT的穿透性能。
5.2 实测数据在进行测试1~测试3时, 用NB模块连接2个NB基站, 代码分别为733880和733882(下称基站1、基站2), 分别选择距离基站50 m、100 m、150 m、200 m、250 m的5个点来测试上述3项指标。两基站测试位置分别如图 36和图 37所示, 其中标志点指示的测试点处于高大建筑群中, 这对模块的信号质量可能会产生一定影响。
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| 图 36 基站1测试点位置 Fig. 36 Location of test point of base station 1 | |
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| 图 37 基站2测试点位置 Fig. 37 Location of test points of base station 2 | |
测试1 测试NB模块的信号强度, 评估距离对信号质量的影响。
在2个基站每个测试点分别进行10组测试, 对测试结果取平均值, 如表 5所示。
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下载CSV 表 5 测试1实测数据 Table 5 Actual data of test 1 |
测试2 测试NB模块上下行吞吐量, 评估距离对吞吐量的影响。
在2个基站每个测试点分别进行10组测试, 对测试结果取平均值, 如表 6所示。
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下载CSV 表 6 测试2实测数据 Table 6 Actual data of test 2 |
测试3 测试NB模块的PING时延, 评估信号强度对时延的影响。
在连接两基站的各测试点分别进行10组测试, 对测试结果取平均值, 如表 7所示。
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下载CSV 表 7 测试3实测数据 Table 7 Actual data of test 3 |
测试4 测试NB模块在半封闭环境下的信号质量, 评估NB-IoT的穿透性能。
本项测试选用校区附近一处地铁站的4个进站口作为测试点, 每个测试点都在地面上以及进站后的地下半封闭环境分别测试, 4个测试点及其所连接的基站位置如图 38所示。
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| 图 38 测试4测试点位置 Fig. 38 Test points location in test 4 | |
在4个测试点的地上、地下环境分别测试NB模块的RSRP, SNR及PING时延3项指标。4个测试点均连接基站733885, 在每个测试点对上述3项指标分别进行10组测试, 将测试数据取平均值后得到如表 8所示的测试数据。
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下载CSV 表 8 测试4实测数据 Table 8 Actual data of test 4 |
通过上述测试, 可以得出以下结论:
1) 由表 5可以看出, 当距基站250 m左右时, 模块仍保持-80 dbm~-70 dbm的信号强度。此外也可以看出, 在与基站距离相近的情况下, 高大建筑群对信号质量有一定影响。
2) 在一定距离内, 模块的上下行速率比较稳定, 下行处于13 kb/s~18 kb/s之间, 上行吞吐量约为4 kb/s左右, 这与文献[11]中62.5 kb/s的上行峰值速率有较大差距。主要原因是测试中NB模块使用Single-Tone及3.75 kHz子载波间隔进行上行传输, 而文献[11]中的数据是在Multi-Tone, 以及12个子载波同时调度的模式下计算出的峰值速率。另根据文献[18]中对NB-IoT链路速率的计算, 在Single-Tone及3.75 kHz子载波间隔下, 上行速率为3.65 kb/s~4.08 kb/s之间, 与本次测试结果基本吻合。
3) 在一定距离内, 模块的PING时延比较稳定, 约在350 ms~380 ms之间。这与文献[31]中NB-IoT的业务态单向时延测试所得的400 ms的数据基本一致。
4) 在干扰较强的地下场景, NB模块的信号质量受到较大影响, 信号的RSRP, SNR等性能指标都有不同程度的下降。其中RSRP下降20 dB左右, 这与文献[18]中对室外场景的覆盖分析给出的城市墙体穿透损耗为17 dB~-25 dB的数据基本吻合, 也说明NB-IoT在建筑物内部覆盖的实际效果一般, 今后需着重研究增强覆盖的其他措施。
6 结束语本文介绍NB-IoT技术的相关知识, 包括标准化历程、技术特点、物理层结构、主要信令流程等, 并对其实地性能进行测试。目前的NB-IoT技术在数据安全与传输可靠性方面还存在不足, 但其在低速率、高时延、低频次以及弱移动性[32-33]场景下表现非常突出。下一步将在本文基础上, 研究NB-IoT与Zigbee、WiFi等无线通信技术的融合与集成方法。
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