摘要：窄帶物聯網（NB-IoT）是3GPP Release 13中引入的新型蜂窩技術，用於爲物聯網（IoT）提供廣域覆蓋。描述NB-IoT如何解決物聯網（IoT）關鍵要求，例如部署靈活性、低設備複雜性、長電池壽命、單個蜂窩網內支持大量設備以及超出現有蜂窩技術的覆蓋範圍顯著提高。
1.簡介
1.物聯網因巨大需求而產生。3GPP（第三代合作伙伴計劃）解決大範圍物聯網問題。NB-IoT旨在提供部署靈活性，允許操作員使用其現有可用頻譜的一小部分引入NBIoT。 NB-IoT主要針對超低端IoT應用。
2.NB-IoT是新的3GPP標準，可以和GSM，GPRS，LTE共存；NB-IoT需要190kHz的最低帶寬，GSM運營商可以用NB-IoT替換一個GSM載波（200 kHz）。
3.NB-IoT廣泛地重用LTE設計，包括數字，下行正交頻分多址（OFDMA），上行單載波頻移多址（SC-FDMA），信道編碼，速率匹配，交織等。減少設計時間。
2.傳輸方案和部署選項
A.下行傳輸方案：NB-IoT的下行鏈路基於下行正交頻分多址（OFDMA），與LTE一樣擁有15kHz子載波間隔。時隙，子幀和幀持續時間都和LTE一樣。實質上，NB-IoT載波在頻域中使用一個LTE 物理資源塊（PRB），即總共180kHz的十二個15kHz子載波。重複使用與LTE相同的OFDM命理，可確保下行鏈路中與LTE的共存性能。
B.上行傳輸方案：NB-IoT的上行鏈路支持多頻和單頻傳輸。多頻基於單載波頻分多址（SC-FDMA），單頻與LTE相同。同樣使用180kHz系統帶寬。
C.部署選項：NB-IoT可以使用超過180 kHz的任何可用頻譜作爲獨立載波部署。也可以在LTE載波內或在保護頻帶內的LTE頻譜分配內部署。
物理資源塊（PR，physical resource block）
3.物理信道
NB-IoT物理信道在很大程度上是基於傳統LTE設計的。 在本節中，我們將概述它們，重點介紹與傳統LTE不同的方面
A.下行鏈路：NB-IoT在下行鏈路中提供以下物理信號和信道……
與LTE不同的是，這些NB-IoT物理信道和信號主要在時間上多路複用。
B.上行鏈路
4.資源映射
在本節中，我們將描述NB-IoT資源映射如何部署在LTE載波中，以確保與LTE的最佳共存性能。實質上，通過避免將NB-IoT信號映射到已經由傳統LTE信號已經使用的資源元素來保持與LTE信號的正交性。
5.蜂窩搜索和初始捕獲程序
同步是蜂窩通信中的一個重要方面。典型的同步過程包括確定定時對準，校正頻偏，獲得正確的蜂窩網標識，以及絕對子幀和幀號參考。
NB-IoT旨在用於非常低成本的用戶設備（UE），並且同時爲部署在具有高穿透損耗的環境中的UE提供擴展覆蓋，例如建築物的地下室。這種低成本的UE配備可以大於20ppm初始載波頻率偏移（CFO）的低成本晶體振盪器。 部署在帶內和LTE的保衛帶中會引入額外的柵格偏移（2.5或7.5 kHz），如第二部分所述，從而產生更高的CFO。 儘管有這麼大的CFO，但是UE也應該能夠在非常低的SNR下執行準確的同步。
NB-IoT中的同步遵循與LTE中的同步過程相似的原理，但是改變了同步序列的設計，以便解決在非常低的SNR下估計大的頻率偏移和符號定時的問題。
6.隨機接入
在NB-IoT中，隨機接入服務於多個目的，例如建立無線電鏈路和調度請求時的初始接入。 其中，隨機接入的一個主要目標是實現上行鏈路同步，這對於維持NB-IoT中的上行鏈路正交性很重要。 類似於LTE，NB-IoT中的基於爭用的隨機接入過程包括四個步驟：（1）UE發送隨機接入前導; （2）網絡發送包含定時提前命令和上行鏈路資源調度的隨機接入響應，以供UE在第三步驟中使用; （3）UE使用調度資源向網絡發送其身份; 和（4）網絡發送爭用解決方案消息以解決由於在第一步驟中發送相同隨機接入前導碼的多個UE而導致的任何爭用。
爲了在具有不同路徑損耗範圍的不同覆蓋類別中服務於UE，網絡可以在單元中配置最多三個NPRACH資源配置。在每個配置中，指定用於重複基本隨機接入前同步碼的重複值。
總之，UE通過測量下行接收信號功率來確定其覆蓋水平。 在讀取關於NPRACH資源配置的系統信息之後，UE可以確定配置的NPRACH資源和其估計覆蓋水平所需的重複次數以及隨機接入前導碼發射功率。 然後UE可以在NPRACH資源的一個週期內背靠背地發送基本單音隨機接入前導碼的重複。 隨機接入過程中的其餘步驟與LTE類似，省略細節
7.調度和HARQ操作
爲了實現低複雜度UE實現，NB-IoT在下行鏈路和上行鏈路中僅允許一個HARQ進程，並且允許NPDCCH和NPDSCH兩者更長的UE解碼時間。採用異步自適應HARQ過程來支持調度靈活性。
8.性能
IoT用例的特點是數據速率，覆蓋範圍，設備複雜度，延遲和電池壽命等要求。 因此，這些是重要的績效指標。 此外，在2015年至2023年期間，物聯網業務預計年複合增長率爲23％。因此，重要的是確保NB-IoT在未來幾年有較好的支持能力。 在本節中，我們將在上述方面討論NB-IoT性能。
A.峯值數據速率：NDSCH峯值數據速率可以通過使用680位的最大TBS並在3 ms內傳輸。 這提供了226.7kbps的峯值層-1數據速率。 NPUSCH峯值數據速率可以通過使用1000比特的最大TBS並在4毫秒內傳輸來實現。 這提供了250 kbps的峯值一層數據速率。 然而，當考慮DCI，NPDSCH / NPUSCH和HARQ確認之間的時間偏移時，下行鏈路和上行鏈路的峯值吞吐量都低於上述數值。
B.覆蓋範圍：NB-IoT實現了比LTE Rel-12高20 dB的最大耦合損耗。覆蓋範圍擴展是通過增加重複次數來減少數據速率來實現的。
C.設備複雜度：NB-IoT通過下面突出顯示的設計實現低複雜度UE的實現。
顯着減少下行鏈路和上行鏈路的傳輸塊大小
僅支持下行鏈路中的一個冗餘版本
僅支持下行鏈路和上行鏈路中的單流傳輸
UE只需要單個天線
僅支持下行鏈路和上行鏈路中的單個HARQ進程
由於只有TBCC用於下行鏈路信道，所以不需要在UE處的turbo解碼器
不需要連接模式移動性測量。 UE僅需要在空閒模式下執行移動性測量
低採樣率由於較低的UE帶寬
僅允許半雙工分頻雙工（FDD）操作
不需要並行處理。 物理通道的所有物理層程序和發送和接收順序發生
覆蓋目標通過20或23 dBm PA實現，使得可以在UE中使用集成PA。
D.延遲和電池壽命：NB-IoT針對延遲不敏感的應用。 然而，對於像發送報警信號的應用，NB-IoT被設計爲允許不到10秒的延遲。NB-IoT旨在支持長電池壽命。 對於具有164 dB耦合損耗的器件，如果UE平均每天傳輸200字節數據，則可以達到10年的電池壽命。
E.容量：NB-IoT通過在上行鏈路和下行鏈路中僅使用一個PRB來支持大量的IoT容量。子PRB UE調度帶寬在上行鏈路中引入，包括單個子載波NPUSCH。 注意，對於覆蓋有限的UE，分配較高帶寬不是頻譜效率，因爲UE不能從中受益，以能夠以更高的數據速率進行傳輸。基於中的流量模型，具有一個PRB的NB-IoT每個小區支持超過52500個UE。 此外，NB-IoT支持多載波操作。因此，可以通過添加更多的NB-IoT載波來增加更多的IoT容量。
9.總結與展望
在本文中，給出了NB-IoT無線電接入的描述。 我們強調無線電接入的設計方式與LTE相比有所不同，以及如何設計來實現IoT的性能要求，如覆蓋範圍擴展，設備複雜度低，電池使用壽命長，並支持大量的IoT設備。 NB-IoT還被設計爲允許與現有GSM和LTE網絡輕鬆集成和共享無線電資源。 正在討論下一個3GPP版本中NB-IoT的進一步增強，包括例如引入低複雜度多播功能，用於推出固件更新以及增強定位精度，這對許多IoT應用很重要。NB-IoT是建立第五代（5G）無線電接入技術的一個步驟，旨在實現機器類型通信的新用例。
預計NB-IoT將繼續向5G要求發展
參考文獻：Wang Y P E, Lin X, Adhikary A, et al. A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things (NB-IoT)[J]. arXiv preprint arXiv:1606.04171, 2016.