NB-IoT技術(shù)的詳細解讀

　2015年9月份，全球通信業(yè)對共同形成一個低功耗、廣域覆蓋（LPWA）的物聯(lián)網(wǎng)標準達成共識， NB-IoT標準應(yīng)運而生。而今年，隨著NB-IoT即將完成測試，正式進入商用階段，業(yè)界對于它的關(guān)注度和討論也是逐漸升溫。

　　一、為什么NB-IoT會出現(xiàn)？
　　據(jù)預(yù)測，2016年全球?qū)褂?4億個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備每天將有550萬個設(shè)備連網(wǎng)，而“萬物互聯(lián)”實現(xiàn)的基礎(chǔ)之一在于數(shù)據(jù)的傳輸，不同的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)傳輸能力和實時性都有著不同要求。
　　根據(jù)傳輸速率的不同，可將物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)進行高、中、低速的區(qū)分：
　　高速率業(yè)務(wù)：主要使用3G、4G技術(shù)，例如車載物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和監(jiān)控攝像頭， 對應(yīng)的業(yè)務(wù)特點要求實時的數(shù)據(jù)傳輸；
　　中等速率業(yè)務(wù)：主要使用GPRS技術(shù)，例如居民小區(qū)或超市的儲物柜，使用頻率高但并非實時使用，對網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的要求遠不及高速率業(yè)務(wù)；
　　低速率業(yè)務(wù)：業(yè)界將低速率業(yè)務(wù)市場歸納為LPWAN（Low Power Wide Area Network）市場，即低功耗廣域網(wǎng)。目前還沒有對應(yīng)的蜂窩技術(shù)，多數(shù)情況下通過GPRS技術(shù)勉力支撐，從而帶來了成本高、影響低速率業(yè)務(wù)普及度低的問題。
　　也就是說目前低速率業(yè)務(wù)市場急需開拓，而低速率業(yè)務(wù)市場其實是最大的市場，如建筑中的滅火器、科學(xué)研究中使用的各種監(jiān)測器，此類設(shè)備在生活中出現(xiàn)的頻次很低，但匯集起來總數(shù)卻很可觀，這些數(shù)據(jù)的收集用于各類用途，比如改善城市設(shè)備的配置等等。
　　而NB-IoT就是一種新的窄帶蜂窩通信LPWAN(低功耗廣域網(wǎng))技術(shù)，可以幫助我們解決這個問題。

　　二、NB-IoT的優(yōu)勢是什么？
　　作為一項應(yīng)用于低速率業(yè)務(wù)中的技術(shù)，NB-IoT的優(yōu)勢不難想象：
　　強鏈接：在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現(xiàn)有無線技術(shù)提供50-100倍的接入數(shù)。一個扇區(qū)能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。舉例來說，受限于帶寬，運營商給家庭中每個路由器僅開放8-16個接入口，而一個家庭中往往有多部手機、筆記本、平板電腦，未來要想實現(xiàn)全屋智能、上百種傳感設(shè)備需要聯(lián)網(wǎng)就成了一個棘手的難題。而NB-IoT足以輕松滿足未來智慧家庭中大量設(shè)備聯(lián)網(wǎng)需求。
　　高覆蓋：NB-IoT室內(nèi)覆蓋能力強，比LTE提升20dB增益，相當于提升了100倍覆蓋區(qū)域能力。不僅可以滿足農(nóng)村這樣的廣覆蓋需求，對于廠區(qū)、地下車庫、井蓋這類對深度覆蓋有要求的應(yīng)用同樣適用。以井蓋監(jiān)測為例，過去GPRS的方式需要伸出一根天線，車輛來往極易損壞，而NB-IoT只要部署得當，就可以很好的解決這一難題。
　　低功耗：低功耗特性是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用一項重要指標，特別對于一些不能經(jīng)常更換電池的設(shè)備和場合，如安置于高山荒野偏遠地區(qū)中的各類傳感監(jiān)測設(shè)備，它們不可能像智能手機一天一充電，長達幾年的電池使用壽命是最本質(zhì)的需求。NB-IoT聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應(yīng)用，因此NB-IoT設(shè)備功耗可以做到非常小，設(shè)備續(xù)航時間可以從過去的幾個月大幅提升到幾年。
　　低成本：與LoRa相比，NB-IoT無需重新建網(wǎng)，射頻和天線基本上都是復(fù)用的。以中國移動為例，900MHZ里面有一個比較寬的頻帶，只需要清出來一部分2G的頻段，就可以直接進行LTE和NB-IoT的同時部署。低速率、低功耗、低帶寬同樣給NB-IoT芯片以及模塊帶來低成本優(yōu)勢。模塊預(yù)期價格不超過5美元。
　　不過，NB-IoT仍有著自身的局限性。在成本方面，NB-IoT模組成本未來有望降至5美元之內(nèi)，但目前支持藍牙、Thread、ZigBee三種標準的芯片價格僅在2美元左右，僅支持其中一種標準的芯片價格不到1美元。巨大的價格差距無疑將讓企業(yè)部署NB-IoT產(chǎn)生顧慮。
　　此外，大部分物聯(lián)網(wǎng)場景如智能門鎖、數(shù)據(jù)監(jiān)測等并不需要實時無線聯(lián)網(wǎng)，僅需近場通信或者通過有線方式便可完成。若更換NB-IoT，是否物有所值？

　　三、NB-IoT的產(chǎn)業(yè)鏈
　　相對于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)比較龐大，需要從縱向產(chǎn)業(yè)鏈和橫向技術(shù)標準兩個維度多個環(huán)節(jié)進行分析。
　　對于低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)，從縱向來看，目前已形成從“底層芯片—模組—終端—運營商—應(yīng)用”的完整產(chǎn)業(yè)鏈。

　　而其中，芯片在NB-IoT整個產(chǎn)業(yè)鏈中處于基礎(chǔ)核心地位，現(xiàn)在幾乎所有主流的芯片和模組廠商都有明確的NB-IoT支持計劃。
　　華為收購公司Neul的芯片實現(xiàn)的比較早，已有測試樣片；
　　高通的芯片預(yù)計會在2016年四季度階段發(fā)布，而且高通的芯片是NB-IoT和eMTC雙模的芯片；
　　Intel的芯片預(yù)計今年四季度會提供第一批的芯片，但是主要是以測試為主，商用芯片也是在明年年初發(fā)布；
　　MTK的芯片也在研發(fā)當中，明年上半年會發(fā)布；
　　中興微、大唐的芯片也都在研發(fā)當中。
　　下面我們就選取華為和高通兩家來具體聊聊。
　　1、 華為
　　作為NB-IoT的積極參與者華為而言，NB-IoT是一個大戰(zhàn)略，據(jù)說華為所有的部門都積極參與其中。
　　其實早在2014年，華為就斥資2500萬美元收購了英國領(lǐng)先的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)芯片和解決方案提供商Neul，還計劃以Neul為中心，打造一個全球級物聯(lián)網(wǎng)。
　　不出所料，在標準公布后，Neul即將在本月底火速推出NB-IoT商用芯片，這將會是業(yè)內(nèi)第一款正式商用的NB-IoT芯片，而且其芯片價格向短距離通信芯片價格靠近。
　　據(jù)悉，華為推出的NB-IoT芯片在硬幣大小的尺寸內(nèi)集成了BB和AP、Flash和電池管理，并預(yù)留傳感器集成功能。其中AP包含三個ARM-M0內(nèi)核，每個M0內(nèi)核分別負責(zé)應(yīng)用、安全、通信功能，這樣在方便進行功能管理的同時降低成本和功耗，后續(xù)推出的芯片還將會集成Soft SIM，進一步降低成本。
　　另外，在九月底提供第一批芯片之后，華為還將會和ublox、移遠合作提供第一批的商用模組，商用模組大概是在10月中旬或下旬發(fā)布。第一批提供的量并不大，明年年初將大規(guī)模商用。
　　除了芯片以外，華為在NB-IoT領(lǐng)域的布局可謂是全方位覆蓋式的。
　　在今年的世界移動大會物聯(lián)網(wǎng)峰會上，華為正式面向全球發(fā)布了端到端NB-IoT解決方案，主要包括：Huawei Lite OS與NB-IoT芯片使能的智能化終端方案、平滑演進到NB-IoT的eNodeB基站、可支持Core in a Box或NFV切片靈活部署的IoT Packet Core、基于云化架構(gòu)并具有大數(shù)據(jù)能力的IoT聯(lián)接管理平臺等，滿足了運營商IoT業(yè)務(wù)低功耗廣域覆蓋的核心需求。
　　另外在上個月舉辦的第二屆中國NB-IoT產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟高峰論壇上，華為的NB-IoT項目負責(zé)人許海平更是表示了華為正在建設(shè)的開放實驗室將更好地為NB-IoT端到端業(yè)務(wù)服務(wù)。“從今年開始，華為在全球設(shè)立了七個開放實驗室，現(xiàn)已開放了兩個，一個是沃達豐，另外一個是華為的上研所。開放實驗室主要是搭建整套的端到端NB-IoT環(huán)境，提供NB-IoT的芯片和模組，和一些關(guān)系比較密切的合作廠商一起來做端到端的對接，包括芯片模組的集成、后端的聯(lián)接管理平臺、業(yè)務(wù)服務(wù)器的對接等。沃達豐的開放實驗室主要是針對的歐洲的合作廠商，上海的實驗室主要是針對中國區(qū)的，九月份還將在韓國成立一個open lab，意大利等國家也會相繼推進?！?br/>　　2、高通
　　高通認為在未來5年里，從物聯(lián)網(wǎng)的角度來說，LTE依然是發(fā)展基礎(chǔ)。3GPP Release 13下引入的NB-IoT將繼續(xù)隨著3GPP的發(fā)展而演進，大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（Massive IoT）所需的低成本、低功耗等將依靠LTE NB-IoT技術(shù)從蜂窩連接的方面推動其發(fā)展，為物聯(lián)網(wǎng)5G技術(shù)發(fā)展打好基礎(chǔ)。
　　高通今年年初推了的MDM 9x07，支持Cat 4，最高支持150Mbps；另外一個是MDM 92071，支持Cat 1的標準；還有去年10月推出的MDM 9206，支持CatM1，后期通過軟件升級可以支持NB-IoT。模塊OEM廠商預(yù)計將于2017年初發(fā)布基于MDM 9206、支持Cat M1的模塊，而對于Cat NB1的支持預(yù)計在此之后不久，通過軟件升級的方式實現(xiàn)。
　　另外，在目前的Release 13中，NB-IoT不支持VoLTE，不過在未來的Release 14中，高通就會嘗試增加語音功能的支持。隨著NBIoT不斷演進，高通希望它能為適用于5G的物聯(lián)網(wǎng)標準打下基礎(chǔ)。
　　講完了芯片廠商，下面來講講運營商。
　　從去年開始，包括中國、韓國、歐洲、中東、北美的多家主流運營商已經(jīng)開展了基于pre-standard 的NB-IoT技術(shù)的試點，并開啟了端到端的技術(shù)和業(yè)務(wù)驗證。
　　1、中國電信
　　中國電信正在積極跟進NB-IoT技術(shù)發(fā)展，并正式立項對NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)、終端和業(yè)務(wù)開展研發(fā)。在具體部署方案上，將基于全覆蓋的800M LTE網(wǎng)絡(luò)部署NB-IoT；基站同時支持LTE和NB-IoT與800MLTE基站共享基帶、射頻及天饋資源。同時，為了規(guī)避可能的頻率干擾，并考慮LTE800后續(xù)演進的靈活性，優(yōu)先考慮獨立工作模式。
　　另外，在今年7月召開的“2016年天翼智能終端交易博覽會”上，中國電信聯(lián)合高通、華為、中興、英特爾、博世、SAP、IBM、愛立信、深創(chuàng)投、中科院上海微系統(tǒng)所、北郵和東南大學(xué)12家單位,共同發(fā)起成立“天翼物聯(lián)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”。
　　2、中國移動
　　對于中國移動來說，其公眾物聯(lián)網(wǎng)平臺自2014年11月底正式商用,截至今年6月,用戶已超過2700萬。目前，中國移動正加快推進全球統(tǒng)一標準窄帶物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)成熟和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)開放實驗室，促進芯片和模組成熟發(fā)展，打造一張低成本、低功耗、廣覆蓋、高可靠的公共物聯(lián)網(wǎng)，力爭2017年實現(xiàn)商用。為了建設(shè)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)，預(yù)計在2016年年底至2017年年中，中移動將會獲得FDD牌照，并且允許重耕現(xiàn)有的900MHz、1800MHz頻段。
　　3、中國聯(lián)通
　　中國聯(lián)通在2015年7月，建成并開放全球第一個NB-IoT新技術(shù)示范點；2016年上半年上海迪斯尼物聯(lián)網(wǎng)啟動商用； 2015年-2016年開展了NB-IoT業(yè)務(wù)試點及試驗，目前正推進重點城市（北京、上海、廣州、深圳、銀川、長沙、福州）的NB-IoT商用部署，計劃在2017年實現(xiàn)規(guī)模商用，2018年則將開始全面推進國家范圍內(nèi)的商用部署。
　　中國聯(lián)通部署在900MHz、1800MHz頻段，用于NB-IoT和VoLTE。在900 MHz采用DSSS動態(tài)頻譜解決方案，在1800MHz連續(xù)覆蓋區(qū)域，部署5MHz帶寬的LTE，在沒有1800MHz連續(xù)覆蓋的區(qū)域，帶寬自動縮窄到 3MHz，但中心頻點保持不變，兩側(cè)空出的頻譜，自動部署14個GSM頻點。
　　從橫向來看，產(chǎn)業(yè)鏈每一環(huán)節(jié)都有NB-IoT、LoRa、Sigfox、ZETA、Ingenu等不同技術(shù)標準的廠商存在。
　　說到這些，不得不重提下之前的LPWAN，NB-IoT、LoRa、Sigfox、ZETA、Ingenu都是LPWAN的分支。
　　像Lora、Sigfox等，屬于工作在非授權(quán)頻段的技術(shù)，這類技術(shù)大多是非標、自定義實現(xiàn)；而像GSM、CDMA、WCDMA等較成熟的2G/3G蜂窩通信技術(shù)是工作在授權(quán)頻段的技術(shù)，這類技術(shù)基本都在3GPP(主要制定GSM、WCDMA、LTE及其演進技術(shù)的相關(guān)標準)或3GPP2(主要制定CDMA相關(guān)標準)等國際標準組織進行了標準定義。
　　下面我們會選取目前已形成較為完善產(chǎn)業(yè)生態(tài)的NB-IoT和LoRa兩種技術(shù)標準，對每一環(huán)節(jié)的市場集中度進行大體預(yù)估，集中度的大小反映在下圖對應(yīng)矩形框的長度，長度越長，集中度越高，長度越短，集中度越小。（集中度越高表示市場壟斷率越高）

　　在底層芯片領(lǐng)域，眾所周知，當前華為海思、高通、英特爾、MTK、中興微電子、大唐、展訊等廠商已有NB-IoT芯片的研發(fā)計劃和實施步驟，原有LTE芯片能力的廠商均可參與，沒法形成前2-3家壟斷大部分市場，不過由于這一領(lǐng)域的廠商數(shù)量并不多，因此也不會形成大量市場參與者，市場集中度會保持在50%以下；而在LoRa陣營中，目前射頻芯片供應(yīng)集中在Semtech一家廠商，占據(jù)絕大多數(shù)市場份額，從而形成大于80%的市場集中度。
　　在模組環(huán)節(jié)，由于具備渠道、技術(shù)、規(guī)模的優(yōu)勢，很多NB-IoT模組的出貨量應(yīng)該掌握在原來擁有2G/3G/LTE模組產(chǎn)品線的廠商手中，這一群數(shù)量相對較多，再加上一些新的廠商進入該領(lǐng)域，故也無法形成較高的市場集中度；在LoRa模組群體中，原有廠商多為中小企業(yè)，在LoRa應(yīng)用越來越多的情況下，還有不少廠商入局，使得整個市場形成相對充分競爭狀態(tài)，市場集中度較低。
　　在終端環(huán)節(jié)中，由于低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是大量行業(yè)、消費終端所需要的，而終端的種類多種多樣，無法形成少數(shù)企業(yè)擁有大規(guī)模終端的市場，因此終端市場極為分散，市場集中度較低。
　　在通訊設(shè)備和平臺環(huán)節(jié)中，由于華為、愛立信、中興、諾基亞等通訊設(shè)備廠商是NB-IoT標準的核心參與者和推動者，在蜂窩通信市場上，這些主流設(shè)備廠商占據(jù)絕大多數(shù)市場份額，在NB-IoT的商用中，也不可避免占據(jù)絕大多數(shù)份額，可以說在這一環(huán)節(jié)的市場集中度較高，可能達到80%以上；而對于LoRa來說，一開始就有大量中小企業(yè)參與LoRa基站設(shè)備和管理平臺的研發(fā)和生產(chǎn)，目前具備整體方案提供能力的廠商很多，因此并不能形成高市場集中度，而在國內(nèi)中興通訊發(fā)起的中國LoRa應(yīng)用聯(lián)盟（CLAA）推出的共享模式或在一定程度提升設(shè)備和平臺的集中度，但仍然不會達到NB-IoT在這一環(huán)節(jié)的高集中度。
　　在運營商環(huán)節(jié)，主流運營商非常明確會部署并運營NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，也就是說，未來的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)運營仍將集中在三大運營商手里，所以這一領(lǐng)域的市場集中度為100%；而對于LoRa網(wǎng)絡(luò)運營來說，由于要滿足各類政企行業(yè)用戶多樣化的需求，將來可能會出現(xiàn)多種形式的運營商，包括CLAA的跨地域云網(wǎng)絡(luò)運營商、行業(yè)級網(wǎng)絡(luò)運營商、企業(yè)私網(wǎng)運營商等，因此市場集中度非常低。
　　至于應(yīng)用環(huán)節(jié)，不論是NB-IoT還是LoRa網(wǎng)絡(luò)，均要面對成千上萬多樣化的應(yīng)用需求。這些物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用沒法形成如傳統(tǒng)通信時代數(shù)億級同質(zhì)化應(yīng)用業(yè)務(wù)，而是碎片化特點突出，即時同一行業(yè)中也有千差萬別的需求，因此應(yīng)用環(huán)節(jié)不會形成高度的市場集中態(tài)勢。
　　總結(jié)來看，非常明顯的是NB-IoT的產(chǎn)業(yè)鏈上多個環(huán)節(jié)具有高度市場集中度，可以看出這一領(lǐng)域更多是巨頭主導(dǎo)；LoRa產(chǎn)業(yè)鏈上芯片環(huán)節(jié)形成高度市場集中度，其他環(huán)節(jié)皆是大量參與者的形態(tài)。
　　四、NB-IoT市場投資機會
　　目前NB-IoT市場炒作非常熱，產(chǎn)業(yè)鏈也包含了許多不同的硬件：芯片、模塊、終端設(shè)備等等，可以說給各個層面的企業(yè)及產(chǎn)業(yè)資本提供很大的機會，縱觀這些投資機會，DR君覺得以下兩個創(chuàng)投領(lǐng)域非常值得關(guān)注：
　　1、傳感器
　　NB-IoT無疑促進了物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，讓傳感器可以深入到細分市場，帶來巨大的商業(yè)機會。全球傳感器產(chǎn)業(yè)到2020年前后將擁有接近3000億美元的市場規(guī)模，而有券商認為，中國企業(yè)將在這個千億級的傳感器市場中占有三分之一的份額，發(fā)展空間巨大。
　　2、應(yīng)用
　　雖然底層硬件非常重要，但真正讓這些裝置發(fā)揮加值效果，體現(xiàn)數(shù)據(jù)的價值和利益分享的價值，還是需要為了特定服務(wù)目的開發(fā)的應(yīng)用軟件，這些更是未來巨大的市場，將為進入該領(lǐng)域的業(yè)者和資本提供更大的機會。
　　相比面向娛樂和性能的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，NB-IoT面向低端物聯(lián)網(wǎng)終端，更適合廣泛部署，在以智能抄表、智能停車、智能追蹤為代表的智能家居、智能城市、智能生產(chǎn)等領(lǐng)域的應(yīng)用將會大放異彩。
　　人與人通信的移動終端數(shù)量增長已看到天花板，而物與物通信才剛剛開啟，我們相信未來隨著NB-IoT的落地，物聯(lián)網(wǎng)將得到飛速發(fā)展，應(yīng)用前景將大大廣闊，大量的數(shù)據(jù)勢必帶來的無窮無盡的價值。
　　為了達到涵蓋范圍延伸(CoverageEnhancement, CE)以滿足布建在細胞(Cell)邊緣或地下室等信道質(zhì)量較低的NB-IoT UE，基地臺與NB-IoT UE之間透過采用較少數(shù)量的子載波(Subcarrier)與將欲傳遞的數(shù)據(jù)作重復(fù)傳送以利于接收端提高正確解出數(shù)據(jù)的成功率。依照目前規(guī)格的規(guī)范，在隨機存取(Random Access)信道、控制信道與數(shù)據(jù)信道所傳遞之訊息的重復(fù)傳送次數(shù)最高可高達128、2,048與2,048次。
　　三種運行模式各有發(fā)揮　靈活運用頻段資源
　　涵蓋范圍延伸(Coverage Enhancement Level, CE Level)共分為三種等級，分別為達到可對抗最大耦合損失(Maximum Coupling Loss, MCL)為144dB、154dB、164dB的訊號能量衰減?；嘏_與NB-IoT UE間會根據(jù)所在的CE Level來選擇相對應(yīng)的訊息重復(fù)傳送次數(shù)。
　　另一方面，為了使營運商能靈活地使用LTE頻段或非LTE頻段來布建NB-IoT系統(tǒng)以及考慮到對LTE系統(tǒng)的兼容性，單一載波帶寬被限制為180KHz，相當于一個PRB(Physical Resource Block)的帶寬。
　　NB-IoT支持在頻段內(nèi)(In-Band)、保護頻段(Guard Band)以及獨立(Stand-alone)共三種運行模式。In-Band運行是利用LTE載波(Carrier)內(nèi)的PRB進行數(shù)據(jù)傳輸，Guard Band運行是利用LTE載波內(nèi)的Guard Band來進行數(shù)據(jù)傳輸，Stand-alone運行則是使用非LTE頻段的載波來進行數(shù)據(jù)傳輸。為了提高NB-IoT的市場需求性，三種運行模式的設(shè)計具有一致性，但In-Band與Guard Band兩種運行模式則需特別考慮到對LTE系統(tǒng)的兼容性。NB-IoT所支持的最大數(shù)據(jù)速率(Data Rate)在上行(Uplink)為64Kbit/s，下行(Downlink)為28Kbit/s。
　　目前正值標準討論中的階段，接下來我們將針對物理層與接口訪問控制層受影響的信道設(shè)計、功能與程序做介紹。由于截稿前，NB-IoT第十三版本的規(guī)格尚在RAN大會上等待通過，故以下的介紹以基于規(guī)格送審前的數(shù)據(jù)為主。
　　物理層的變更
　　NB-IoT在多重存取(Multiple Access)技術(shù)的選擇上，使用與LTE系統(tǒng)相同之Multiple Access技術(shù)，亦即在下行使用正交分頻多路存取(OrthogonalFrequency Division Multiple Access, OFDMA)，在上行使用單載波分頻多重存取(Single CarrierFrequency Division Multiple Access, SC-FDMA)，且子載波間距 (SubcarrierSpacing)以及訊框架構(gòu)(Frame Structure)與LTE系統(tǒng)相同。
　　另外，考慮到NB-IoT UE的低成本需求，在上行亦支持單頻(Single Tone)傳輸，使用的Subcarrier Spacing除了原有的15KHz，還新制訂了3.75KHz的Subcarrier Spacing，共48個Subcarrier。
　　由于帶寬最多僅有1個PRB，所以不同物理層通道之間大多為分時多任務(wù)(Time Division Multiplexed, TDD)，也就是在不同時間上輪流出現(xiàn)。另外，考慮到NB-IoT UE的低成本與低復(fù)雜度，Release-13 NB-IoT僅支持分頻雙工(Frequency Division Duplex, FDD)且為半雙工(Half Duplex)，亦即上行與下行使用不同的載波，且一NB-IoT UE傳送和接收需在不同時間點進行。
　　在NB-IoT中，因為帶寬大小以及NB-IoT UE能力的限制，舍棄了LTE系統(tǒng)中如實體上行共享信道(Physical UplinkControl Channel, PUCCH)、實體混合自動重傳請求或指示通道(Physical HybridARQ Indicator Channel, PHICH)等物理層通道。
　　HARQ的實認信息(HARQ-ACK)/否定應(yīng)答(NACK)將會傳送在NB-IoT中新制定的數(shù)據(jù)信道中，而LTE系統(tǒng)中的周期性信道狀態(tài)信息(Periodic CSI)回報，也因為考慮到資源有限與NB-IoT UE的電量耗損，在NB-IoT中不予支持。
　　原有LTE系統(tǒng)中的其他物理層信道如實體下行控制信道(Physical DownlinkControl Channel, PDCCH)以及傳送實體隨機存取信道(Physical RandomAccess Channel, PRACH)也都有對應(yīng)功能的新物理層信道設(shè)計，本文將逐一簡介。
　　調(diào)變與編碼機制
　　NB-IoT中下行使用的調(diào)變?yōu)檎幌辔晃灰奇I控(QPSK)，上行若為多頻傳輸(Multi-ToneTransmission)則使用QPSK，若為單頻傳輸則使用π/2 BPSK或π/4 QPSK，此為考慮到降低峰值功率比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)的需求。
　　信道編碼方面，為了減少NB-IoT UE譯碼的復(fù)雜度，下行的數(shù)據(jù)傳輸是使用尾端位回旋碼(Tail BitingConvolutional Coding, TBCC)，而上行的數(shù)據(jù)傳輸則使用Turbo Coding。
　　混合式自動重新傳送程序
　　在NB-IoT中，由于可用資源有限以及重復(fù)傳送的行為，若在上行使用同時(Synchronous)的混合式自動重新傳送程序(HARQ Process)會使得上行資源運用更加困難，因此在NB-IoT中上行和下行都使用非同時(Asynchronous)的HARQ Process，亦即若需重傳則會根據(jù)新接收到的下行控制信息(Downlink Control Information, DCI)來做重傳。另外，為了減少NB-IoT UE的復(fù)雜度，只支持一個HARQ Process，且在下行不支持冗余版本(Redundancy Version, RV)，在上行則支持RV 0、RV 2。
　　單頻傳輸
　　NB-IoT UE在上行可使用單頻傳輸，其中Subcarrier Spacing可為15KHz以及3.75KHz。因為15KHz為3.75KHz的整數(shù)倍，所以對LTE系統(tǒng)有較小的干擾。由于下行的Frame Structure與LTE的相同，且為了使上行與下行的時間有清楚的關(guān)系，制定Subcarrier Spacing為3.75KHz的Frame Structure中一個符槽(Slot)包含7個符元(Symbol)共2ms長，是LTE系統(tǒng)中一個時槽(Slot)時間長度的4倍。
　　NB-IoT系統(tǒng)中的取樣頻率(Sampling Rate)為1.92MHz，Subcarrier Spacing為3.75KHz的Frame Structure中一個Symbol的時間長度為512 Ts(SamplingDuration)加上循環(huán)前綴(Cyclic Prefix, CP)長16Ts，共528Ts。因此，一個Slot包含7個Symbol再加上保護區(qū)間(Guard Period)共3840Ts，即2ms長。
　　資源單位
　　有別于LTE系統(tǒng)中資源分配的基本單位為子訊框(Subframe)，NB-IoT在上行中根據(jù)Subcarrier的數(shù)目分別制訂了相對應(yīng)的資源單位做為資源分配的基本單位，如表1。

　　表1NB-IoT上行資源單位的subcarrier數(shù)目與slot數(shù)目組合。
　　其中3.75KHz Subcarrier Spacing只支持單頻傳輸，資源單位的帶寬為一個Subcarrier，時間長度是16個Slot，也就是32ms長。15KHz Subcarrier Spacing支持單頻傳輸和多頻傳輸，帶寬為1個Subcarrier的資源單位有16個Slot的時間長度，即8ms。帶寬為12個Subcarrier的資源單位則有2個Slot的時間長度，即1ms，此資源單位即是LTE系統(tǒng)中的一個Subframe。資源單位的時間長度設(shè)計為2的冪次方是為了在排程上可有效的運用資源，較不易產(chǎn)生資源空隙而造成資源浪費。
　　表1中NPUSCH Format 1的資源單位是用來傳送上行數(shù)據(jù)的。NPUSCH Format 2是NB-IoT UE用來傳送指示NPDSCH有無成功接收的HARQ-ACK/NACK，所使用的Subcarrier的索引(Index)是在由排程對應(yīng)的NPDSCH的下行配置(Downlink Assignment)中指示，重復(fù)傳送次數(shù)則是由無線資源控制模塊(Radio ResourceControl, RRC)參數(shù)配置。
　　同步訊號
　　NPSS(Narrowband Primary Synchronization Signal)為提供NB-IoT UE時間和頻率同步的參考訊號，但NPSS中并不帶有分區(qū)(Sector)ID。NSSS(Narrowband Secondary Synchronization Signal)帶有Physical Cell ID。NPSS與NSSS的資源位置避開了LTE系統(tǒng)中的控制區(qū)域，其資源位置如圖1。

　　圖1 承載NPSS和NSSS的資源位置

　　NPSS的周期是10ms，NSSS的周期是20ms。NB-IoT UE在尋找細胞(Cell Search)時，會先檢測NPSS，因此NPSS的設(shè)計為短的ZC(Zadoff-Chu)序列，對于最初的訊號檢測和初步的同步復(fù)雜度較低且有好的效果。
　　窄頻參考訊號
　　NB-IoT下行最多支持兩個天線端口(Antenna Port)的參考訊號，資源的位置在時間上與LTE系統(tǒng)的細胞參考訊號(Cell-Specific Reference Signal, CRS)錯開，在頻率上則與之相同，因此在In-Band Operation若有檢測到CRS，可與NRS共同使用來做通道估測，如圖2。

　　圖2 NRS資源位置

　　因此，NB-IoT下行僅支持單天線(Single Antenna)和傳送分集(Transmit Diversity)這兩種傳送模式(TransmissionMode)。
　　系統(tǒng)信息
　　系統(tǒng)信息MIB-NB(Narrowband Master Information Block)承載于周期640ms之周期性出現(xiàn)的NPBCH(Narrowband Physical BroadcastChannel)中，其余系統(tǒng)信息如SIB1-NB(Narrowband System InformationBlock Type1)等則承載于NPDSCH中。SIB1-NB為周期性出現(xiàn)，其余系統(tǒng)信息則由SIB1-NB中所帶的排程信息做排程。
　　有效下行子訊框
　　在NB-IoT中，一般下行數(shù)據(jù)傳輸會傳送在NPDSCH中，下行控制訊息則是傳送在NPDCCH中，而若某一Subframe不為有效下行子訊框(Valid Downlink Subframe)，則原先該在此Subframe傳送的NPDSCH或NPDCCH會順延至下一個Valid DownlinkSubframe來傳送。任一Subframe若用來傳輸NPSS、NSSS、NPBCH、SIB1-NB，則不被視為一個Valid Downlink Subframe。
　　在In-Band Operation中，ENB可能因?qū)①Y源做為其他用途而會把一個Subframe設(shè)定為非Valid DownlinkSubframe，此信息將會由承載于SIB1-NB中的一個Bitmap來指示。
　　Narrowband Physical Downlink Control Channel
　　Narrowband Physical Downlink Control Channel(NPDCCH)有別于LTE系統(tǒng)中的PDCCH，并非每個Subframe均有NPDCCH，而是周期性的出現(xiàn)。NPDCCH有三種搜索空間(Search Space)，分別用于排程一般數(shù)據(jù)傳輸、無線資源控制模塊(Random Access)程序相關(guān)信息傳輸，以及呼叫(Paging)信息傳輸。
　　各個Search Space有無線資源控制(RRC)配置相對應(yīng)的最大重復(fù)次數(shù)Rmax，其Search Space的出現(xiàn)周期大小即為相對應(yīng)之Rmax與RRC層配置的一參數(shù)之乘積。
　　RRC層亦可配置一偏移(Offset)以調(diào)整一Search Space的開始時間。在大部分的搜索空間配置中，所占用的資源大小為一PRB，僅有少數(shù)配置為占用6個Subcarrier。
　　一個DCI中會帶有該DCI的重復(fù)傳送次數(shù)，以及DCI傳送結(jié)束后至其所排程之NPDSCH或NPUSCH所需的延遲時間，NB-IoT UE即可使用此DCI所在之Search Space的開始時間，來推算DCI之結(jié)束時間以及排程之數(shù)據(jù)的開始時間，以進行數(shù)據(jù)之傳送或接收。
　　Narrowband Physical Downlink Shared Channel
　　Narrowband Physical Downlink Shared Channel(NPDSCH)是用來傳送下行數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)信息，NPDSCH所占用的帶寬是一整個PRB大小。一個傳輸塊(Transport Block, TB)依據(jù)所使用的調(diào)變編碼(MCS)，可能需要使用多于一個Subframe來傳輸，因此在NPDCCH中接收到的Downlink Assignment中會包含一個TB對應(yīng)的Subframe數(shù)目以及重復(fù)傳送次數(shù)的指示。
　　Narrowband Physical Uplink Shared Channel
　　Narrowband Physical Uplink Shared Channel(NPUSCH)是用來傳送上行數(shù)據(jù)以及上行控制信息。NPUSCH傳輸可使用單頻或是多頻傳輸，一個TB依據(jù)所使用的MCS，可能需要使用多于一個資源單位來傳輸，因此在NPDCCH中接收到的上行允許(Uplink Grant)中除了指示上行數(shù)據(jù)傳輸所使用的資源單位的Subcarrier的Index，也會包含一個TB對應(yīng)的資源單位數(shù)目以及重復(fù)傳送次數(shù)的指示。
　　Narrowband Physical Random Access Channel
　　有別于LTE中Random AccessPreamble使用ZC序列，NB-IoT中的Random Access Preamble是單頻傳輸(3.75KHzSubcarrier Spacing)，且使用的Symbol為一定值。一次的Random AccessPreamble傳送包含四個Symbol Group，一個Symbol Group是5個Symbol加上一CP，如圖3。

　　圖3 Radom AccessPreamble Symbol Group

　　每個Symbol Group之間會有跳頻(FrequencyHopping)。選擇傳送的Random Access Preamble即是選擇起始的Subcarrier。
　　協(xié)議層的變更
　　依據(jù)3GPP的規(guī)劃，RAN2將NB-IoT在協(xié)議層規(guī)畫了兩種數(shù)據(jù)傳輸模式。分別是控制平面(Control Plane,CP)解決方案與使用者平面(User Plane, UP)解決方案。其中CP解決方案是必要支持，UP解決方案為額外支持的選項。
　?。瓹P解決方案
　　NB-IoT UE并不與基地臺建立DRB(Data Radio Bearer)而只透過建立的SRB(Signaling Radio Bearer)來傳遞少量的數(shù)據(jù)。
　?。甎P解決方案
　　基地臺與NB-IoT UE之間新增了一個名叫Suspend-Resume的程序。其目的在于降低NB-IoT UE在RRC聯(lián)機模式(Connected Mode)與閑置模式(Idle Mode)之間切換時所需要交換的訊息數(shù)量，藉此節(jié)省NB-IoT UE的能源消耗(Power Consumption)。實際的作法如圖4，當基地臺在NB-IoT UE不需要RRC聯(lián)機時下達指令讓該裝置進入Suspend模式，而該Suspend指令中會夾帶一組Resume ID(如圖4，步驟11)。
　　不同于以往從RRC聯(lián)機模式至閑置模式的過程，基地臺與NB-IoT UE間會盡可能地保留在RRC聯(lián)機模式下所使用的無線資源分配以及相關(guān)安全性配置。當NB-IoT UE欲進行數(shù)據(jù)傳輸時，僅需要在Random Access程序中的第三道訊息(RRC ConnectionRequest)夾帶基地臺配給的Resume ID(如圖4，步驟4)，基地臺即可以在透過此Resume ID來辨識NB-IoT UE，并且跳過相關(guān)的配置訊息交換，直接進入數(shù)據(jù)傳輸。

　　圖4 Suspend-Resume程序

　　多載波運作模式
　　系統(tǒng)可以在一個Cell中同時間于多個載波上提供服務(wù)，但單一NB-IoT UE同一時間僅能在一個載波上面?zhèn)魇諗?shù)據(jù)。NB-IoT的載波可以分為兩類：提供NPSS、NSSS與承載NPBCH和系統(tǒng)信息的載波稱為Anchor Carrier，其余的載波則稱為Non-Anchor Carrier。
　　NB-IoT UE一律需要從Anchor Carrier上面進行Random Access，基地臺會在Random Access的第四道訊息傳遞Non-Anchor Carrier的排程信息以將NB-IoT UE卸除至Non-Anchor Carrier上進行后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸，避免Anchor Carrier的無線資源吃緊。
　　移動性
　　NB-IoT UE的主要應(yīng)用場景皆屬于低移動性，因此為了兼顧NB-IoT的低復(fù)雜度與低成本的需求，在Release 13的規(guī)格當中將換手(Handover)程序給移除了。取而代之的是當發(fā)生NB-IoT UE在不同基地臺涵蓋范圍間移動時，會先進行RRC釋放(Release)，再重新與新的基地臺進行RRC聯(lián)機。
　?。到y(tǒng)信息方塊的減少
　　由于NB-IoT UE所支持的功能經(jīng)過大量的簡化，相對應(yīng)地在既有LTE無線通信系統(tǒng)中存在的系統(tǒng)信息方塊(SystemInformation Block, SIB)，對于NB-IoT UE來講并不需要。所以SIB的數(shù)量大幅減少至僅剩七個，且這些NB-IoT UE所需讀取的SIB在基地臺端是獨立傳送(SIB-NB)，并非夾帶在原有系統(tǒng)之SIB中。NB-IoT共有以下幾種SIB-NB。
　　SIB1-NB：存取有關(guān)之信息與其他系統(tǒng)信息方塊排程
　　SIB2-NB：無線資源分配信息
　　SIB3-NB：Cell Re-selection信息
　　SIB4-NB：Intra-frequency的鄰近Cell相關(guān)信息
　　SIB5-NB：Inter-frequency的鄰近Cell相關(guān)信息
　　SIB14-NB：存取禁止(Access Barring)
　   SIB16-NB：GPS時間/世界標準時間(Coordinated Universal Time, UTC)信息
　　Cell Reselection與閑置模式運作
　　對于NB-IoT來講，Cell Reselection的機制也做了適度的簡化，如圖5。由于NB-IoT UE并未支持緊急撥號的功能，所以當一NB-IoT UE遇到無法找到Suitable Cell之情況，該NB-IoT UE不會暫時駐扎(Camp)在Acceptable Cell，取而代之的是持續(xù)搜尋直到找到Suitable Cell為止。根據(jù)3GPP TS 36.304規(guī)格的定義，所謂的Suitable Cell為可以提供正常服務(wù)的Cell，而Acceptable Cell為僅能提供緊急服務(wù)的Cell。

　　圖5 NB-IoT CellReselection的程序

　　邏輯信道與傳送信道之對應(yīng)
　　NB-IoT并不支持多媒體廣播多播服務(wù)(Multimedia Broadcast Multicast Service, MBMS)。所以在邏輯信道至傳送信道的對應(yīng)上，即移除了所有的多播通道(MCCH, MTCH)。其余的廣播，數(shù)據(jù)與控制信道皆獲保留。
　　排程
　　由于NB-IoT UE是被預(yù)期為一種低復(fù)雜的裝置，故在硬件的規(guī)格等級與反應(yīng)時間等能力皆較為低階。所以基地臺針對于NB-IoT UE的數(shù)據(jù)傳輸會強制采取跨子訊框(Cross Subframe)的排程方式，以替NB-IoT UE爭取更充足的時間做DCI的譯碼以及傳送與接收模式之間的轉(zhuǎn)換。
　　隨機存取
　　基地臺會針對各個CE Level去配置對應(yīng)的NPRACH資源。Random Access程序(如圖6)開始之前，NB-IoT UE會藉由量測下行參考訊號來決定所在的CE Level，并使用該CE Level之NPRACH資源。但是當Random Access程序因Preamble傳輸階段未能成功時，NB-IoT UE會在更高一個CE Level的NPRACH資源重新進行Random Access程序，直到嘗試完所有CE Level的NPRACH資源為止。

　　圖6 NB-IoT Random Access程序

　　反之，但對于曾經(jīng)進入第三道訊息傳輸階段的NB-IoT UE而言，當Random Access程序未能成功時，則是留在同樣的CE Level的NPRACH資源重新進行Random Access程序。此設(shè)計的原因是假若一個NB-IoT UE可以進入到第三道訊息傳輸階段，即代表該NB-IoT UE的CE Level選擇洽當，Preamble傳輸已可以讓基地臺順利接收。
　　另外，NB-IoT的Random Access程序會在第三道訊息(RRC Connection Request)中進行數(shù)據(jù)數(shù)量以及功率余?；貓?Data Volume and Power Headroom Report, DPR)。NB-IoT UE在進入RRC聯(lián)機模式之前，藉此通知基地臺自己數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，以讓基地臺提前做適度的RRC資源分配。
　　未來趨向提高數(shù)據(jù)速率　減少重發(fā)以降低功耗
　　3GPP從第十版本的規(guī)格即開始討論機器型態(tài)通訊，替未來的行動通訊系統(tǒng)挹注進許多全新的挑戰(zhàn)。但由于MTC所采用的帶寬是MHz等級，仍無法真的落實降低成本的目標。
　　延伸到Release 13的NB-IoT，即以使用180KHz帶寬的限制去做設(shè)計，且為了增加此標準技術(shù)的使用普遍性，制定了三種運行模式。因為帶寬僅有相當于LTE系統(tǒng)中一個PRB的大小，因此NB-IoT中的物理層通道做了相當大的改變，且為了可與LTE系統(tǒng)一同運作，設(shè)計的原則以不影響LTE系統(tǒng)為主。協(xié)議層的程序則是將現(xiàn)有LTE系統(tǒng)中的程序做簡化，減少所需要交換的訊息量，但也新設(shè)計了相關(guān)程序以因應(yīng)NB-IoT中的重復(fù)傳送行為以及CE Level間的變換等。
　　可以預(yù)期下一個版本的NB-IoT的設(shè)計目標會轉(zhuǎn)向進一步提升數(shù)據(jù)速率，以因應(yīng)數(shù)據(jù)量需求較大的物聯(lián)網(wǎng)使用情境。目前觀察到的方向為增強Release 13中的多載波(Multi-Carrier)運行模式靈活性，使NB-IoT UE可同時在多個Carrier上數(shù)據(jù)傳收。
　　另外，NB-IoT利用重復(fù)傳送的行為達到延伸涵蓋范圍的目的，卻也帶來增加能源消耗的缺點。所以在未來會設(shè)計較為精準的數(shù)據(jù)重復(fù)傳送次數(shù)控制程序。例如，若基地臺在NB-IoT UE重復(fù)傳送結(jié)束前已成功接收數(shù)據(jù)，可提前通知NB-IoT UE停止剩余的重復(fù)傳送次數(shù)以節(jié)省電力。