3GPP窄带物联网(NB-IOT)技术在R14版本中的增强

3GPP窄带物联网(NB-IOT)技术在R14版本中的增强

黄宗伟

【摘 要】随着蜂窝物联网技术及市场需求的迅猛发展,低功耗广覆盖类(LPWA)技术因

其具有功耗低、成本低、覆盖广、传输可靠性和安全性高等方面,而备受业界关注.现有的

基于3GPP R13版本的蜂窝物联网技术NB-IOT/eMTC等,已在全球范围内得到一定规模

的应用.但NB-IOT/eMTC各自优点很明显,但也存在一些明显的短板,无法进一步满足垂直

行业应用需求.3GPP已于2017年12月完成了R14版本的NB-IoT/eMTC技术的增强.

本文将从R13版本的NB-IOT技术简要介绍入手,重点介绍3GPP窄带物联网(NB-IOT)技

术在R14版本中的增强.

【期刊名称】《广东通信技术》

【年(卷),期】2019(039)001

【总页数】4页(P14-17)

【关键词】LPWA;NB-IoT;非锚定载波;光覆盖;大连接

【作 者】黄宗伟

【作者单位】广东邮电职业技术学院移动通信学院

【正文语种】中 文

1 引言

3GPP在Release 13版本中，已针对C-IoT（蜂窝物联网）市场做了巨大努力，并

于2016年6月份标准了三种LPWA技术，分别是eMTC，NB-IOT，EC-GSMIoT。其

中3种技术各有相应的优点和缺点，应用场景及瞄准的市场也不尽相同。其中，备受关注

的“窄带物联网（NB-IoT）”技术于2017年后，迅速得到了产业化和商用。

而NB-IOT作为基于LTE (E-UTRA)的框架/非后向兼容的窄带物联网技术，主要解决

了“覆盖增强、大连接，低吞吐量，低延迟灵敏度，终端成本低，功耗低，优化的网络架

构”等方面。其中，NB-IoT还从系统架构和传输方案上引入了两种传输模式：基于CP

的优化传输方案（Control plane CIoT EPS optimization）和基于UP的优化传输方案

（Control plane CIoT EPS optimization）。

这里是从空口接口及性能需求的角度，给出了三种C-IOT（蜂窝物联网）技术的简要

对比。（如图1所示）

3GPP的Rel-13中的NB-IoT技术，第一次使3GPP系统能扩展到以“大连接、广

覆盖、低成本、低功耗”为特征的LWPA蜂窝物联网市场。但M2M（机器到机器）市场

的大规模爆发，及来自于运营商及垂直市场的与日俱增的新需求，均对NB-IOT的持续演

进提出了新要求。NB-IOT也需要适时的进一步引入新技术，增强某些功能，以确保随着

物联网市场的发展和多样化，能适时做出快速响应。本文主要解析R14版本中，NB-IoT

的增强。

图1 R13版本中三种C-IOT技术的简要对比

2 R14版本中的主要增强

Rel-13版本的NB-IoT技术，已经为超低复杂度的UE提供了基本的空中接口，使得

NB-IOT终端可以在极具挑战性的覆盖范围内（MAX MCL=164dbm）连接到网络，同

时具有很长的电池寿命（Long battery life: up to 10 years of operation with 5 Watt

Hour battery），支持每小区5万连接数。但Rel-13版本的NB-IoT技术，在业务支持

能力、定位、功耗、移动性支持、E2E时延方面，NB-IOT又存在一定的短板，需要在后

续演进中进一步增强。本文就R14版本中NB-IoT在“定位、组播、非锚定载波操作、

移动性增强、功耗和延迟减少”这5方面进行一些阐述和探讨。

2.1 定位方面的增强

后续NB-IOT版本中，引入了LPP（定位协议）信令作为NB-IoT的定位协议。 UE

需要通过UE能力过程，向网络指示其是否支持“OTDOA，A-GNSS，E-CID，地面导航

服务，传感器，WLAN和基于蓝牙的定位”等能力。其中，OTDOA和E-CID在3GPP

规范中进行了定义。当UE需要空闲模式下针对这些执行测量时，UE需要向网络指示其

这部分能力。

这里关于NPRS做一些详细的说明：

NB-iot演进中，基于一个PRB中的LTE PRS，引入了新的窄带定位参考信号

（NPRS）。 NPRS一般在网络侧可被被配置为在时域中周期性地发生。目前规范支持2

种方式：通过位图(bitmap)指示NPRS映射到10个或40个子帧，并指示哪些子帧可以

包含NPRS；即“部分A”（part A）模式。还可以多个连续子帧的配置的方式。其周期

（period）以及在起始子帧的周期内的偏置（offset），网络侧可以配置，并通过RRC

信令传递到UE。此即“部分B”（part B）模式。

NPRS的配置模式如图2所示。这还取决于包含NPRS的NB-IoT是带内部署（in-

band），保护带部署(gurad-band)，还是独立部署(standalone)。 通过根据频域中的

UE特定ID偏移模式，NPRS的时频映射位置可变，如图3所示。（如图4所示）

2.2 组播方面的增强

基 于 SC-PTM（Single-Cell-Point to Multipoint）引入组播，简化以适应NB-IoT

UE的低复杂度。类似于LTE，NB中系统消息SIB20配置每个小区的单个SCMCCH的传

输，其依次配置可多达64个SC-MTCH。传输可以在锚定或非锚定NB-IoT载波上。扩

展了SCMCCH的修改和重复周期，以解决在NPDCCH和NPDSCH上覆盖扩展的重复

问题。为了保持UE的低复杂度低，NB-IoT UE仅需要在RRC_IDLE模式接收SCPTM，

并且不需要同时处理SC-MTCH和SC-MCCH，在SC-PTM的传输的同时，也不需要处

理寻呼或RAR（random access response）。

图4 Figure 1: Illustration of Part A bitmap [], Part B with period

160 ms, 20 NPRS subframes per occasion and zero starting A =

[1001], muting B = [01].

与LTE不同，没有SC-N-RNTI。相反，在调度SCMCCH和SC-MTCH的DCI中直

接指示SC-MCCH改变的通知。

2.3 非锚定载波操作方面的增强

在一个新的NB-IoT SIB中可以配置多达15个DL和UL非锚定载波（non-anchor

carriers），由寻呼，RAR或SC-PTM使用。每个载波由其中心频率标识。为了寻呼目的，

PO(寻呼时机)以可配置的不均匀方式分布在非主载波上，使得eNB可以决定每个载波应

具有的寻呼负载（paging load）。对于随机接入，UE可以为Msg1＆3随机的选择UL

非锚载波，其Msg2＆4DL载波与选择的UL 载波对应; 或者对于Npdcch order的随机

接入，由DCI指示Msg1＆3的载波。 NPDCCH ordered的随机接入，支持竞争和无竞

争的随机接入。

2.4 移动性增强（如图5所示）

对于控制平面CIoT EPS优化，引入RRC连接重建（RRC Connection Re-

establishment）和S1 eNB CP重定位指示（S1 eNB CP Relocation Indication）过程，

以允许在无线链路故障的情况下维持MME和UE NAS的S1连接和NAS PDU的重传。

由于NB-IOT的UE不支持AS安全性，因此基于NAS安全性的安全性令牌（security

token）被包括在RRC连接重建请求（RRC Connection Re-establishment Request）

和RRC连接重建（RRC Connection Re-establishment）消息中，以允许MME/eNB

对UE进行鉴权和认证。

在对UE鉴权和认证成功的情况下，MME发起S1 UE上下文释放过程以释放UE在

旧eNB中的S1连接。MME可以在释放过程之前发起MME CP重定位过程，以便触发

旧eNB将未递送的NAS PDU返回给MME。

图5 R14版本中的NB-IOT，支持RRC连接重建的信令过程

对于用户平面CIoT EPS优化传输中，在无线链路故障时可使用传统的切换切换方式

以保持无线链路及数据转发过程的无缝和可靠。（legacy handover procedure of with

data forwarding）。

2.5 功耗和延迟减少及传输速率的增强（如图6所示）

为了缩短NB-IOT UE在传输更大消息时所需的时间，另外为了缩减UE功率，NB-

IoT UE可支持的传输块大小（TBS）的范围从最大680bit(DL)和1000bit (UL)，增加到

2536bit(DL/UL)。这即需要增加一个新的UE类别：cat NB2。下图是3GPP TS 36306

中关于CAT NB1和CAT NB2的描述和对比：

图6 3GPP TS 36.306中关于CAT NB1和CAT NB2的描述和对比

另外，Cat NB2 UE可以可选的具有用于UL和DL的2个HARQ进程，而Rel-13

中NB-IOT，其UL/DL只能有一个harq进程。 UE是否使用2个HARQ进程，必须由

eNB激活。对于速率提升方面，下面是一些基本的对比：

R13版本中： 25 DL / 60 UL kbps

R14版本中（1 HARQ UE）： 80 DL / 105 UL kbps

R14版 本 中（2 HARQ UE）： 125 DL / 140 UL kbps

3 总结

3GPP的R14版本中NB-IOT技术，主要弥补了R13版本的NB-IOT技术的不足，

并做了持续的增强。其中包括：定位方面的增强、组播技术的引入、非锚定载波操作、移

动性增强、功耗和延迟减少等五大方面。可以预见的是，R14版本的NB-IoT技术更加全

面满足LPWA类业务的需求，尤其可满足智能家居、智慧连接、智能抄表、市政物联、

物流追踪、智能穿戴、广域物联和工业物联等LPWA类物联网的细分市场需求，预计在

不久的将来，R14版本的NB-IOT技术将会得到更大规模的应用和发展。

参考文献

【相关文献】

1 3GPP TR 24.301 Non-Access-Stratum (NAS) protocol for Evolved Packet

System (EPS) V14.5.0 (2017-09)

2 3GPP TR 23.401 General Packet Radio Service (GPRS)enhancements for

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) access V14.5.0

(2017-09)

3 3GPP TS 36.201 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); LTE

physical layer; General description V14.1.0 (2017-03)

4 3GPP TS 36.211 Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);

Physical channels and modulation V14.5.0(2017-12)

5 3GPP TS 36.212 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);

Multiplexing and channel coding V14.5.0(2017-12)

6 3GPP TS 36.213 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);

Physical layer procedures V14.5.0(2017-12)

7 3GPP TS 36.214 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);

Physical Layer measurements V14.5.0(2017-12)

8 3GPP TS 36.331 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio

Resource Control (RRC) V14.5.0(2017-12)