3GPP窄帶物聯網(NB

3GPP窄帶物聯網(NB-IOT)技術在R14版本中的增強

黃宗偉

【摘 要】隨著蜂窩物聯網技術及市場需求的迅猛發展,低功耗廣覆蓋類(LPWA)技

術因其具有功耗低、成本低、覆蓋廣、傳輸可靠性和安全性高等方面,而備受業界

關注.現有的基于3GPP R13版本的蜂窩物聯網技術NB-IOT/eMTC等,已在全球范

圍內得到一定規模的應用.但NB-IOT/eMTC各自優點很明顯,但也存在一些明顯的

短板,無法進一步滿足垂直行業應用需求.3GPP已于2017年12月完成了R14版

本的NB-IoT/eMTC技術的增強.本文將從R13版本的NB-IOT技術簡要介紹入手,

重點介紹3GPP窄帶物聯網(NB-IOT)技術在R14版本中的增強.

【期刊名稱】《廣東通信技術》

【年(卷),期】2019(039)001

【總頁數】4頁(P14-17)

【關鍵詞】LPWA;NB-IoT;非錨定載波;光覆蓋;大連接

【作 者】黃宗偉

【作者單位】廣東郵電職業技術學院移動通信學院

【正文語種】中 文

1 引言

3GPP在Relea 13版本中，已針對C-IoT（蜂窩物聯網）市場做了巨大努力，

并于2016年6月份標準了三種LPWA技術，分別是eMTC，NB-IOT，EC-

GSMIoT。其中3種技術各有相應的優點和缺點，應用場景及瞄準的市場也不盡相

同。其中，備受關注的“窄帶物聯網（NB-IoT）”技術于2017年后，迅速得到

了產業化和商用。

而NB-IOT作為基于LTE (E-UTRA)的框架/非后向兼容的窄帶物聯網技術，主要解

決了“覆蓋增強、大連接，低吞吐量，低延遲靈敏度，終端成本低，功耗低，優化

的網絡架構”等方面。其中，NB-IoT還從系統架構和傳輸方案上引入了兩種傳輸

模式：基于CP的優化傳輸方案（Control plane CIoT EPS optimization）和基

于UP的優化傳輸方案（Control plane CIoT EPS optimization）。

這里是從空口接口及性能需求的角度，給出了三種C-IOT（蜂窩物聯網）技術的

簡要對比。（如圖1所示）

3GPP的Rel-13中的NB-IoT技術，第一次使3GPP系統能擴展到以“大連接、

廣覆蓋、低成本、低功耗”為特征的LWPA蜂窩物聯網市場。但M2M（機器到

機器）市場的大規模爆發，及來自于運營商及垂直市場的與日俱增的新需求，均對

NB-IOT的持續演進提出了新要求。NB-IOT也需要適時的進一步引入新技術，增

強某些功能，以確保隨著物聯網市場的發展和多樣化，能適時做出快速響應。本文

主要解析R14版本中，NB-IoT的增強。

圖1 R13版本中三種C-IOT技術的簡要對比

2 R14版本中的主要增強

Rel-13版本的NB-IoT技術，已經為超低復雜度的UE提供了基本的空中接口，

使得NB-IOT終端可以在極具挑戰性的覆蓋范圍內（MAX MCL=164dbm）連接

到網絡，同時具有很長的電池壽命（Long battery life: up to 10 years of

operation with 5 Watt Hour battery），支持每小區5萬連接數。但Rel-13版

本的NB-IoT技術，在業務支持能力、定位、功耗、移動性支持、E2E時延方面，

NB-IOT又存在一定的短板，需要在后續演進中進一步增強。本文就R14版本中

NB-IoT在“定位、組播、非錨定載波操作、移動性增強、功耗和延遲減少”這5

方面進行一些闡述和探討。

2.1 定位方面的增強

后續NB-IOT版本中，引入了LPP（定位協議）信令作為NB-IoT的定位協議。

UE需要通過UE能力過程，向網絡指示其是否支持“OTDOA，A-GNSS，E-CID，

地面導航服務，傳感器，WLAN和基于藍牙的定位”等能力。其中，OTDOA和

E-CID在3GPP規范中進行了定義。當UE需要空閑模式下針對這些執行測量時，

UE需要向網絡指示其這部分能力。

這里關于NPRS做一些詳細的說明：

NB-iot演進中，基于一個PRB中的LTE PRS，引入了新的窄帶定位參考信號

（NPRS）。 NPRS一般在網絡側可被被配置為在時域中周期性地發生。目前規范

支持2種方式：通過位圖(bitmap)指示NPRS映射到10個或40個子幀，并指示

哪些子幀可以包含NPRS；即“部分A”（part A）模式。還可以多個連續子幀的

配置的方式。其周期（period）以及在起始子幀的周期內的偏置（offt），網絡

側可以配置，并通過RRC信令傳遞到UE。此即“部分B”（part B）模式。

NPRS的配置模式如圖2所示。這還取決于包含NPRS的NB-IoT是帶內部署

（in-band），保護帶部署(gurad-band)，還是獨立部署(standalone)。 通過根

據頻域中的UE特定ID偏移模式，NPRS的時頻映射位置可變，如圖3所示。

（如圖4所示）

2.2 組播方面的增強

基 于 SC-PTM（Single-Cell-Point to Multipoint）引入組播，簡化以適應NB-

IoT UE的低復雜度。類似于LTE，NB中系統消息SIB20配置每個小區的單個

SCMCCH的傳輸，其依次配置可多達64個SC-MTCH。傳輸可以在錨定或非錨

定NB-IoT載波上。擴展了SCMCCH的修改和重復周期，以解決在NPDCCH和

NPDSCH上覆蓋擴展的重復問題。為了保持UE的低復雜度低，NB-IoT UE僅需

要在RRC_IDLE模式接收SCPTM，并且不需要同時處理SC-MTCH和SC-MCCH，

在SC-PTM的傳輸的同時，也不需要處理尋呼或RAR（random access

respon）。

圖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].

與LTE不同，沒有SC-N-RNTI。相反，在調度SCMCCH和SC-MTCH的DCI中

直接指示SC-MCCH改變的通知。

2.3 非錨定載波操作方面的增強

在一個新的NB-IoT SIB中可以配置多達15個DL和UL非錨定載波（non-

anchor carriers），由尋呼，RAR或SC-PTM使用。每個載波由其中心頻率標識。

為了尋呼目的，PO(尋呼時機)以可配置的不均勻方式分布在非主載波上，使得

eNB可以決定每個載波應具有的尋呼負載（paging load）。對于隨機接入，UE

可以為Msg1＆3隨機的選擇UL非錨載波，其Msg2＆4DL載波與選擇的UL 載

波對應; 或者對于Npdcch order的隨機接入，由DCI指示Msg1＆3的載波。

NPDCCH ordered的隨機接入，支持競爭和無競爭的隨機接入。

2.4 移動性增強（如圖5所示）

對于控制平面CIoT EPS優化，引入RRC連接重建（RRC Connection Re-

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

過程，以允許在無線鏈路故障的情況下維持MME和UE NAS的S1連接和NAS

PDU的重傳。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（curity token）被包括在RRC連接重建請求（RRC Connection Re-

establishment Request）和RRC連接重建（RRC Connection Re-

establishment）消息中，以允許MME/eNB對UE進行鑒權和認證。

在對UE鑒權和認證成功的情況下，MME發起S1 UE上下文釋放過程以釋放UE

在舊eNB中的S1連接。MME可以在釋放過程之前發起MME CP重定位過程，

以便觸發舊eNB將未遞送的NAS PDU返回給MME。

圖5 R14版本中的NB-IOT，支持RRC連接重建的信令過程

對于用戶平面CIoT EPS優化傳輸中，在無線鏈路故障時可使用傳統的切換切換方

式以保持無線鏈路及數據轉發過程的無縫和可靠。（legacy handover

procedure of with data forwarding）。

2.5 功耗和延遲減少及傳輸速率的增強（如圖6所示）

為了縮短NB-IOT UE在傳輸更大消息時所需的時間，另外為了縮減UE功率，

NB-IoT UE可支持的傳輸塊大小（TBS）的范圍從最大680bit(DL)和1000bit

(UL)，增加到2536bit(DL/UL)。這即需要增加一個新的UE類別：cat NB2。下圖

是3GPP TS 36306中關于CAT NB1和CAT NB2的描述和對比：

圖6 3GPP TS 36.306中關于CAT NB1和CAT NB2的描述和對比

另外，Cat NB2 UE可以可選的具有用于UL和DL的2個HARQ進程，而Rel-

13中NB-IOT，其UL/DL只能有一個harq進程。 UE是否使用2個HARQ進程，

必須由eNB激活。對于速率提升方面，下面是一些基本的對比：

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 總結

3GPP的R14版本中NB-IOT技術，主要彌補了R13版本的NB-IOT技術的不足，

并做了持續的增強。其中包括：定位方面的增強、組播技術的引入、非錨定載波操

作、移動性增強、功耗和延遲減少等五大方面。可以預見的是，R14版本的NB-

IoT技術更加全面滿足LPWA類業務的需求，尤其可滿足智能家居、智慧連接、

智能抄表、市政物聯、物流追蹤、智能穿戴、廣域物聯和工業物聯等LPWA類物

聯網的細分市場需求，預計在不久的將來，R14版本的NB-IOT技術將會得到更

大規模的應用和發展。

參考文獻

【相關文獻】

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)