NB-IoT技術的詳細解讀

　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)界對于它的關注度和討論也是逐漸升溫。

　　一、為什么NB-IoT會出現(xiàn)？
　　據(jù)預測，2016年全球?qū)褂?4億個物聯(lián)網(wǎng)設備每天將有550萬個設備連網(wǎng)，而“萬物互聯(lián)”實現(xiàn)的基礎之一在于數(shù)據(jù)的傳輸，不同的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務對數(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)務進行高、中、低速的區(qū)分：
　　高速率業(yè)務：主要使用3G、4G技術，例如車載物聯(lián)網(wǎng)設備和監(jiān)控攝像頭， 對應的業(yè)務特點要求實時的數(shù)據(jù)傳輸；
　　中等速率業(yè)務：主要使用GPRS技術，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)絡傳輸速度的要求遠不及高速率業(yè)務；
　　低速率業(yè)務：業(yè)界將低速率業(yè)務市場歸納為LPWAN（Low Power Wide Area Network）市場，即低功耗廣域網(wǎng)。目前還沒有對應的蜂窩技術，多數(shù)情況下通過GPRS技術勉力支撐，從而帶來了成本高、影響低速率業(yè)務普及度低的問題。
　　也就是說目前低速率業(yè)務市場急需開拓，而低速率業(yè)務市場其實是最大的市場，如建筑中的滅火器、科學研究中使用的各種監(jiān)測器，此類設備在生活中出現(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，可以幫助我們解決這個問題。

　　二、NB-IoT的優(yōu)勢是什么？
　　作為一項應用于低速率業(yè)務中的技術，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、超低的設備成本、低設備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡架構。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)應用一項重要指標，特別對于一些不能經(jīng)常更換電池的設備和場合，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、小速率應用，因此NB-IoT設備功耗可以做到非常小，設備續(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，從縱向來看，目前已形成從“底層芯片—模組—終端—運營商—應用”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)核分別負責應用、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項目負責人許海平更是表示了華為正在建設的開放實驗室將更好地為NB-IoT端到端業(yè)務服務。“從今年開始，華為在全球設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)務服務器的對接等。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。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技術從蜂窩連接的方面推動其發(fā)展，為物聯(lián)網(wǎng)5G技術發(fā)展打好基礎。
　　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。
　　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技術的試點，并開啟了端到端的技術和業(yè)務驗證。
　　1、中國電信
　　中國電信正在積極跟進NB-IoT技術發(fā)展，并正式立項對NB-IoT關鍵技術、終端和業(yè)務開展研發(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)應用創(chuàng)新，構建物聯(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NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)，預計在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，屬于工作在非授權頻段的技術，這類技術大多是非標、自定義實現(xiàn)；而像GSM、CDMA、WCDMA等較成熟的2G/3G蜂窩通信技術是工作在授權頻段的技術，這類技術基本都在3GPP(主要制定GSM、WCDMA、LTE及其演進技術的相關標準)或3GPP2(主要制定CDMA相關標準)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兩種技術標準，對每一環(huán)節(jié)的市場集中度進行大體預估，集中度的大小反映在下圖對應矩形框的長度，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、規(guī)模的優(yōu)勢，很多NB-IoT模組的出貨量應該掌握在原來擁有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)絡通信技術是大量行業(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應用聯(lián)盟（CLAA）推出的共享模式或在一定程度提升設備和平臺的集中度，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，也就是說，未來的NB-IoT網(wǎng)絡運營仍將集中在三大運營商手里，所以這一領域的市場集中度為100%；而對于LoRa網(wǎng)絡運營來說，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)絡運營商、行業(yè)級網(wǎng)絡運營商、企業(yè)私網(wǎng)運營商等，因此市場集中度非常低。
　　至于應用環(huán)節(jié)，不論是NB-IoT還是LoRa網(wǎng)絡，均要面對成千上萬多樣化的應用需求。這些物聯(lián)網(wǎng)的應用沒法形成如傳統(tǒng)通信時代數(shù)億級同質(zhì)化應用業(yè)務，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，因此應用環(huán)節(jié)不會形成高度的市場集中態(tài)勢。
　　總結來看，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，可以看出這一領域更多是巨頭主導；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)投領域非常值得關注：
　　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目的開發(fā)的應用軟件，這些更是未來巨大的市場，將為進入該領域的業(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)等領域的應用將會大放異彩。
　　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來選擇相對應的訊息重復傳送次數(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)技術的選擇上，使用與LTE系統(tǒng)相同之Multiple Access技術，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(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(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)也都有對應功能的新物理層信道設計，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)是在由排程對應的NPDSCH的下行配置(Downlink Assignment)中指示，重復傳送次數(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)配置相對應的最大重復次數(shù)Rmax，其Search Space的出現(xiàn)周期大小即為相對應之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的重復傳送次數(shù)，以及DCI傳送結束后至其所排程之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對應的Subframe數(shù)目以及重復傳送次數(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對應的資源單位數(shù)目以及重復傳送次數(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。
　　．CP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)。
　　．UP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，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的主要應用場景皆屬于低移動性，因此為了兼顧NB-IoT的低復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相關信息
　　SIB5-NB：Inter-frequency的鄰近Cell相關信息
　　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的Cell，而Acceptable Cell為僅能提供緊急服務的Cell。

　　圖5 NB-IoT CellReselection的程序

　　邏輯信道與傳送信道之對應
　　NB-IoT并不支持多媒體廣播多播服務(Multimedia Broadcast Multicast Service, MBMS)。所以在邏輯信道至傳送信道的對應上，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是被預期為一種低復雜的裝置，故在硬件的規(guī)格等級與反應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換。
　　隨機存取
　　基地臺會針對各個CE Level去配置對應的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帶寬的限制去做設計，且為了增加此標準技術的使用普遍性，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，但也新設計了相關程序以因應NB-IoT中的重復傳送行為以及CE Level間的變換等。
　　可以預期下一個版本的NB-IoT的設計目標會轉向進一步提升數(shù)據(jù)速率，以因應數(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。所以在未來會設計較為精準的數(shù)據(jù)重復傳送次數(shù)控制程序。例如，若基地臺在NB-IoT UE重復傳送結束前已成功接收數(shù)據(jù)，可提前通知NB-IoT UE停止剩余的重復傳送次數(shù)以節(jié)省電力。