通過模擬加速NB-IoT產品開發
Simulation Speeds NB-IoT Product Development
TakaoInoue和David Vye，AWR Group, NI, El Segundo, Calif.
來自技術市場研究公司Gartner的分析師預測，到2020年，將有超過260億台設備（不包括智能手機、平板電腦和計算機）連接到物聯網（IoT）。這麼龐大的設備連接數量將需要現有無線網路的大量支持。在經過第三代合作夥伴計劃（3GPP）標準化的移動物聯網（MIoT）技術中，窄帶IoT（NB-IoT）是最有前景的低功率廣域網（LPWAN）無線電技術，可允許使用蜂窩電信頻段的各種設備和服務相互連接（圖1）。
本文概述了NB-IoT的需求、NB-IoT與LTE的異同以及由此帶來的組件開發挑戰，同時演示了如何使用NI AWR Design Environment，尤其是Visual System Simulator（VSS）系統設計軟體等模擬工具進行系統分析和設計。本文還介紹了VSS測試平台示例，包括在與LTE信號相同的頻帶和LTE信號的保護頻帶內工作的NB-IoT信號。
系統要求
在版本13中，3GPP為MIoT應用指定了新的無線電空口，該標準側重於更高室內覆蓋率、低成本設備（每個模塊低於5美元）、長電池壽命（超過10年）、大規模連接（每個單元大約50,000個連接設備）和低延遲（少於10ms）。NB-IoT將使運營商能夠將其無線服務擴展到智能計量和跟蹤等應用，並有助於實現「智慧城市」和電子衛生保健基礎設施等新興應用。NB-IoT將基於現有移動網路高效地連接這些設備，並安全可靠地加入少量偶發雙向數據。該標準中的下行鏈路和上行鏈路使用了180kHz的用戶設備（UE）帶寬，可以在三種不同的部署模式下運行。這些模式（圖2）包括：
?獨立運營，GSM運營商使用NB-IoT替代200kHz GSM載波，在GSM EDGE無線接入網（GERAN）等系統中重新規劃專用頻譜。這是可能實現的，因為GSM載波帶寬和NB-IoT帶寬（包括保護帶）都是200kHz。
? LTE運營商內部的NB-IoT，運營商將其中一個180kHz物理資源塊（PRB）分配給NB-IoT。NB-IoT空口經過優化，可以與LTE和諧共存，而不會影響其性能。
?保護帶部署，利用LTE運營商保護帶內未使用的資源塊（RB）。
表1列出了NB-IoT的規格，與現有蜂窩技術的規格大不相同。蜂窩技術以減少設備電池壽命為代價來實現高帶寬、高數據速率和低延遲，而物聯網需要大量的數據傳輸，但數據速率顯著降低、覆蓋範圍大、設備電池壽命長。雖然LTE使用大於1.4MHz的帶寬，但IoT通信有kHz帶寬足以。鑒於這些差異，將現有的GSM和LTE系統用於物聯網會浪費頻譜和數據速率。3.75kHz等窄帶信道的引入使LTE傳統的15kHz子載波間隔中的連接數量增加了四倍。設備成本是移動設備與NB-IoT應用之間另一個差異因素，移動設備用於傳輸語音、消息和高速數據，而NB-IoT應用需要低速而可靠的數據傳輸。許多NB-IoT應用要求設備價格儘可能低，而且還需要考慮安裝和潛在的盜竊風險。
NB-IoT將大量利用LTE技術，包括下行正交頻分多址（OFDMA）、上行單載波頻分多址（SC-FDMA）、信道編碼、速率匹配和交織。這可幫助LTE設備和軟體供應商縮短制定NB-IoT規格和開發相關產品的時間。然而，開發強大、低成本和高功效的物聯網設備來處理大面積覆蓋範圍內的低數據速率與針對蜂窩系統的不同系統要求而進行相應的組件設計工作是背道而馳的。如下例所示，RF系統模擬可以幫助解決這些挑戰，並支持與NB-IoT和LTE信號共存的UE模塊、天線、RF前端和無線網路的設計和分析。
帶內IoT模擬
圖3所示的VSS項目模擬了LTE載波內的NB-IoT操作。NB-IoT上行鏈路信號配置為帶內窄帶物理上行鏈路共享信道（NPUSCH）format 1，並符合3GPP R13規範。在本例中，NB-IoT信號放置在LTE頻帶內未使用的RB中。VSS內的NB-IoT示例可幫助用戶學習帶內和保護帶操作模式。
NB-IoT上行鏈路支持多頻和單頻傳輸。多頻傳輸基於SC-FDMA，與LTE有相同的15kHz子載波間隔、0.5ms時隙和1ms子幀。SC-FDMA是OFDMA的常見替代方案，特別是在上行鏈路通信中。較低的峰均功率比（PAPR）大大提高了移動終端的發射功率效率，這延長了電池壽命並降低了功率放大器的成本。單頻傳輸支持兩個子載波間隔選項：15和3.75kHz。3.75kHz選項使用2ms時隙，並提供更強的覆蓋，以到達有難度的位置，如信號強度可能受限的建築物內部深處。15kHz選項與LTE完全相同，因此可以實現出色的共存性能。數據子載波使用π/2二進位相移鍵控（BPSK）和符號間相位連續性的π/4正交相移鍵控（QPSK）進行調製，這降低了PAPR，並使功率放大器能夠更高效地工作（飽和狀態）。資源單元的15kHz子載波數量可以是1、3、6或12，支持上行鏈路NB-IoT載波的單頻和多頻傳輸，總系統帶寬為180kHz（最多12個15kHz子載波或48個3.75kHz子載波）。
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