第1章 背景及概述
1.1 NB-IoT背景简介
窄带物联网（NB-IoT）的研究和标准化工作是根据3GPP标准组织进行的。3GPP （The 3rd Generation Partnership Project）是欧美中日韩标准化组织合作进行的3G标准化项目，创建于1998年12月，现已延伸到5G。包括欧洲ETSI，美国T1，日本TTC，ARIB和韩国TTA以及我国CCSA都作为组织伙伴（OP）积极参与了3GPP的各项活动。3GPP的项目须得到这些地区的无线通信领域标准化组织的批准。3GPP项目所标准化的产品包括GSM、WCDMA、TD-CDMA、TD-SCDMA、LTE以及LTE-Advanced，当前的重点项目为5G（New RAT）。在TSG GERAN组关闭前，3GPP分为GSM EDGE无线接入网（GERAN）组、业务和系统结构组（SA）、核心网和终端（CT）组和无线接入网（RAN）组。2016年，3GPP在TSG RAN工作组下设立WG6 Legacy RAN radio and protocol，负责维护GERAN工作组相关的协议，逐渐关闭了TSG GERAN工作组，更新后的3GPP组织架构如图1.1所示。
图1.1 3GPP的组织架构
NB-IoT的由来
在GERAN工作组关闭前的GERAN #62次全会上，通过了GP-140421 SID“Cellular System Support for Ultra Low Complexity and Low Throughput Internet of Things”，着手研究非后向兼容传统GSM系统的蜂窝物联网（Cellular IoT）方案，以实现在200 kHz系统带宽上支持窄带物联网技术。 GERAN工作组中前期研究的Cellular IoT方案[4]是非后向兼容的方案，主要针对 Stand-alone部署的场景。2015年8月，GERAN工作组输出与窄带物联网相关的研究报告TR 45.820。3GPP PCG #34决定将与窄带物联网相关的标准化工作转至3GPP RAN进行，NB-IoT标准化的时间进度参见图1.2。
图1.2 NB-IoT标准化时间进度图
在TR45.820中，最有影响的技术是NB-LTE和NB-CIoT两个技术。其中，NB-CIoT技术下行采用3. 75 kHz子载波间隔的OFDMA技术，上行采用FDMA（基于单载波single carrier +GMSK调制）技术，该技术主要适用于Stand-alone的部署场景。NB-LTE下行采用15 kHz子载波间隔的OFDMA技术，上行采用SC-FDMA技术，能更好地和现有LTE系统兼容，该技术除了用于Stand-alone部署场景，还能很好地支持In-band和Guard-band的部署场景。
NB-IoT WI于2015年9月RAN #69次会议正式立项[1]，立项文件中确定：下行采用OFDMA的多址技术，但没有确定子载波间隔是15kHz还是3.75kHz；上行将GMSK的FDMA方案和SC-FDMA技术列为两个备选技术，通过RAN1小组的技术评估确定选用哪种技术。RAN1 #82bis和RAN1 #83两次会议上多家公司提交了大量仿真评估文稿。RAN1 #83次会议对各家公司的仿真结果进行了分析和汇总[2]。对于下行15kHz和3.75kHz的子载波间隔，在Stand-alone、Guard-band和In-band 3种部署场景下，下行各信道都能满足在极端覆盖下要求的164 MCL的覆盖目标；对于容量性能，下行15kHz子载波间隔能满足3种部署场景下的容量目标，在In-band部署场景下，采用3.75kHz子载波间隔的NB-IoT系统和传统LTE系统之间将会有很大的干扰，主要体现在LTE CRS与NB-IoT间的干扰以及NB-IoT系统对LTE控制信道的影响。考虑到在In-band场景下，采用15kHz的子载波间隔不会对LTE系统产生干扰，15kHz子载波间隔也能满足NB-IoT系统的需求，多数公司支持下行采用 15kHz 的子载波间隔。从各公司的仿真结果上看，上行SC-FDMA 和基于 GMSK 的 FDMA 的技术都能满足极端覆盖下的覆盖目标。但基于GMSK的FDMA方案由于各用户的载波彼此不正交，相邻载波之间都需要保护带，开销较大，上行系统容量不如基于SC-FDMA的方案。因此，多数公司支持SC-FDMA技术。在RAN1 #83次会议上基本确定下行采用基于15kHz子载波间隔的OFDMA方案，上行采用SC-FDMA技术，支持单子载波（Single-tone）发送和多子载波（Multi-tone）发送，终端需要指示对单子载波发送和多子载波发送的支持能力。
在RAN#70次会议上更新了NB-IoT立项[3]，明确NB-IoT下行采用基于15 kHz子载波间隔的OFDMA方案，上行采用SC-FDMA技术。
除了TSG RAN工作组之外，在3GPP SA工作组#67次会议上通过了“New Study on Architecture enhancements of cellular systems for ultra low complexity and low throughput Internet of Things（Cellular IoT）”[5]，旨在对物联网的网络架构进行增强。2015年7月， 3GPP SA2启动对Cellular IoT的网络架构增强的研究。