近日，工信部、國(guó)資委印發(fā)《關(guān)于開展深入推進(jìn)寬帶網(wǎng)絡(luò)提速降費(fèi)、支撐經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展2019專項(xiàng)行動(dòng)的通知》。其中特別提出，面向物流等移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，需要進(jìn)一步升級(jí)NB-IoT(窄帶物聯(lián)網(wǎng))網(wǎng)絡(luò)能力，持續(xù)完善NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋。建立移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展監(jiān)測(cè)體系，促進(jìn)各地NB-IoT應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

另外，針對(duì)NB-IoT應(yīng)用案推廣，還鼓勵(lì)行業(yè)間、產(chǎn)業(yè)鏈各方加強(qiáng)合作，推動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用規(guī)模發(fā)展，以支撐智能制造。

物聯(lián)網(wǎng)與NB-IoT

物聯(lián)網(wǎng)是一項(xiàng)近年來快速發(fā)展的新興技術(shù)，已經(jīng)在智能家居、智能表計(jì)、共享經(jīng)濟(jì)、智慧城市、消費(fèi)電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸和擴(kuò)展，具體來說，它將各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間、任何地點(diǎn)，人、機(jī)、物的互聯(lián)互通。

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)指物聯(lián)網(wǎng)中物與物之間的通信技術(shù)(本文特指無線通信技術(shù))，以通信距離分類，可分為短距通信和廣域通信，如圖1所示。

圖1：物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)

NB-IoT是華為等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商以及全球各大通信運(yùn)營(yíng)商主導(dǎo)的，3GPP組織標(biāo)準(zhǔn)化的窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，因其低成本、低功耗、廣覆蓋和海量連接的特點(diǎn)備受關(guān)注。

NB-IoT的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)

NB-IoT從2017年6月商用以來，發(fā)展迅速，中國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商基本實(shí)現(xiàn)了全國(guó)覆蓋，海外也建成了60多個(gè)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。市場(chǎng)和應(yīng)用方面，連接數(shù)已達(dá)2000萬(wàn)，多個(gè)百萬(wàn)級(jí)應(yīng)用落地，一些應(yīng)用正在沖擊千萬(wàn)級(jí)，預(yù)計(jì)2019年連接數(shù)將達(dá)到一個(gè)億。與此同時(shí)，一些應(yīng)用場(chǎng)景類似的廣域物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)也在推廣過程中，也取得不錯(cuò)的關(guān)注度，LoRa是其中之一。NB-IoT和LoRa的簡(jiǎn)要對(duì)比如下：

1) LoRa沒有移動(dòng)性，通信局限于一片固定區(qū)域。NB-IoT從一個(gè)小區(qū)到另一個(gè)小區(qū)還能繼續(xù)通信，支持全國(guó)漫游。

2) LoRa為外國(guó)公司私有技術(shù)，具有一定專利和政策風(fēng)險(xiǎn)。NB-IoT是華為等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商和運(yùn)營(yíng)商主導(dǎo)制定的3GPP標(biāo)準(zhǔn)，免收專利費(fèi)或?qū)＠M(fèi)用低。

3) 大規(guī)模無線通信網(wǎng)絡(luò)的部署、優(yōu)化和運(yùn)營(yíng)難度極大，尤其是用戶數(shù)達(dá)到一定規(guī)模，不同用戶業(yè)務(wù)并發(fā)和管理，不同網(wǎng)絡(luò)以及用戶間的干擾都面臨很多問題。LoRa需自己建網(wǎng)，采用未授權(quán)頻段，抗干擾能力弱，缺乏統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃管理，通信質(zhì)量無法保障，技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的成熟度有待檢驗(yàn)。而NB-IoT由運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一建好網(wǎng)絡(luò)，用戶只需購(gòu)買終端接入(類似手機(jī))，同時(shí)，NB-IoT是3GPP 4G標(biāo)準(zhǔn)的低功耗和低成本演進(jìn)，技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)較成熟?？梢哉f，由經(jīng)驗(yàn)豐富的運(yùn)營(yíng)商部署和維護(hù)是NB-IoT的最大優(yōu)勢(shì)。

4) 終端芯片的成本和功耗與具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)相關(guān)，LoRa和NB-IoT之間無確定差別。

我們認(rèn)為NB-IoT最大的挑戰(zhàn)還是來自同宗同源的蜂窩通信技術(shù)，比如2G和4G。NB-IoT的產(chǎn)生源于四個(gè)需求，即低成本、低功耗、廣覆蓋、海量連接。然而， NB-IoT在發(fā)展初期，廣覆蓋和海量連接的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)不出來。比如當(dāng)前階段，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋顯然不及成熟的2G和4G網(wǎng)絡(luò)，雖然NB-IoT有覆蓋增強(qiáng)技術(shù)(支持MCL=164dB)，但此技術(shù)以多占用網(wǎng)絡(luò)(時(shí)間)資源和增加功耗為代價(jià)，適用于個(gè)別覆蓋差點(diǎn)，不宜給大多數(shù)用戶使用。

另外，NB-IoT支持海量連接數(shù)，但早期的用戶數(shù)還在2G和4G可支持的范圍。并且，即使NB-IoT技術(shù)上支持海量連接，但和其他所有無線通信技術(shù)一樣，還是會(huì)受到同一時(shí)刻和同一頻率，只能有一個(gè)用戶通信的限制。并發(fā)通信上，NB-IoT并無優(yōu)勢(shì)。在這樣的情況下，如果NB-IoT在低成本和低功耗上，相比其他蜂窩通信無法做到明顯的優(yōu)勢(shì)，用戶的使用意愿就大打折扣。另外，雖說網(wǎng)絡(luò)覆蓋主要依靠運(yùn)營(yíng)商解決，但終端芯片如果能優(yōu)化通信性能，也可以大幅改善用戶體驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)商建網(wǎng)成本。因此，終端芯片的成本、功耗和性能，是NB-IoT產(chǎn)業(yè)發(fā)展的三個(gè)核心要素。

針對(duì)性能和功耗，3GPP以及運(yùn)營(yíng)商給出專門的測(cè)試規(guī)范和指標(biāo)，這是本文接下來的主要內(nèi)容。

NB-IoT終端測(cè)試技術(shù)

與其他使用蜂窩技術(shù)的產(chǎn)品類似，使用NB-IoT技術(shù)的產(chǎn)品在商用前，需經(jīng)過3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一致性測(cè)試(conformance test)以及運(yùn)營(yíng)商的測(cè)試和認(rèn)證。這套嚴(yán)格和完整的測(cè)試和認(rèn)證體系，是運(yùn)營(yíng)商和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商從2G發(fā)展到5G，擁有幾十億用戶和連接，在技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)上的集中體現(xiàn)，是每個(gè)入網(wǎng)產(chǎn)品的質(zhì)量及用戶體驗(yàn)的根本保證。

一致性測(cè)試通過一系列測(cè)試用例，檢驗(yàn)被測(cè)試設(shè)備是否滿足3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的行為和性能要求。一致性測(cè)試分為協(xié)議一致性測(cè)試，無線資源管理(RRM)一致性測(cè)試，以及射頻(RF)一致性測(cè)試。其中，協(xié)議一致性測(cè)試檢驗(yàn)是否符合協(xié)議規(guī)定的各種行為(如駐網(wǎng)、建鏈、重選等)，無線資源管理一致性測(cè)試檢驗(yàn)是否符合協(xié)議對(duì)測(cè)量、時(shí)間調(diào)整和鏈路質(zhì)量監(jiān)測(cè)的精度要求，射頻一致性測(cè)試檢驗(yàn)是否符合協(xié)議對(duì)接收功率、靈敏度、抗干擾和性能的要求，以及發(fā)射功率、質(zhì)量和頻譜的要求。

一致性測(cè)試是最基本也是最重要的測(cè)試。運(yùn)營(yíng)商的測(cè)試和認(rèn)證，一定會(huì)包含一致性測(cè)試。另外，運(yùn)營(yíng)商還會(huì)根據(jù)自己的需要，加上自己定制的測(cè)試用例。以中移動(dòng)NB-IoT入庫(kù)測(cè)試為例，除了一致性測(cè)試，還增加了NV-IoT，功耗、高低溫、IPV6，機(jī)卡一致性、外場(chǎng)、OneNET云平臺(tái)等測(cè)試。

當(dāng)然，雖然運(yùn)營(yíng)商測(cè)試包含一致性測(cè)試，不能認(rèn)為一致性測(cè)試只是運(yùn)營(yíng)商測(cè)試的一個(gè)子集。運(yùn)營(yíng)商測(cè)試中的一致性測(cè)試，通常不會(huì)遍歷3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義的所有測(cè)試用例。所以，建議除了運(yùn)營(yíng)商入庫(kù)測(cè)試，也要找第三方或自測(cè)通過所有一致性測(cè)試用例。

從測(cè)試用例上看，中移動(dòng)NB-IoT終端入庫(kù)測(cè)試和中移動(dòng)研究院NB-IoT GTI認(rèn)證(可選項(xiàng)也需要測(cè)試)相互補(bǔ)充，二者一起形成了對(duì)NB-IoT終端芯片和產(chǎn)品最完備的測(cè)試。

終端芯片EC616介紹

EC616是上海移芯通信科技有限公司研發(fā)的NB-IoT終端芯片，完全支持3GPP Rel14 NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)，包括支持2-HARQ，Cat-NB2，OTDOA等所有Rel14功能，支持低頻和中頻全頻段。相比現(xiàn)有的NB-IoT芯片，EC616有一些突出的特點(diǎn)。在功能方面：

1)EC616集成了PA，單載波(single tone)和多載波(multi-tone)都能達(dá)到23dBm發(fā)射功率。

2)EC616集成了所有電源，包括所有IO，F(xiàn)EM，PA的電源。用戶的電路板上不需要任何電源或load switch。

3)EC616支持供電電壓范圍2.4V~4.3V，極限情況可以達(dá)到2.1V~4.3V(2.4V以下電壓時(shí)多載波發(fā)射功率略有回退，但仍符合3GPP power class3規(guī)范要求;單載波發(fā)射功率不受影響)。這意味著EC616可以支持充電鋰電池、鋰亞電池、鋰錳電池等各種電池供電，大多數(shù)應(yīng)用不需要外部的升壓或降壓器件。模塊客戶也不需要做高壓和低壓兩類模塊，單一模塊可支持大多數(shù)應(yīng)用供電需求。注：鋰錳電池在低溫(<-20°)和大電流情況下會(huì)出現(xiàn)2.1V輸出電壓這種極限情況。

4)EC616可以靈活配置支持不同的IO電壓，包括1.8V/2.8V/3.3V。這意味著無論外圍電路(如MCU)采用何種電壓，都可以靈活適配，不需要增加接口處的level shifter和對(duì)應(yīng)供電。

5)EC616為盡可能支持open CPU方案，實(shí)現(xiàn)了不少M(fèi)CU特有的功能。比如，除了豐富的外設(shè)，還內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了RC振蕩器為系統(tǒng)提供時(shí)鐘，在不需要通信的時(shí)候(MCU模式)，以更低的功耗運(yùn)行。

6)EC616即使在最深的睡眠模式，仍能保持6個(gè)GPIO有電且保持控制信號(hào)。這有利于單芯片實(shí)現(xiàn)表計(jì)、煙感、門鎖等方案。

除上述功能外，EC616在晶圓面積(die size)、通信性能和功耗方面，也做了細(xì)致的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

EC616已通過中移動(dòng)研究院NB-IoT GTI認(rèn)證(包括所有可選項(xiàng))，即將開始中移動(dòng)NB-IoT終端芯片入庫(kù)測(cè)試。

EC616測(cè)試方法

以測(cè)試方法分類，蜂窩通信芯片(如NB-IoT)可以分為儀器測(cè)試和外場(chǎng)測(cè)試兩類。一致性測(cè)試和運(yùn)營(yíng)商測(cè)試中的大多數(shù)用例屬于儀器測(cè)試。儀器測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試用例充分和完備，公平公正，且環(huán)境確定，結(jié)果確定、可復(fù)現(xiàn)。而最終用戶是在外場(chǎng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中使用該芯片和產(chǎn)品，外場(chǎng)常常會(huì)遇到一些意想不到的情況，所以外場(chǎng)的表現(xiàn)和體驗(yàn)如何，也是必測(cè)的項(xiàng)目。本文重點(diǎn)關(guān)注儀器測(cè)試。

一致性測(cè)試，以及運(yùn)營(yíng)商測(cè)試的測(cè)試方法為，設(shè)定一個(gè)行為或指標(biāo)，達(dá)到算通過，不達(dá)到算不通過。對(duì)于行為類的測(cè)試用例，的確只有通過和不通過兩種結(jié)果。而對(duì)于指標(biāo)類測(cè)試(如性能和功耗)，協(xié)議給出的最低要求比較寬松，如果只是記錄通過或不通過，則無法反應(yīng)被測(cè)設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)的真實(shí)水平。為此，本文給出EC616實(shí)測(cè)的原始結(jié)果，供客戶參考和核對(duì)，也供同行借鑒。EC616測(cè)試用例如圖2所示。

圖2：EC616指標(biāo)類測(cè)試用例

EC616儀器性能測(cè)試

通信性能，對(duì)于一般讀者可能比較抽象。通俗地說，一定信號(hào)和干擾功率下，通信傳輸錯(cuò)誤率越低，說明性能越好，或者說，滿足一定的傳輸正確率，允許的信號(hào)越小(或允許的干擾越大)，說明性能越好。性能關(guān)系到通信可靠性(通信正確/錯(cuò)誤率)、通信可能性(如弱信號(hào)或強(qiáng)干擾下能否通信)，以及通信質(zhì)量(如吞吐率和時(shí)延)，是最重要和最基本的用戶體驗(yàn)。

儀器性能測(cè)試用例選自3GPP 36.101規(guī)范。我們選擇了直接反應(yīng)通信性能的三類測(cè)試，分別是靈敏度、基帶接收性能、發(fā)射信號(hào)質(zhì)量。

測(cè)試方法和參數(shù)配置詳見36.101相關(guān)章節(jié)，如需要請(qǐng)讀者自行查閱。本文所有測(cè)試均在band8下完成。

1、靈敏度

手機(jī)在信號(hào)弱的地方(如地下室、電梯)無法通話和上網(wǎng)，NB-IoT也是類似。靈敏度定義為滿足通信需要的最小允許的接收信號(hào)功率。靈敏度數(shù)值越小，代表弱信號(hào)下通信能力越強(qiáng)。信號(hào)功率一般以dBm為單位，通俗地說，dBm數(shù)值每減少3(dB)，信號(hào)功率減為原來的一半。

NB-IoT可以采用信號(hào)重復(fù)(repetition)的方式改善不同覆蓋條件下的靈敏度。簡(jiǎn)單地說，就是在極弱信區(qū)，發(fā)送端反復(fù)重復(fù)發(fā)送同一數(shù)據(jù)，接收端再用合并累加的方式，使得有用信號(hào)得以增強(qiáng)，從而滿足通信的需要。也就是說，不同重復(fù)次數(shù)下的靈敏度是不同的。注：不同重復(fù)次數(shù)下的靈敏度協(xié)議沒有給出確定指標(biāo)，不屬于一致性測(cè)試，不過因其重要性，我們還是列出相應(yīng)結(jié)果。

靈敏度是一個(gè)綜合指標(biāo)，不僅反應(yīng)了基帶接收算法性能，還反應(yīng)射頻接收通路的噪聲系數(shù)(Noise figure)和前端損耗(FE loss)的好壞。

根據(jù)協(xié)議定義，靈敏度為傳輸誤塊率(BLER)為5%時(shí)對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)功率。為了讓讀者對(duì)通信性能有更清晰全面的認(rèn)識(shí)，我們采用二維曲線的方式表示。其中，橫坐標(biāo)為接收信號(hào)功率，縱坐標(biāo)為傳輸誤塊率。圖中也標(biāo)出3GPP的最低要求作為參考。

測(cè)試結(jié)果如下：

圖3：36.101-7.3.1F.1靈敏度測(cè)試結(jié)果

圖4：36.101-7.3.1F.2 rep=4靈敏度測(cè)試結(jié)果

圖5：36.101-7.3.1F.2 rep=32靈敏度測(cè)試結(jié)果

EC616靈敏度結(jié)果總結(jié)如下：

2、基帶接收性能

基帶接收性能測(cè)試和靈敏度測(cè)試有三點(diǎn)不同之處：

1)基帶接收性能測(cè)試采用人為加噪聲的方法，抬高接收信號(hào)總功率，使得射頻本身的噪聲和失真可以忽略不計(jì)，從而這項(xiàng)測(cè)試只反應(yīng)基帶的接收性能，而與射頻無關(guān)。人為增加的噪聲，模擬了實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中常見的同頻率干擾。

2)外場(chǎng)無線傳播的信道環(huán)境多種多樣，很多時(shí)候接收到的信號(hào)功率并不是固定不變，而是隨時(shí)間發(fā)生起伏和衰落(fading)?；鶐Ы邮招阅軠y(cè)試模擬了外場(chǎng)常見的幾種衰落信道模型(如EPA，ETU)。

3)測(cè)試用例分為NPDSCH和NPDCCH兩類，NPDSCH測(cè)試用例使用誤塊率(BLER)作為衡量指標(biāo)，而NPDCCH測(cè)試用例使用下行調(diào)度漏檢率(Pm)作為衡量指標(biāo)。

在分析方法上，基帶接收性能測(cè)試和靈敏度測(cè)試是類似的，只是橫坐標(biāo)換成了接收信噪比(SNR)，即信號(hào)和噪聲的功率之比。由于噪聲功率固定不變，所以橫坐標(biāo)還是反應(yīng)了接收信號(hào)功率的變化。接收信噪比以dB作為單位，類似地，信噪比每減少3(dB)，(同等噪聲功率下)信號(hào)減為原來的一半。

EC616測(cè)試結(jié)果如下(重復(fù)過長(zhǎng)導(dǎo)致測(cè)試時(shí)間過長(zhǎng)的測(cè)試用例未列出)：

圖6：36.101-8.12.1.1.1 Test1 NPDSCH性能測(cè)試結(jié)果

圖7：36.101-8.12.1.1.1 Test2 NPDSCH性能測(cè)試結(jié)果

圖8：36.101-8.12.1.1.2 Test1 NPDSCH性能測(cè)試結(jié)果

圖9：36.101-8.12.2.1.1 Test1 NPDCCH性能測(cè)試結(jié)果

圖10：36.101-8.12.2.1.2 Test1 NPDCCH性能測(cè)試結(jié)果

EC616接收性能結(jié)果總結(jié)如下：

3、射頻發(fā)射質(zhì)量

靈敏度和基帶接收性能衡量的都是下行鏈路的性能，即基站發(fā)射和終端接收的性能。由于基站通常具有較好的發(fā)射性能，所以，下行鏈路性能中，起決定因素的是終端接收的性能。而在上行鏈路中，即終端發(fā)射和基站接收，受限于終端較低成本的射頻發(fā)射電路(如PA)，終端發(fā)射信號(hào)的質(zhì)量是影響上行鏈路性能的因素之一。

與接收性能指標(biāo)不同，發(fā)射信號(hào)質(zhì)量指標(biāo)越好，并不一定帶來更好的用戶體驗(yàn)。比如Tx EVM，如果做到Tx EVM=7%，意味著SNR=23dB。這么高的SNR對(duì)于上行鏈路來說，貢獻(xiàn)的干擾已經(jīng)不明顯，再提升EVM指標(biāo)意義不大。所以，發(fā)射信號(hào)質(zhì)量指標(biāo)要綜合成本和功耗來看，盡量做到均衡。

EC616射頻發(fā)射質(zhì)量如下表：

EC616儀器功耗測(cè)試

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中絕大多數(shù)都是電池供電，比如表計(jì)、門鎖、煙感、穿戴。功耗對(duì)于電池供電的應(yīng)用至關(guān)重要，直接決定了電池壽命。所以低功耗是NB-IoT核心指標(biāo)之一。

功耗測(cè)試時(shí)：

1)需測(cè)試整機(jī)功耗，而不是單一芯片功耗。即電路板上的所有器件的耗電都應(yīng)統(tǒng)計(jì)在內(nèi)。

2)測(cè)試某個(gè)瞬時(shí)或者某個(gè)部件功耗的意義不大，應(yīng)測(cè)試終端設(shè)備在不同的狀態(tài)和模式下的平均電流。

終端常見的工作狀態(tài)如下表所示：

所有功耗測(cè)試用例選自《中國(guó)移動(dòng)NB-IOT終端測(cè)試-功耗》，測(cè)試方法和參數(shù)配置詳見該文檔。

功耗測(cè)試結(jié)果如下表所示：

后記

在儀器性能和功耗的測(cè)試中，EC616表現(xiàn)優(yōu)異。然而，實(shí)驗(yàn)室表現(xiàn)再優(yōu)秀，如果優(yōu)勢(shì)不能在外場(chǎng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中體現(xiàn)出來，那就是“紙上談兵”。和實(shí)驗(yàn)室儀器測(cè)試的確定和可復(fù)現(xiàn)不同，外場(chǎng)測(cè)試情況復(fù)雜多變不確定，除了性能是根本，對(duì)蜂窩通信環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)的理解也很重要。外場(chǎng)測(cè)試的內(nèi)容，將在本文的下篇《NB-IoT芯片核心競(jìng)爭(zhēng)力之實(shí)網(wǎng)實(shí)戰(zhàn)》中予以介紹。