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深度研究NB-IOT

[日期:2016-07-14] 來源:物聯網智庫  作者:iot101君 [字體: ]
物聯網

  1.引言

  NB-IOT是技術演進和市場競爭的綜合產物,由于未來的市場被一致看好,設備廠商在標準制定過程中曾激烈爭奪市場份額,但預期達到的特性指標仍是基本一致的,標準也仍在加速制定中。

  2、NB-IoT技術的背景

  2.1 物聯網通信技術分類

  物聯網通信技術有很多種,從傳輸距離上區分,可以分為兩類:

  一類是短距離通信技術,代表技術有Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等,典型的應用場景如智能家居;

  另一類是廣域網通信技術,業界一般定義為LPWAN(低功耗廣域網),典型的應用場景如智能抄表。

  LPWAN技術又可分為兩類:一類是工作在非授權頻段的技術,如Lora、Sigfox等,這類技術大多是非標、自定義實現;

  一類是工作在授權頻段的技術,如GSM、CDMA、WCDMA等較成熟的2G/3G蜂窩通信技術,以及目前逐漸部署應用、支持不同category終端類型的LTE及其演進技術,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。

  NB-IoT即是2015年9月在3GPP標準組織中立項提出的一種新的窄帶蜂窩通信LPWAN技術。

  2.2 3GPP MTC技術的發展

  在NB-IoT提出之前,業界都非常認可未來IoT萬物互聯的發展趨勢,M2M通信前景也被3GPP視為標準生態壯大的重要機遇,而在萬物互聯的時代,具備低成本、低功耗、廣覆蓋、低速率特點的LPWAN技術將扮演重要角色,故3GPP也一直在推動相關機器類通信MTC技術的發展,且主要致力于在兩個方向上。

  方向一:面對非3GPP技術挑戰,開展GSM技術的進一步演進和全新接入技術的研究。

  長期以來,3GPP制式運營商的物聯網業務主要依靠成本低廉的GPRS模塊,然而由于Lora、Sigfox等新技術的出現,GPRS模塊在成本、功耗和覆蓋方面的傳統優勢受到威脅,于是在2014年3月的GERAN #62會議上3GPP提出成立新的研究項目“FS_IoT_LC”,研究演進GERAN系統和新接入系統的可行性,以支持更低復雜度、更低成本、更低功耗、更強覆蓋等增強特性。

  方向二:考慮未來替代2G/3G物聯網模塊,研究低成本、演進的LTE-MTC技術。

  進入LTE及演進技術發展階段后,3GPP也定義了許多可適用物聯網不同業務需求場景的終端類型,Rel-8版本已定義不同速率的 catogery1-5的終端類型,在之后的版本演進中,在新定義支持高帶寬、高速率的catogery 6、catogery 9等終端類型的同時,也新定義了更低成本、支持更低功耗的catogery 0(Rel-12)終端類型。在Cat.0的基礎上,在2014年9月的RAN #65會議中3GPP提出成立新的SI“LTE_MTCe2_L1”研究,進一步研究更低成本、更低功耗、更強覆蓋的LTE-MTC技術。

  NB-IoT正是源于方向一中全新接入技術的研究。此外,除了上述兩個方向,3GPP同樣一直在研究更低功耗的節電技術,以及在系統架構和網絡側同步更新支持相關演進技術。

  3、NB-IoT技術在國際上的標準化情況

  3.1 NB-IoT的立項過程

  在3GPP標準制定中,增加一個新技術的典型流程是先成立一個SI,通過研究項目得出技術報告,根據技術報告的研究成果,在同一個Release版本或下一個Release版本中成立一個相關的工作項目,通過工作項目輸出技術標準。NB-IoT的制定過程也是如此,如圖1所示。

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  圖1 3GPP Rel-13中IoT相關項目關系簡圖

  如圖1所示,在GERAN組“FS_IoT_LC”的研究項目中,主要有3項技術被提出,分別是:擴展覆蓋GSM技術EC-GSM(Extended Coverage-GSM),NBCIoT技術和NB-LTE技術。

  其中NB-CIoT由華為、高通和Neul聯合提出(Neul為英國物聯網公司,在2014年9月被華為收購),NB-LTE由愛立信、中興、諾基亞等廠商聯合提出,最終在2015年9月的RAN#69次全會經過激烈討論,最終協商統一為一種技術方案,即NB-IoT。

  NB-CIoT和NB-LTE相比:

  前者對于LTE而言相當于提出了一種全新的空口技術,意味著與舊版LTE網絡存在兼容問題,在網絡側理論上改動較大; 而后者傾向和現有LTE網絡盡量兼容。

  NB-CIoT在增強室內覆蓋、支持巨量低速率終端、減少終端復雜度、降低功耗和時延、與GSM/UMTS/LTE的干擾共存、對GSM/EDGE基站的硬件影響等方面均滿足研究設想的指標要求,最關鍵的是NB-CIoT模塊的成本估算甚至可以低于GSM模塊,而NB-LTE成本雖然比eMTC低但還是會高于GSM模塊。

  NB-CIoT和NB-LTE的更詳細對比可查閱3GPP文檔 RP-151550。NB-IoT在3GPP的大致立項過程如表1所示。

  表1 NB-IoT的立項過程

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  3.2 NB-IoT的標準進展

  NB-IoT的3GPP標準核心部分將在2016年6月凍結,2016年9月將完成性能部分的標準制定,最后的一致性測試標準也將在2016年12月完成,詳細情況如表2所示。

  表2 NB-IoT標準工作組的時間計劃

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  4、NB-IoT技術的主要特性

  3GPP NB-IoT工作項目總體上確定將定義一種對于E-UTRAN非后向兼容、有較大變動的蜂窩物聯網無線接入新技術,以解決室內覆蓋增強、支持巨量低速率設備接入、低時延敏感、超低設備成本、低功耗和網絡架構優化等問題。

  由于NB-IoT標準還在制定中,很多提案仍在討論和提交,不同場景下的仿真結果也尚未總結,如保護帶和帶內部署方式下的覆蓋指標。

  本章節將主要基于相關工作組的項目目標描述和TR45.820的仿真數據,介紹一些NB-IoT的特性。

  (1)靈活部署、窄帶、低速率、低成本、高容量已確定的部分目標要求如下:

  宜支持3 種部署方式: 獨立部署、保護帶部署、帶內部署,如圖2所示。

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  圖2 NB-IoT的3種不同部署方式

  獨立部署模式:可以利用單獨的頻帶,適合用于GSM頻段的重耕;Guard-band模式:可以利用LTE系統中邊緣無用頻帶;

  帶內模式:可以利用LTE載波中間的任何資源塊。

  RF帶寬180kHz(上行/下行)(考慮兩邊保護帶,也被描述為200kHz)。

  下行:OFDMA,子載波間隔15kHz。

  上行:SC-FDMA,Single-tone:3.75kHz/15kHz,Multi-tone:15kHz。

  僅需支持半雙工。

  終端支持對Single-tone和Multi-tone能力的指示。

  MAC/RLC/PDCP/RRC層處理基于已有的LTE流程和協議,物理層進行相關優化。

  設計單獨的同步信號。

  TR45.820中對速率的預期指標要求是上下行至少支持160kbps,目前NB-IoT速率預估的范圍為下行小于250kbps,上行小于250kbps(Multi-tone)/20kbps(Single-tone)。

  根據TR45.820中典型業務模型下的仿真測試數據,單小區可支持5萬個NB-IoT終端接入。

  終端模塊的成本對于物聯網技術發展至關重要,特別是巨量接入的物聯網應用場景,而NB-IoT模塊的成本預估可控制在5美金以內,甚至更低。

  (2)覆蓋增強、低時延敏感

  根據TR45.820的仿真數據,可以確定在獨立部署方式下,NB-IoT覆蓋能力應也可達164dB,帶內部署和保護帶部署還有待仿真測試。

  NB-IoT為實現覆蓋增強采用了重傳(可達200次)和低階調制等機制,目前是否NB-IoT不需支持16QAM仍在被討論中。

  同時在耦合耗損達164dB的環境下,如果提供可靠的數據傳輸,由于大量數據重傳將導致時延增加,TR45.820中仿真測試了異常報告業務場景、保證99%可靠性、不同耦合耗損環境下的時延(區分有無頭壓縮),結果如表3所示。

  表3 異常報告業務場景、保證99%可靠性、不同耦合耗損環境下的時延

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  目前3GPP IoT設想允許時延約為10s,但實際可以支持更低時延,如6s左右(最大耦合耗損環境),更詳細可查閱TR45.820中NB-CIoT的仿真結果。

  (3)不支持連接態的移動性管理

  NB-IoT最初就被設想為適用于移動性支持不強的應用場景(如智能抄表、智能停車),同時也可簡化終端的復雜度、降低終端功耗,Rel-13中NB-IoT將不支持連接態的移動性管理,包括相關測量、測量報告、切換等。

  (4)低功耗

  NB-IoT借助PSM和eDRX可實現更長待機。其中PSM(Power Saving Mode,節電模式)技術是Rel-12中新增的功能,在此模式下,終端仍舊注冊在網但信令不可達,從而使終端更長時間駐留在深睡眠以達到省電的目的。eDRX是Rel-13中新增的功能,進一步延長終端在空閑模式下的睡眠周期,減少接收單元不必要的啟動,相對于PSM,大幅度提升了下行可達性。PSM和eDRX節電機制如圖3所示:

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  圖3 PSM和eDRX節電機制

  NB-IoT目標是對于典型的低速率、低頻次業務模型,等容量電池壽命可達10年以上。根據TR45.820的仿真數據,在耦合耗損164dB的惡劣環境,PSM和eDRX均部署,如果終端每天發送一次200byte報文,5瓦時電池壽命可達12.8年,如表4所示:

  表4 集成PA的電池壽命估算

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  5、基于NB-IoT的主要業務舉例

  考慮NB-IoT的特性, NB-IoT技術可滿足對低功耗/長待機、深覆蓋、大容量有所要求的低速率業務;同時由于對于移動性支持較差,更適合靜態業務場景或非連續移動、實時傳輸數據的業務場景,并且業務對時延低敏感,可以考慮的業務類型如下:

  (1)自主異常報告業務類型。如煙霧報警探測器、智能電表停電的通知等,上行數據極小數據量需求(十字節量級),周期多以年、月為單位。

  (2)自主周期報告業務類型。如智能公用事業(煤氣/水/電)測量報告、智能農業、智能環境等,上行較小數據量需求(百字節量級),周期多以天、小時為單位。

  (3)網絡指令業務類型。如開啟/關閉、設備觸發發送上行報告、請求抄表,下行極小數據量需求(十字節量級),周期多以天、小時為單位。

  (4)軟件更新業務類型。如軟件補丁/更新,上行下行較大數據量需求(千字節量級),周期多以天、小時為單位。

  華為已與全球多家運營商在中國、德國、西班牙、阿聯酋等國共同完成了基于NB-IoT技術智能水表、智能停車、智能垃圾箱業務的功能驗證。

  其中沃達豐和華為于2015年底在西班牙完成了NB-IoT預標準的第一個試商用測試,成功地將NB-IoT技術整合到沃達豐現有移動網絡中,發送NB-IoT消息給水表中的物聯網模塊,水表的放置環境通常在壁櫥等隱蔽環境,且水表無法外接電源,NB-IoT可有效解決覆蓋及功耗等問題。

  華為與中國聯通、中國移動也均已開始商用測試和合作,其中2015年MWC,華為聯合上海聯通部署首個基于商用網絡的智能停車實驗網絡。由于NB-IoT標準化未完成,目前的試商用都是非標的方案,不過與最終凍結的標準NB-IoT業務效果相比,差異應該并不大。

  6、結語

  NB-IoT是技術演進和市場競爭的綜合產物,由于未來的市場被一致看好,設備廠商在標準制定過程中曾激烈爭奪話語權,但預期達到的特性指標仍是基本一致的,標準也仍在加速制定中。

 

  目前產業鏈也在積極地開展試驗測試及試商用,在不遠的將來,NB-IoT將很可能被廣泛應用在不同的垂直行業,并就此開啟萬物互連的新領域、新時代。

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第 1 樓
* 匿名 發表于 2016/12/23 16:21:52
這里來的人多嗎?這么好的網站
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