NB—IoT的產(chǎn)生背景、標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展以及特性和業(yè)務(wù)研究

戴國(guó)華 余駿華

【摘 要】

介紹了NB-IoT的產(chǎn)生背景以及物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的分類，并介紹了3GPP相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展過(guò)程、最新?tīng)顟B(tài)及計(jì)劃凍結(jié)的時(shí)間；同時(shí)對(duì)NB-IoT的特性進(jìn)行了介紹和分析，包括增強(qiáng)覆蓋能力、低復(fù)雜度、低功耗、時(shí)延低敏感、移動(dòng)性等；最后基于NB-IoT的特性，探討了基于NB-IoT的不同物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)類型，并介紹了NB-IoT的業(yè)界發(fā)展情況。

【關(guān)鍵詞】

窄帶物聯(lián)網(wǎng) 標(biāo)準(zhǔn) 物聯(lián)網(wǎng)

1 引言

在西班牙巴塞羅那舉行的2016年世界移動(dòng)通信大會(huì)（MWC2016）上，物聯(lián)網(wǎng)通信的新技術(shù)——NB-IoT（Narrowband Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）頗受關(guān)注，成為會(huì)議的一大亮點(diǎn)。本文將探討NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程、涉及的關(guān)鍵技術(shù)以及其發(fā)展情況，主要介紹NB-IoT的技術(shù)背景、3GPP標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)情況及相關(guān)工作組進(jìn)展、低功耗/增強(qiáng)覆蓋/低成本等關(guān)鍵技術(shù)和特性，以及基于NB-IoT可能的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、目前全球的實(shí)驗(yàn)和商用情況等。

2 NB-IoT的產(chǎn)生背景

2.1 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)分類

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)有很多種，從傳輸距離上區(qū)分，可以分為兩類：一類是短距離通信技術(shù)，代表技術(shù)有Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等，典型的應(yīng)用場(chǎng)景如智能家居；另一類是廣域網(wǎng)通信技術(shù)，業(yè)界一般定義為L(zhǎng)PWAN（Low-Power Wide-Area Network，低功耗廣域網(wǎng)），典型的應(yīng)用場(chǎng)景如智能抄表。LPWAN技術(shù)又可分為兩類：一類是工作在非授權(quán)頻段的技術(shù)，如Lora、Sigfox等，這類技術(shù)大多是非標(biāo)、自定義實(shí)現(xiàn)；一類是工作在授權(quán)頻段的技術(shù)，如GSM、CDMA、WCDMA等較成熟的2G/3G蜂窩通信技術(shù)，以及目前逐漸部署應(yīng)用、支持不同category終端類型的LTE及其演進(jìn)技術(shù)，這類技術(shù)基本都在3GPP（主要制定GSM、WCDMA、LTE及其演進(jìn)技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)）或3GPP2（主要制定CDMA相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)）等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)定義。

NB-IoT即是2015年9月在3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織中立項(xiàng)提出的一種新的窄帶蜂窩通信LPWAN技術(shù)。

2.2 3GPP MTC技術(shù)的發(fā)展

在NB-IoT提出之前，業(yè)界都非常認(rèn)可未來(lái)IoT萬(wàn)物互聯(lián)的發(fā)展趨勢(shì)，M2M通信前景也被3GPP視為標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)壯大的重要機(jī)遇，而在萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代，具備低成本、低功耗、廣覆蓋、低速率特點(diǎn)的LPWAN技術(shù)將扮演重要角色，故3GPP也一直在推動(dòng)相關(guān)機(jī)器類通信MTC技術(shù)的發(fā)展，且主要致力于在兩個(gè)方向上。

方向一：面對(duì)非3GPP技術(shù)挑戰(zhàn)，開(kāi)展GSM技術(shù)的進(jìn)一步演進(jìn)和全新接入技術(shù)的研究。長(zhǎng)期以來(lái)，3GPP制式運(yùn)營(yíng)商的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)主要依靠成本低廉的GPRS模塊，然而由于Lora、Sigfox等新技術(shù)的出現(xiàn)，GPRS模塊在成本、功耗和覆蓋方面的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)受到威脅，于是在2014年3月的GERAN #62會(huì)議上3GPP提出成立新的SI（Study Item，研究項(xiàng)目）“FS_IoT_LC”，研究演進(jìn)GERAN系統(tǒng)和新接入系統(tǒng)的可行性，以支持更低復(fù)雜度、更低成本、更低功耗、更強(qiáng)覆蓋等增強(qiáng)特性。

方向二：考慮未來(lái)替代2G/3G物聯(lián)網(wǎng)模塊，研究低成本、演進(jìn)的LTE-MTC技術(shù)。進(jìn)入LTE及演進(jìn)技術(shù)發(fā)展階段后，3GPP也定義了許多可適用物聯(lián)網(wǎng)不同業(yè)務(wù)需求場(chǎng)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(jìn)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(shí)，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(chǔ)上，在2014年9月的RAN #65會(huì)議中3GPP提出成立新的SI“LTE_MTCe2_L1”研究，進(jìn)一步研究更低成本、更低功耗、更強(qiáng)覆蓋的LTE-MTC技術(shù)。

NB-IoT正是源于方向一中全新接入技術(shù)的研究。此外，除了上述兩個(gè)方向，3GPP同樣一直在研究更低功耗的節(jié)電技術(shù)，以及在系統(tǒng)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)同步更新支持相關(guān)演進(jìn)技術(shù)。

3 NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)情況

3.1 NB-IoT的立項(xiàng)過(guò)程

在3GPP標(biāo)準(zhǔn)制定中，增加一個(gè)新技術(shù)的典型流程是先成立一個(gè)SI，通過(guò)研究項(xiàng)目得出TR（Technical Report，技術(shù)報(bào)告），根據(jù)技術(shù)報(bào)告的研究成果，在同一個(gè)Release版本或下一個(gè)Release版本中成立一個(gè)相關(guān)的WI（Work Item，工作項(xiàng)目），通過(guò)工作項(xiàng)目輸出TS（Technical Specification，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)）。NB-IoT的制定過(guò)程也是如此，如圖1所示。

如圖1所示，在GERAN組“FS_IoT_LC”的研究項(xiàng)目中，主要有3項(xiàng)技術(shù)被提出，分別是：擴(kuò)展覆蓋GSM技術(shù)EC-GSM（Extended Coverage-GSM），NB-CIoT技術(shù)和NB-LTE技術(shù)。其中NB-CIoT由華為、高通和Neul聯(lián)合提出（Neul為英國(guó)物聯(lián)網(wǎng)公司，在2014年9月被華為收購(gòu)），NB-LTE由愛(ài)立信、中興、諾基亞等廠商聯(lián)合提出，最終在2015年9月的RAN#69次全會(huì)經(jīng)過(guò)激烈討論，最終協(xié)商統(tǒng)一為一種技術(shù)方案，即NB-IoT。NB-CIoT和NB-LTE相比：前者對(duì)于LTE而言相當(dāng)于提出了一種全新的空口技術(shù)，意味著與舊版LTE網(wǎng)絡(luò)存在兼容問(wèn)題，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)理論上改動(dòng)較大；而后者傾向和現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)盡量兼容。NB-CIoT在增強(qiáng)室內(nèi)覆蓋、支持巨量低速率終端、減少終端復(fù)雜度、降低功耗和時(shí)延、與GSM/UMTS/LTE的干擾共存、對(duì)GSM/EDGE基站的硬件影響等方面均滿足研究設(shè)想的指標(biāo)要求，最關(guān)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(huì)高于GSM模塊。NB-CIoT和NB-LTE的更詳細(xì)對(duì)比可查閱3GPP文檔 RP-151550。NB-IoT在3GPP的大致立項(xiàng)過(guò)程如表1所示。

3.2 NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

NB-IoT的3GPP標(biāo)準(zhǔn)核心部分將在2016年6月凍結(jié)，2016年9月將完成性能部分的標(biāo)準(zhǔn)制定，最后的一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)也將在2016年12月完成，詳細(xì)情況如表2所示。

4 NB-IoT的特性

3GPP NB-IoT工作項(xiàng)目總體上確定將定義一種對(duì)于E-UTRAN非后向兼容、有較大變動(dòng)的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線接入新技術(shù)，以解決室內(nèi)覆蓋增強(qiáng)、支持巨量低速率設(shè)備接入、低時(shí)延敏感、超低設(shè)備成本、低功耗和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化等問(wèn)題。由于NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)還在制定中，很多提案仍在討論和提交，不同場(chǎng)景下的仿真結(jié)果也尚未總結(jié)，如Guard-band和In-band部署方式下的覆蓋指標(biāo)。本章節(jié)將主要基于相關(guān)工作組的項(xiàng)目目標(biāo)描述和TR45.820的仿真數(shù)據(jù)，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(biāo)要求如下：

◆宜支持3種部署方式：獨(dú)立部署（Stand-alone）、保護(hù)帶部署（Guard-band）、帶內(nèi)部署（In-band），如圖2所示。

Stand-alone模式：可以利用單獨(dú)的頻帶，適合用于GSM頻段的重耕；

Guard-band模式：可以利用LTE系統(tǒng)中邊緣無(wú)用頻帶；

In-band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(hù)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(duì)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(xié)議，物理層進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化。

◆設(shè)計(jì)單獨(dú)的同步信號(hào)。

圖2 NB-IoT的3種不同部署方式

TR45.820中對(duì)速率的預(yù)期指標(biāo)要求是上下行至少支持160kbps，目前NB-IoT速率預(yù)估的范圍為下行小于250kbps，上行小于250kbps（Multi-tone）/20kbps（Single-tone）。根據(jù)TR45.820中典型業(yè)務(wù)模型下的仿真測(cè)試數(shù)據(jù)，單小區(qū)可支持5萬(wàn)個(gè)NB-IoT終端接入。終端模塊的成本對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展至關(guān)重要，特別是巨量接入的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，而NB-IoT模塊的成本預(yù)估可控制在5美金以內(nèi)，甚至更低。

（2）覆蓋增強(qiáng)、低時(shí)延敏感

根據(jù)TR45.820的仿真數(shù)據(jù)，可以確定在獨(dú)立部署方式下，NB-IoT覆蓋能力應(yīng)也可達(dá)164dB，帶內(nèi)部署和保護(hù)帶部署還有待仿真測(cè)試。NB-IoT為實(shí)現(xiàn)覆蓋增強(qiáng)采用了重傳（可達(dá)200次）和低階調(diào)制等機(jī)制，目前是否NB-IoT不需支持16QAM仍在被討論中。

同時(shí)在耦合耗損達(dá)164dB的環(huán)境下，如果提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，由于大量數(shù)據(jù)重傳將導(dǎo)致時(shí)延增加，TR45.820中仿真測(cè)試了異常報(bào)告業(yè)務(wù)場(chǎng)景、保證99%可靠性、不同耦合耗損環(huán)境下的時(shí)延（區(qū)分有無(wú)頭壓縮），結(jié)果如表3所示。目前3GPP IoT設(shè)想允許時(shí)延約為10s，但實(shí)際可以支持更低時(shí)延，如6s左右（最大耦合耗損環(huán)境），更詳細(xì)可查閱TR45.820中NB-CIoT的仿真結(jié)果。

表3 異常報(bào)告業(yè)務(wù)場(chǎng)景、保證99%可靠性、不同耦合耗損

環(huán)境下的時(shí)延

處理時(shí)間 發(fā)送報(bào)告無(wú)頭壓縮

（100 byte負(fù)荷） 發(fā)送報(bào)告有頭壓縮

（65 byte負(fù)荷）

耦合耗損/dB 耦合耗損/dB

144 154 164 144 154 164

Tsync/ms 500 500 1125 500 500 1125

TPSI/ms 550 550 550 550 550 550

TPRACH/ms 142 142 142 142 142 142

T上行分配/ms 908 921 976 908 921 976

T上行數(shù)據(jù)/ms 152 549 2755 93 382 1964

T上行Ack/ms 933 393 632 958 540 154

T上行分配/ms 908 921 976 908 921 976

T上行數(shù)據(jù)/ms 152 549 2755 93 382 1964

總時(shí)間/ms 4236 4525 9911 4152 4338 7851

（3）不支持連接態(tài)的移動(dòng)性管理

NB-IoT最初就被設(shè)想為適用于移動(dòng)性支持不強(qiáng)的應(yīng)用場(chǎng)景（如智能抄表、智能停車），同時(shí)也可簡(jiǎn)化終端的復(fù)雜度、降低終端功耗，Rel-13中NB-IoT將不支持連接態(tài)的移動(dòng)性管理，包括相關(guān)測(cè)量、測(cè)量報(bào)告、切換等。

（4）低功耗

NB-IoT借助PSM和eDRX可實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)待機(jī)。其中PSM（Power Saving Mode，節(jié)電模式）技術(shù)是Rel-12中新增的功能，在此模式下，終端仍舊注冊(cè)在網(wǎng)但信令不可達(dá)，從而使終端更長(zhǎng)時(shí)間駐留在深睡眠以達(dá)到省電的目的。eDRX是Rel-13中新增的功能，進(jìn)一步延長(zhǎng)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(dòng)，相對(duì)于PSM，大幅度提升了下行可達(dá)性。PSM和eDRX節(jié)電機(jī)制如圖3所示：

圖3 PSM和eDRX節(jié)電機(jī)制

NB-IoT目標(biāo)是對(duì)于典型的低速率、低頻次業(yè)務(wù)模型，等容量電池壽命可達(dá)10年以上。根據(jù)TR45.820的仿真數(shù)據(jù)，在耦合耗損164dB的惡劣環(huán)境，PSM和eDRX均部署，如果終端每天發(fā)送一次200byte報(bào)文，5瓦時(shí)電池壽命可達(dá)12.8年，如表4所示：

表4 集成PA的電池壽命估算

電池壽命/年

報(bào)文大小/

報(bào)告間隔 耦合耗損

=144dB 耦合耗損

=154dB 耦合耗損

=164dB

50字節(jié)/2小時(shí) 22.4 11.0 2.5

200字節(jié)/2小時(shí) 18.2 5.9 1.5

50字節(jié)/1天 36.0 31.6 17.5

200字節(jié)/1天 34.9 26.2 12.8

5 基于NB-IoT的業(yè)務(wù)

考慮NB-IoT的特性， NB-IoT技術(shù)可滿足對(duì)低功耗/長(zhǎng)待機(jī)、深覆蓋、大容量有所要求的低速率業(yè)務(wù)；同時(shí)由于對(duì)于移動(dòng)性支持較差，更適合靜態(tài)業(yè)務(wù)場(chǎng)景或非連續(xù)移動(dòng)、實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，并且業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延低敏感，可以考慮的業(yè)務(wù)類型如下：

◆自主異常報(bào)告業(yè)務(wù)類型。如煙霧報(bào)警探測(cè)器、智能電表停電的通知等，上行數(shù)據(jù)極小數(shù)據(jù)量需求（十字節(jié)量級(jí)），周期多以年、月為單位。

◆自主周期報(bào)告業(yè)務(wù)類型。如智能公用事業(yè)（煤氣/水/電）測(cè)量報(bào)告、智能農(nóng)業(yè)、智能環(huán)境等，上行較小數(shù)據(jù)量需求（百字節(jié)量級(jí)），周期多以天、小時(shí)為單位。

◆網(wǎng)絡(luò)指令業(yè)務(wù)類型。如開(kāi)啟/關(guān)閉、設(shè)備觸發(fā)發(fā)送上行報(bào)告、請(qǐng)求抄表，下行極小數(shù)據(jù)量需求（十字節(jié)量級(jí)），周期多以天、小時(shí)為單位。

◆軟件更新業(yè)務(wù)類型。如軟件補(bǔ)丁/更新，上行下行較大數(shù)據(jù)量需求（千字節(jié)量級(jí)），周期多以天、小時(shí)為單位。

華為已與全球多家運(yùn)營(yíng)商在中國(guó)、德國(guó)、西班牙、阿聯(lián)酋等國(guó)共同完成了基于NB-IoT技術(shù)智能水表、智能停車、智能垃圾箱業(yè)務(wù)的功能驗(yàn)證。其中沃達(dá)豐和華為于2015年底在西班牙完成了NB-IoT預(yù)標(biāo)準(zhǔn)的第一個(gè)試商用測(cè)試，成功地將NB-IoT技術(shù)整合到沃達(dá)豐現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)送NB-IoT消息給水表中的物聯(lián)網(wǎng)模塊，水表的放置環(huán)境通常在壁櫥等隱蔽環(huán)境，且水表無(wú)法外接電源，NB-IoT可有效解決覆蓋及功耗等問(wèn)題。華為與中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)移動(dòng)也均已開(kāi)始商用測(cè)試和合作，其中2015年MWC，華為聯(lián)合上海聯(lián)通部署首個(gè)基于商用網(wǎng)絡(luò)的智能停車實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。由于NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)化未完成，目前的試商用都是非標(biāo)的方案，不過(guò)與最終凍結(jié)的標(biāo)準(zhǔn)NB-IoT業(yè)務(wù)效果相比，差異應(yīng)該并不大。

6 結(jié)束語(yǔ)

NB-IoT是技術(shù)演進(jìn)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的綜合產(chǎn)物，由于未來(lái)的市場(chǎng)被一致看好，設(shè)備廠商在標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中曾激烈爭(zhēng)奪話語(yǔ)權(quán)，但預(yù)期達(dá)到的特性指標(biāo)仍是基本一致的，標(biāo)準(zhǔn)也仍在加速制定中。

目前產(chǎn)業(yè)鏈也在積極地開(kāi)展試驗(yàn)測(cè)試及試商用，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，NB-IoT將很可能被廣泛應(yīng)用在不同的垂直行業(yè)，并就此開(kāi)啟萬(wàn)物互連的新領(lǐng)域、新時(shí)代。

參考文獻(xiàn)：

[1] 3GPP TR 23.720. Study on architecture enhancements for Cellular Internet of Things （Release 13）[S]. 2016

[2] 3GPP TR 23.770. Study on system impacts of extended Discontinuous Reception （DRX） cycle for power consumption optimization （Release 13）[S]. 2015.

[3] 3GPP TR 36.802. Narrowband Internet of Things （NB-IoT）；Technical Report for BS and UE radio transmission and reception （Release 13）[S]. 2016.

[4] 3GPP TR 36.888. Study on provision of low-cost Machine-Type Communications （MTC） User Equipments （UEs） based on LTE （Release 12）[S]. 2013.

[5] 3GPP TR 37.869. Study on Enhancements to Machine-Type Communications （MTC） and other Mobile Data Applications； Radio Access Network （RAN） aspects （Release 12）[S]. 2013.

[6] 3GPP TR 45.820. Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput Internet of Things （CIoT） （Release 13）[S]. 2015 .

[7] Errison. Cellular networks for Massive IoT—enabling low power wide area applications[EB/OL]. （2016-01-06）. http：//www.ericsson.com/tw/news/160106-cellular-networks-massive-iot_244039856_c？tagsFilter=Machine-to-machine.

[8] Kevin FLYNN. All roads lead to IoT， from GERAN to RAN[EB/OL]. （2016-01-25）. http：//www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1762-iot_geran.

[9] 李承峯，馬進(jìn)國(guó). 新增Cat.M/NB-IoT規(guī)格 LTE R13版強(qiáng)化MTC技術(shù)[EB/OL]. [2016-03-31]. http：//www.mem.com.tw/article_content.asp？sn=1603020015&page=2.

[10] Nokia. LTE-M—Optimizing LTE for the Internet of Things White Paper[EB/OL]. [2016-03-29]. http：//networks.nokia.com/file/34496/lte-m-optimizing-lte-for-the-internet-of-things.

[11] Ericsson， Nokia Networks. RP-141660 Further LTE Physical Layer Enhancements for MTC[EB/OL]. [2016-03-29]. ftp：//ftp.3gpp.org/tsg_ran/TSG_RAN/TSGR_65/Docs/RP-141660.zip.

[12] Qualcomm Incorporated. RP-151621 New Work Item： NarrowBand IOT （NB-IoT）[EB/OL]. [2016-03-29]. ftp：//ftp.3gpp.org/tsg_ran/TSG_RAN/TSGR_69/Docs/RP-151621.zip.

[13] RP-152284. Revised Work Item： Narrowband IoT （NB-IoT）[EB/OL]. [2016-03-29]. ftp：//ftp.3gpp.org/tsg_ran/TSG_RAN/TSGR_70/Docs/RP-152284.zip. ★