低速率物聯(lián)網(wǎng)蜂窩通信技術應用展望

趙子奇

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東廣州，510310）

0 引言

我國近年來出現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)，基于科技的進步與社會的需求，物聯(lián)網(wǎng)以較快的速度實現(xiàn)發(fā)展。低速率物聯(lián)網(wǎng)蜂窩技術對物聯(lián)網(wǎng)和蜂窩技術實現(xiàn)連接。我國目前正在積極發(fā)展蜂窩移動通信網(wǎng)絡，建設了大量通信鐵塔，通信塔隨處可見。合理聯(lián)合物聯(lián)網(wǎng)與蜂窩通信技術，有效提升了物聯(lián)網(wǎng)的運行水平，節(jié)省了成本。

1 低速率物聯(lián)網(wǎng)蜂窩通信技術概念

物聯(lián)網(wǎng)基于互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)延伸和發(fā)展，在物品與物品交換的過程中對互聯(lián)網(wǎng)的用戶信息擴展交換。蜂窩通信技術以蜂窩無線網(wǎng)方式與用戶端、無線通道連接，使用戶達到通信的目的。而物聯(lián)網(wǎng)蜂窩通信技術有效結合了各種優(yōu)勢，提高了效率與節(jié)省了成本。

當前低速率物聯(lián)網(wǎng)蜂窩通信技術不斷提高了發(fā)展水平。但Cat.1模塊不具備相對成熟的技術，導致不少生產商與研究人員都集中力量發(fā)展該模塊，保證了模塊與物聯(lián)網(wǎng)同步發(fā)展。目前物聯(lián)網(wǎng)通信備受關注，Cat.1和NB-LOT均在飛快發(fā)展。我國在發(fā)展低速率物聯(lián)網(wǎng)方面有良好的前景。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展

2.1 物聯(lián)網(wǎng)接入技術分類

物聯(lián)網(wǎng)無線接入技術包含Zigbee、WiFi、藍牙等長短距無線通信技術類型。物聯(lián)網(wǎng)接入技術分類見圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)接入技術分類

2.2 物聯(lián)網(wǎng)接入技術演進

物聯(lián)網(wǎng)接入技術綜合演進方向見圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)接入技術演進方向

傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡演進方向：（1）大寬帶、高速率應用；（2）低時延、高可靠應用；（3）低功耗大連接。

短距接入技術未來的發(fā)展特征為低功耗廣覆蓋。全新發(fā)展的非授權頻譜光與技術涉及LoRa和Sifox等。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)技術及業(yè)務適應性

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務有不同的類型，不僅涉及了大寬帶高速率業(yè)務，還包括部分低功耗、大連接業(yè)務。為了與差異化的業(yè)務有效適應，隨之產生了物聯(lián)網(wǎng)接入技術，見圖3。它主要處理超低時延、可靠的無人駕駛業(yè)務；通過3G/4G網(wǎng)絡開展視頻監(jiān)控、智能醫(yī)療等；而LPWA具體處理終端成本與功耗敏感等工作。運營商互補設計LTE-eMTC與NB-IoT處理相關的業(yè)務。中低速應用和LPWA業(yè)務由LTE-eMTC提供支持；NB-IoT促進LPWA開展超低速率業(yè)務，形成全面覆蓋，有利于在屏蔽的遠程抄表與惡劣的環(huán)境內檢測公共設備的應用。

2.4 標準化發(fā)展

基于市場發(fā)展過程對物聯(lián)網(wǎng)提出更高的要求。NB-IoT標準化發(fā)展由2014年5月開始，發(fā)生了數(shù)次融合與替換。在第73次工作會議上，NB-IoT在相應工作組內實現(xiàn)凍結。其中，對NB來講R13屬于一個最新標準的技術，再次設計了空口技術；網(wǎng)絡憑借窄帶系統(tǒng)與子載波間隔擴大了覆蓋范圍，進一步達到20dB的鏈路預算目標；UE為半雙工提供支撐，避免低端增加功耗，節(jié)省了終端費用。要想與低傳輸速率和功耗的要求相適應，增加3GPPR12的傳動級別，UE通過20MHz工作寬帶實現(xiàn)半雙工，從而簡化處置終端功能。

3 低速率物聯(lián)網(wǎng)蜂窩通信技術的應用展望

制定與完善LTEMTC標準的過程中，對低速率物聯(lián)網(wǎng)蜂窩通信技術水平不斷提升。其中，Cat.1的優(yōu)勢是不需要改造現(xiàn)網(wǎng)、直接使用、達到應用車載模塊與小流量視頻的要求等，這也是Cat.1迅速發(fā)展的原因。需要強調的是，對于NB-IoT與Cat.M兩種低速率物聯(lián)網(wǎng)蜂窩通信技術，為系統(tǒng)研究這部分不同，需深入對比Cat.M和NB-IoT。

3.1 技術背景

聯(lián)系LTE物聯(lián)網(wǎng)終端在發(fā)展中低成本、低功耗與強覆蓋等優(yōu)勢，2014年3GPP建立了首個Cat.M工作組，科學制定了標準，并選擇在R13版本實現(xiàn)凍結，這也是產業(yè)鏈發(fā)展的結果。若3GPPLTEMTC演進過程中Gat.M發(fā)揮了正規(guī)軍的作用，則NB-IoT是非常強勁的競爭對象。演進流程見圖3所示。

圖3 演進圖

NB-IoT由窄帶技術逐步演化為正規(guī)軍，其中廠商的全面推動與市場現(xiàn)實需求是至關重要的因素。

3.2 標準進展與器件現(xiàn)狀

利用3GPP R13對NB-IoT和Cat.M科學定義，當前均沒有徹底凍結。將通信技術標準劃分為Core Part（主體功能）、性能標準和一致性測試標準等。其中協(xié)議的核心內容為主體功能，包括了信令協(xié)議與網(wǎng)絡接入，與開發(fā)業(yè)務存在較強的關聯(lián)性；性能標準是關系著各個子技術領域的性能；一致性測試標準是檢測部分流程與功能的相關標準。在器件層方面，各芯片廠商結合決策層規(guī)劃Cat.Ml路標方案。華為研發(fā)NB-IoT芯片速度較快，同時推進產品與標準。

3.3 技術參數(shù)比較

Cat.M與NB-IoT兩種低功率蜂窩通信技術存在不同的技術參數(shù)，其中在帶寬、速率與覆蓋強度方面形成了顯著的差異。

系統(tǒng)帶寬中，Cat.M對應1.4MHz，NB-IoT對應200kHz。在每次傳輸中不同的寬帶形成不一樣的數(shù)據(jù)量，直接影響了網(wǎng)絡部署與選擇頻點的效率。

在傳輸速率中，Cat.M最大為1Mbps，NB-IoT小于250kbps，通常簡化為200kbps。GSMA根據(jù)不同的預測速度，利用NB-IoT技術與M2M聯(lián)系，其與Cat.M技術形成1.5倍關系，二者憑借自身速率應用于差異化的場景。

在覆蓋增強方面，NB-IoT的優(yōu)勢為窄帶，形成大量的覆蓋增益，通俗來講就是穿透的墻多一些。需要注意，NB-IoT在1GHz以下頻段部署提高了覆蓋水平。

在功耗方面，根據(jù)技術理論分析，NB-IoT降低了功耗，在既定的低頻率喚醒與電池容量環(huán)境下，NB-IoT增加了續(xù)航的時間。此外要高度重視移動性與定位能力。無線資源管理RM對二者提出了不同的要求，Cat.M增強了移動性，且不超過120km/h的前提下實現(xiàn)切換連接態(tài)自由；NB-IoT降低了移動性，低于30km/h時與步行速度相似，故判斷其無法切換連接態(tài)，具有較強移動性的物聯(lián)網(wǎng)不適合對其應用。

3.4 應用場景

由于上述不同技術參數(shù)的存在，導致Cat.M與NB-IoT出現(xiàn)巨大差異。

基于應用速率角度分析，Cat.M屬于低速率應用，NBIoT屬于超低速率應用。比如可穿戴手表，NB-IoT憑借200kpbs不能快速瀏覽網(wǎng)頁，有必要借助CaT.M實現(xiàn)承載。

從覆蓋增強能力分析，在惡劣的環(huán)境、屏蔽的遠程抄表、水管監(jiān)測中應用。

關于移動性，NB-IoT無法連接態(tài)切換，利用Cat.M的移動特點可實現(xiàn)移動支付，以及穿戴設備等。而目前只能借助Cat.M應用手表和定位項圈。

4 結束語

現(xiàn)代的時代是科技的時代。互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)與蜂窩通信已不是簡單的概念，而逐步成為事實。我國在發(fā)展物流網(wǎng)與蜂窩技術的過程中，通過有機整合二者，最大程度節(jié)省了成本，提高了效率。如此不只推動了物聯(lián)網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展，方便了人們的日常生活，還對國家通信技術與物流的發(fā)展發(fā)揮了促進功能。