低速率物聯(lián)網(wǎng) 蜂窩通信技術(shù)現(xiàn)狀與展望

陳利歡

【摘要】? ? 隨著社會(huì)的進(jìn)步以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)終端不斷普及，移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)發(fā)展迅速，從人與人之間的交流，發(fā)展為人與物、物與物之間的信息交互。在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)體系中，低速率物聯(lián)網(wǎng)占據(jù)很大比重。低速率物聯(lián)網(wǎng)低功耗、低成本，隨著Cat.M 和 NB-lot 等系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，進(jìn)一步促進(jìn)了低速率物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。低速率窄帶通信技術(shù)的研發(fā)，解決了多終端通信、低能耗通信、遠(yuǎn)距離通信等問(wèn)題。這一技術(shù)成為應(yīng)用效率最高、傳播范圍最廣、適應(yīng)能力最強(qiáng)的通信技術(shù)。低速率物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)研究不斷增多，使人們對(duì)其有了更深層次的了解。

【關(guān)鍵詞】? ? 低速率? ? 物聯(lián)網(wǎng)? ? 蜂窩通信技術(shù)? ? 現(xiàn)狀? ? 展望

引言：

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)在我國(guó)興起，并且發(fā)展迅速，在社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮重要的作用?；诨ヂ?lián)網(wǎng)概念的物聯(lián)網(wǎng)，使互聯(lián)網(wǎng)的信息、用戶交換，向物品與物品延伸。早期物聯(lián)網(wǎng)被稱為傳感器，在中國(guó)1999 年首次提出。目前對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的定義，是利用一系列科技手段，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)及AI技術(shù)，完成廣泛互聯(lián)和信息交互。

蜂窩通信技術(shù)是通過(guò)無(wú)線通道，連接用戶終端，采取蜂窩無(wú)線網(wǎng)的方式，用戶可以互相通信。物聯(lián)網(wǎng)和蜂窩技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，形成低速率物聯(lián)網(wǎng)的蜂窩技術(shù)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)相應(yīng)的通信鐵搭等基礎(chǔ)設(shè)施及移動(dòng)終端越來(lái)越得到普及發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)和蜂窩通信技術(shù)結(jié)合，可以有效降低成本，有效提高網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率。

一、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用向LTE MTC發(fā)展

物聯(lián)網(wǎng)是新一代的信息技術(shù)，進(jìn)一步擴(kuò)展了互聯(lián)網(wǎng)的概念，連接物理設(shè)備和日常對(duì)象，嵌入網(wǎng)絡(luò)連接、電子設(shè)備、其他硬件等，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、通信、交互。隨著相關(guān)器件、技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。運(yùn)營(yíng)商關(guān)心的重點(diǎn)是基于蜂窩通信制式的物聯(lián)網(wǎng)蜂窩[1]。當(dāng)前我國(guó)模塊市場(chǎng)整體規(guī)模已超過(guò)3000萬(wàn)。全球蜂窩M2M模塊從2015到2020年，增長(zhǎng)至1.9億。主要垂直應(yīng)用市場(chǎng)包括移動(dòng)支付、水電煤三表、環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、安防與智能交通等。國(guó)內(nèi)外運(yùn)營(yíng)商將2G/3G網(wǎng)絡(luò)上承載的物聯(lián)網(wǎng)，向LTE MTC發(fā)展。很多運(yùn)營(yíng)商明確逐步關(guān)停了2G網(wǎng)絡(luò)。有歐洲運(yùn)營(yíng)商以Cat.1為基礎(chǔ)，開展遠(yuǎn)程表計(jì)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)[2]。例如AT&T、 Verizon積極推動(dòng)模塊驗(yàn)證、單模芯片，以Cat.1為基礎(chǔ)。華為與沃達(dá)豐聯(lián)合，進(jìn)行NB-IoT試驗(yàn)。

GSMA 發(fā)布的報(bào)告稱，目前為止，4G 雖仍是中國(guó)移動(dòng)通信的主導(dǎo)技術(shù)，占中國(guó)移動(dòng)通信總量的 80%以上（不包括授權(quán)的移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)）。但隨著 5G 的大幅增長(zhǎng)，4G 的份額將在 2020 年達(dá)到峰值（82%）。預(yù)計(jì)在 2020 年，全球 70%的 5G 連接將來(lái)自于中國(guó)。

2015年，LTE模塊的發(fā)貨量450萬(wàn)片，2020年增至4200萬(wàn)片。2017年起，普及速度最為迅速的是LTE Cat.1/Cat.M技術(shù)。MachinaResearch預(yù)測(cè)，LTE MTC到2023年可能在所有物聯(lián)網(wǎng)裝置中，占到了10%。

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，占據(jù)絕對(duì)主流的是低功耗低速率的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，就是低成本、低速率、低功耗[3]。未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的技術(shù)主流，為NB-IoT、Cat.M、LTE Cat.1。

二、低速率低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)演進(jìn)

制定LTE MTC標(biāo)準(zhǔn)，由3GPP牽頭推進(jìn)，從R8開始具體標(biāo)準(zhǔn)，逐漸在R12、 R13完善。許多大流量實(shí)時(shí)視頻業(yè)務(wù)中，開始使用Cat.6以上的終端。在物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中，目前占據(jù)比例較低[4]。在車載終端上，Cat.3/4運(yùn)用的方式目前主要是4G多模方式。NB-IoT、Cat.M、LTE Cat.1，具有明顯的成本、功耗優(yōu)勢(shì)，因此受到業(yè)界的普遍關(guān)注。

Cat.1、LTE Cat.0需要經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)改造，并且功耗、成本的區(qū)別比較小，被認(rèn)為是過(guò)渡態(tài)，規(guī)模商用的可能性不大。在R8中已經(jīng)定義Cat.1，當(dāng)時(shí)Cat.1有望規(guī)模商用，因?yàn)镃at.1有無(wú)需對(duì)現(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行改造的優(yōu)勢(shì)。能夠直接使用搭載Cat.1的終端。并且相比4G多模，單模Cat.1芯片及模塊，具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。上/下行峰值速率可達(dá)5/10Mbps，價(jià)格相對(duì)有競(jìng)爭(zhēng)力，可應(yīng)用于小流量視頻及車載模組等。對(duì)于歐美地區(qū)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)模塊價(jià)格不太敏感，遠(yuǎn)程抄表也使用Cat.1。Cat.1處于快速發(fā)展階段，其產(chǎn)業(yè)鏈尚未成熟。高通、 Intel等相繼推出了Cat.1多模芯片，采取軟件裁剪的方式。GCT、Sequans、Altair等，也通過(guò)重新流片推出了Cat1芯片[5]。Cat.1的單模模塊已經(jīng)有國(guó)內(nèi)模組廠商進(jìn)行市場(chǎng)推廣，且逐步開始規(guī)?；逃谩?/p>

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)受到廣泛的關(guān)注，主要集中于NB-IoT、Cat.M。爭(zhēng)論的焦點(diǎn)就是如何發(fā)展。協(xié)同合作或者兩者二選一。

三、Cat.M與NB-IoT發(fā)展之爭(zhēng)

3.1技術(shù)背景

研究LTE物聯(lián)網(wǎng)的趨勢(shì)是強(qiáng)覆蓋、低功耗、低成本。第一個(gè)Cat.M工作組是3GPP成立的，早在2014年成立，并開始制定Cat.M的標(biāo)準(zhǔn)。隨著產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，在R13版本中凍結(jié)。3GPP LTE MTC的演進(jìn)，依據(jù)Cat.M不斷發(fā)展。而其半路殺出一個(gè)強(qiáng)勁競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，就是NB-IoT。華為公司在2014年收購(gòu)Nuel公司，與沃達(dá)豐合作，研究窄帶蜂窩物聯(lián)技術(shù)。提出NB M2M窄帶技術(shù)[6]。

華為、沃達(dá)豐與高通聯(lián)合，與NB OFDMA融合制定上下行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，形成NB-CIoT。同時(shí)，諾基亞、愛(ài)立信推出NB-LTE窄帶蜂窩技術(shù)。此技術(shù)與NB-CIoT有相似的定位。華為、愛(ài)立信分別提交標(biāo)準(zhǔn)提案給3GPP。在R13版本中，3GPP融合兩種技術(shù)，形成NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)[7]。市場(chǎng)的需求，以及相關(guān)廠商的積極推動(dòng)，促使窄帶技術(shù)混戰(zhàn)的NB-IoT成為3GPP標(biāo)準(zhǔn)的正式部分。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展與器件現(xiàn)狀

在3GPP R13中，有Cat.M、NB-IoT的相關(guān)定義。目前，通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、性能標(biāo)準(zhǔn)、主體功能（Core Part）標(biāo)準(zhǔn)等。一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，主要與流程/功能相關(guān)。性能標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)試強(qiáng)相關(guān)，其性能相關(guān)的是各個(gè)子技術(shù)領(lǐng)域[8]。

主體功能標(biāo)準(zhǔn)主要與開發(fā)相關(guān)，比如網(wǎng)絡(luò)接入、信令協(xié)議等，指的是協(xié)議的具體內(nèi)容。Cat.M的主體功能標(biāo)準(zhǔn)，在2016年3月凍結(jié)。同年6月凍結(jié)NB-IoT主體功能標(biāo)準(zhǔn)。同年9月凍結(jié)性能標(biāo)準(zhǔn)。同年12月凍結(jié)一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。凍結(jié)Core part主體功能后，與Cat.M相關(guān)的芯片廠商，開展預(yù)商用相關(guān)工作，研發(fā)推出測(cè)試版本。各大芯片廠商在基于Cat.M的路標(biāo)計(jì)劃中考慮，尚無(wú)測(cè)試版本Cat.M芯片和模塊。

華為NB-IoT芯片及模塊研發(fā)有較快的進(jìn)展速度，產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)同步推進(jìn)，已推出第二代測(cè)試模塊。2014年開始，華為投入NB-IoT芯片研發(fā)。2015年推出芯片原型產(chǎn)品，以預(yù)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)。3GPP標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后的3個(gè)月，2016年華為推出業(yè)界首款商用NB-IoT芯片，商用芯片Boudica120。隨后推出完全成熟的Boudica 150，支持3GPP R14，能夠應(yīng)用于更多的場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)更低的能耗。2019年迎來(lái)5G元年，進(jìn)一步推動(dòng)NB-IoT發(fā)展。3GPP組織正式明確，NB-IoT為5G的一部分，與5G長(zhǎng)期共存。2G 退網(wǎng)已經(jīng)拉開帷幕，NB-IoT 也已成為 5G 標(biāo)準(zhǔn)。2019年華為公布NB-IoT芯片總發(fā)貨量已經(jīng)突破2000萬(wàn)。

3.3技術(shù)參數(shù)

NB-IoT與Cat.M都是低功耗蜂窩通信技術(shù)，但技術(shù)參數(shù)明顯不同。在傳輸速率上，NB-IoT一般<200kbps。Cat.M最大為1Mbps[9]。在系統(tǒng)帶寬上，NB-IoT是200kHz。Cat.M為1.4 MHz。在功耗上，NB-IoT的續(xù)航時(shí)間，比Cat.M大約長(zhǎng)一年。在覆蓋增強(qiáng)上，NB-IoT比Cat.M多5dB+的覆蓋增益，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是可多穿透一堵墻。

3.4 應(yīng)用場(chǎng)景

由于定位能力、覆蓋增強(qiáng)能力、應(yīng)用速率等的差異，NB-IoT、Cat.M存在應(yīng)用差別。NB-IoT為超低速率應(yīng)用。Cat.M為低速率應(yīng)用。針對(duì)存在多阻擋及屏蔽的遠(yuǎn)程抄表領(lǐng)域，或者環(huán)境相對(duì)惡劣的智慧農(nóng)業(yè)、城市公共設(shè)備中，NB-IoT更適用[10]。而在智慧物流、可穿戴設(shè)備等，需要Cat.M承載。

3.5 網(wǎng)絡(luò)部署及成本

尚未完全凍結(jié)NB-IoT、Cat.M的標(biāo)準(zhǔn)，仍在討論網(wǎng)絡(luò)部署方案?；敬_定依據(jù)現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)，可以Cat.M升級(jí)。NB-IoT和LTE機(jī)制存在較大差異，需新增信道板，硬件改動(dòng)較大。但隨著產(chǎn)品的規(guī)模、成熟度不斷提升，業(yè)界普遍認(rèn)為，相比Cat.M，NB-IoT可能會(huì)更加便宜。

四、總結(jié)

總之，物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代到來(lái)，NB-IoT與Cat.M應(yīng)是互補(bǔ)并行的關(guān)系，其應(yīng)用場(chǎng)景并不矛盾。如何選擇和發(fā)展，也將逐漸明晰。相比手機(jī)終端，需求的多樣化、場(chǎng)景的特定化都是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與之區(qū)分的主要差異點(diǎn)。因此，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的不同應(yīng)用場(chǎng)景，可以選擇不同的蜂窩通信技術(shù)。有必要存在多種技術(shù)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，NB-IoT、Cat.M將進(jìn)一步推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的科學(xué)發(fā)展。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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