1、引言

NB-IoT是技術(shù)演進和市場競爭的綜合產(chǎn)物，由于未來的市場被一致看好，設(shè)備廠商在標(biāo)準(zhǔn)制定過程中曾激烈爭奪市場份額，但預(yù)期達到的特性指標(biāo)仍是基本一致的，標(biāo)準(zhǔn)也仍在加速制定中。

2、NB-IoT技術(shù)的背景

2.1 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(低功耗廣域網(wǎng))，典型的應(yīng)用場景如智能抄表。

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及其演進技術(shù)，這類技術(shù)基本都在3GPP(主要制定GSM、WCDMA、LTE及其演進技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn))或3GPP2(主要制定CDMA相關(guān)標(biāo)準(zhǔn))等國際標(biāo)準(zhǔn)組織進行了標(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IoT萬物互聯(lián)的發(fā)展趨勢，M2M通信前景也被3GPP視為標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)壯大的重要機遇，而在萬物互聯(lián)的時代，具備低成本、低功耗、廣覆蓋、低速率特點的LPWAN技術(shù)將扮演重要角色，故3GPP也一直在推動相關(guān)機器類通信MTC技術(shù)的發(fā)展，且主要致力于在兩個方向上。

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

長期以來，3GPP制式運營商的物聯(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(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、更強覆蓋等增強特性。

方向二：考慮未來替代2G/3G物聯(lián)網(wǎng)模塊，研究低成本、演進的LTE-MTC技術(shù)。

進入LTE及演進技術(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(chǔ)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(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)演進技術(shù)。

3、NB-IoT技術(shù)在國際上的標(biāo)準(zhǔn)化情況

3.1 NB-IoT的立項過程

在3GPP標(biāo)準(zhǔn)制定中，增加一個新技術(shù)的典型流程是先成立一個SI，通過研究項目得出技術(shù)，根據(jù)技術(shù)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(guān)的工作項目，通過工作項目輸出技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。NB-IoT的制定過程也是如此，如圖1所示。

圖1 3GPP Rel-13中IoT相關(guān)項目關(guān)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(shù)被提出，分別是：擴展覆蓋GSM技術(shù)EC-GSM(Extended Coverage-GSM)，NBCIoT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為英國物聯(lián)網(wǎng)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(lián)合提出，終在2015年9月的RAN#69次全會經(jīng)過激烈討論，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)存在兼容問題，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)理論上改動較大; 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(shè)想的指標(biāo)要求，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

3.2 NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)進展

NB-IoT的3GPP標(biāo)準(zhǔn)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，的一致性測試標(biāo)準(zhǔn)也將在2016年12月完成，詳細情況如表2所示。

表2 NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)工作組的時間計劃

4、NB-IoT技術(shù)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(lián)網(wǎng)無線接入新技術(shù)，以解決室內(nèi)覆蓋增強、支持巨量低速率設(shè)備接入、低時延敏感、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，不同場景下的仿真結(jié)果也尚未總結(jié)，如保護帶和帶內(nèi)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： 獨立部署、保護帶部署、帶內(nèi)部署，如圖2所示。

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(tǒng)中邊緣無用頻帶;

帶內(nèi)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(xié)議，物理層進行相關(guān)優(yōu)化。

設(shè)計單獨的同步信號。

TR45.820中對速率的預(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)模型下的仿真測試數(shù)據(jù)，單小區(qū)可支持5萬個NB-IoT終端接入。

終端模塊的成本對于物聯(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、低時延敏感

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

NB-IoT為實現(xiàn)覆蓋增強采用了重傳(可達200次)和低階調(diào)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(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)致時延增加，TR45.820中仿真測試了異常業(yè)務(wù)場景、保證99%可靠性、不同耦合耗損環(huán)境下的時延(區(qū)分有無頭壓縮)，結(jié)果如表3所示。

表3 異常業(yè)務(wù)場景、保證99%可靠性、不同耦合耗損環(huán)境下的時延

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

(3)不支持連接態(tài)的移動性管理

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

(4)低功耗

NB-IoT借助PSM和eDRX可實現(xiàn)更長待機。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，終端仍舊注冊在網(wǎng)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(jié)電機制如圖3所示：

圖3 PSM和eDRX節(jié)電機制

NB-IoT目標(biāo)是對于典型的低速率、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

5、基于NB-IoT的主要業(yè)務(wù)舉例

考慮NB-IoT的特性， NB-IoT技術(shù)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(yè)務(wù);同時由于對于移動性支持較差，更適合靜態(tài)業(yè)務(wù)場景或非連續(xù)移動、實時傳輸數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)場景，并且業(yè)務(wù)對時延低敏感，可以考慮的業(yè)務(wù)類型如下：

(1)自主異常業(yè)務(wù)類型。如煙霧報警探測器、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)，周期多以年、月為單位。

(2)自主周期業(yè)務(wù)類型。如智能公用事業(yè)(煤氣/水/電)測量、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)，周期多以天、小時為單位。

(3)網(wǎng)絡(luò)指令業(yè)務(wù)類型。如開啟/關(guān)閉、設(shè)備觸發(fā)發(fā)送上行、請求抄表，下行極小數(shù)據(jù)量需求(十字節(jié)量級)，周期多以天、小時為單位。

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

華為已與多家運營商在中國、德國、西班牙、阿聯(lián)酋等國共同完成了基于NB-IoT技術(shù)智能水表、智能停車、智能垃圾箱業(yè)務(wù)的功能驗證。

其中沃達豐和華為于2015年底在西班牙完成了NB-IoT預(yù)標(biāo)準(zhǔn)的個試商用測試，成功地將NB-IoT技術(shù)整合到沃達豐現(xiàn)有移動網(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(lián)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(lián)合上海聯(lián)通部署基于商用網(wǎng)絡(luò)的智能停車實驗網(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，不過與終凍結(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)語

NB-IoT是技術(shù)演進和市場競爭的綜合產(chǎn)物，由于未來的市場被一致看好，設(shè)備廠商在標(biāo)準(zhǔn)制定過程中曾激烈爭奪話語權(quán)，但預(yù)期達到的特性指標(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(yīng)用在不同的垂直行業(yè)，并就此開啟萬物互連的新領(lǐng)域、新時代。