最新NBIoT的产生背景标准发展以及特性和业务研究.docx
《最新NBIoT的产生背景标准发展以及特性和业务研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《最新NBIoT的产生背景标准发展以及特性和业务研究.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
最新NBIoT的产生背景标准发展以及特性和业务研究
NB-IoT的产生背景、标准发展以及特性和业务研究
【摘要】
介绍了NB-IoT的产生背景以及物联网通信技术的分类，并介绍了3GPP相关标准发展过程、最新状态及计划冻结的时间；同时对NB-IoT的特性进行了介绍和分析，包括增强覆盖能力、低复杂度、低功耗、时延低敏感、移动性等；最后基于NB-IoT的特性，探讨了基于NB-IoT的不同物联网业务类型，并介绍了NB-IoT的业界发展情况。
【关键词】
窄带物联网标准物联网
1引言
在西班牙巴塞罗那举行的2016年世界移动通信大会（MWC2016）上，物联网通信的新技术——NB-IoT（NarrowbandInternetofThings，窄带物联网）颇受关注，成为会议的一大亮点。
本文将探讨NB-IoT的标准化进程、涉及的关键技术以及其发展情况，主要介绍NB-IoT的技术背景、3GPP标准冻结情况及相关工作组进展、低功耗/增强覆盖/低成本等关键技术和特性，以及基于NB-IoT可能的物联网业务、目前全球的实验和商用情况等。
2NB-IoT的产生背景
2.1物联网通信技术分类
物联网通信技术有很多种，从传输距离上区分，可以分为两类：
一类是短距离通信技术，代表技术有Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等，典型的应用场景如智能家居；另一类是广域网通信技术，业界一般定义为LPWAN（Low-PowerWide-AreaNetwork，低功耗广域网），典型的应用场景如智能抄表。
LPWAN技术又可分为两类：
一类是工作在非授权频段的技术，如Lora、Sigfox等，这类技术大多是非标、自定义实现；一类是工作在授权频段的技术，如GSM、CDMA、WCDMA等较成熟的2G/3G蜂窝通信技术，以及目前逐渐部署应用、支持不同category终端类型的LTE及其演进技术，这类技术基本都在3GPP（主要制定GSM、WCDMA、LTE及其演进技术的相关标准）或3GPP2（主要制定CDMA相关标准）等国际标准组织进行了标准定义。
NB-IoT即是2015年9月在3GPP标准组织中立项提出的一种新的窄带蜂窝通信LPWAN技术。
2.23GPPMTC技术的发展
在NB-IoT提出之前，业界都非常认可未来IoT万物互联的发展趋势，M2M通信前景也被3GPP视为标准生态壮大的重要机遇，而在万物互联的时代，具备低成本、低功耗、广覆盖、低速率特点的LPWAN技术将扮演重要角色，故3GPP也一直在推动相关机器类通信MTC技术的发展，且主要致力于在两个方向上。
方向一：
面对非3GPP技术挑战，开展GSM技术的进一步演进和全新接入技术的研究。
长期以来，3GPP制式运营商的物联网业务主要依靠成本低廉的GPRS模块，然而由于Lora、Sigfox等新技术的出现，GPRS模块在成本、功耗和覆盖方面的传统优势受到威胁，于是在2014年3月的GERAN#62会议上3GPP提出成立新的SI
（StudyItem，研究项目）“FS_IoT_LC”，研究演进GERAN系统和新接入系统的可行性，以支持更低复杂度、更低成本、更低功耗、更强覆盖等增强特性。
方向二：
考虑未来替代2G/3G物联网模块，研究低成本、演进的LTE-MTC技术。
进入LTE及演进技术发展阶段后，3GPP也定义了许多可适用物联网不同业务需求场景的终端类型，Rel-8版本已定义不同速率的catogery1-5的终端类型，在之后的版本演进中，在新定义支持高带宽、高速率的catogery6、catogery9等终端类型的同时，也新定义了更低成本、支持更低功耗的catogery0（Rel-12）终端类型。
在Cat.0的基础上，在2014年9月的RAN#65会议中3GPP提出成立新的SI“LTE_MTCe2_L1”研究，进一步研究更低成本、更低功耗、更强覆盖的LTE-MTC技术。
NB-IoT正是源于方向一中全新接入技术的研究。
此外，除了上述两个方向，3GPP同样一直在研究更低功耗的节电技术，以及在系统架构和网络侧同步更新支持相关演进技术。
3NB-IoT的标准情况
3.1NB-IoT的立项过程
在3GPP标准制定中，增加一个新技术的典型流程是先成立一个SI，通过研究项目得出TR（TechnicalReport，技术报告），根据技术报告的研究成果，在同一个Release版本或下一个Release版本中成立一个相关的WI（WorkItem，工作项目），通过工作项目输出TS（TechnicalSpecification，技术标准）。
NB-IoT的制定过程也是如此，如图1所示。
如图1所示，在GERAN组“FS_IoT_LC”的研究项目中，主要有3项技术被提出，分别是：
扩展覆盖GSM技术EC-GSM（ExtendedCoverage-GSM），NB-CIoT技术和NB-LTE技术。
其中NB-CIoT由华为、高通和Neul联合提出（Neul为英国物联网公司，在2014年9月被华为收购），NB-LTE由爱立信、中兴、诺基亚等厂商联合提出，最终在2015年9月的RAN#69次全会经过激烈讨论，最终协商统一为一种技术方案，
图13GPPRel-13中IoT相关项目关系简图
即NB-IoT。
NB-CIoT和NB-LTE相比：
前者对于LTE
而言相当于提出了一种全新的空口技术，意味着与旧版LTE网络存在兼容问题，在网络侧理论上改动较大；而后者倾向和现有LTE网络尽量兼容。
NB-CIoT在增强室内覆盖、支持巨量低速率终端、减少终端复杂度、降低功耗和时延、与GSM/UMTS/LTE的干扰共存、对GSM/EDGE基站的硬件影响等方面均满足研究设想的指标要求，最关键的是NB-CIoT模块的成本估算甚至可以低于GSM模块，而NB-LTE成本虽然比eMTC低但还是会高于GSM模块。
NB-CIoT和NB-LTE的更详细对比可查阅3GPP文档RP-151550。
NB-IoT在3GPP的大致立项过程如表1所示。
3.2NB-IoT的标准进展
NB-IoT的3GPP标准核心部分将在2016年6月冻结，2016年9月将完成性能部分的标准制定，最后的一致性测试标准也将在2016年12月完成，详细情况如表2所示。
4NB-IoT的特性
3GPPNB-IoT工作项目总体上确定将定义一种对于E-UTRAN非后向兼容、有较大变动的蜂窝物联网无线接入新技术，以解决室内覆盖增强、支持巨量低速率设备接入、低时延敏感、超低设备成本、低功耗和网络架构优化等问题。
由于NB-IoT标准还在制定中，很多提案仍在讨论和提交，不同场景下的仿真结果也尚未总结，如Guard-band和In-band部署方式下的覆盖指标。
本章节将主要基于相关工作组的项目目标描述和TR45.820的仿真数据，介绍一些NB-IoT的特性。
表1NB-IoT的立项过程
2014年5月—2015年8月GERANSI（TR45.820）
2015年9月RAN#69WI立项（RP-151621）
2015年12月RAN#70
NB-IoTWID（RP-152284）
NB-OFDMA（高通）
NB-CIoT
◆上下行有效带宽为180kHz
◆下行：
OFDMA，子载波间隔
NB-M2M上行（Neul/华为）FDMA，GMSK调制5kHz载波间隔
◆下行：
OFDMA，子载波间隔
15kHz
（华为/高通/Neul）
15kHz和3.75kHz
◆上行：
SC-FDMA，Single-tone：
◆上行获选技术FDMA+GMSK和SC-
3.75kHz和15kHz，Multi-tone：
FDMA
15kHz
NB-LTE：
（爱立信/中兴/诺基亚/阿朗/三星/Intel）
◆下行：
15kHz子载波间隔，与LTE兼容
◆上行：
SC-FDMA，2.5kHz或15kHz子载波间隔
◆仅考虑独立（Stand-alone）部署场景
◆支持3种操作部署场景：
Stand-
◆NB-IoT首批定义支持频段：
Band
alone、Guard-band、In-band
1，3，5，8，12，13，17，19，
20，26，28
表2NB-IoT标准工作组的时间计划
说明
WI名称
开始时间
完成时间
-
Cellular（Narrowband）InternetofThings
2015年9月
2016年12月
SATSG
Stage2ofCIoT
2015年10月
2015年10月
（业务和系统
SecurityAspectsofCIoT（akaNB-IoT）
2015年11月
2016年6月
技术规范组）
CTTSG
CTaspectsofCIoT
2015年12月
2016年3月
CT1aspectsofCIoT
（核心网和
CT3aspectsofCIoT
终端技术
CT4aspectsofCIoT
num=alltrim（str（i））规范组）
CT6aspectsofCIoT
991101大宝06/17/72男 564 Memo
【答案】D
【答案】Enter
settalkonRANTSG
RANaspectsofCIoT
36.在查询设计器中已设定联接条件为STUDENT.姓名=xscj.姓名，若要在查询结果中显示STUDENT表中所有记录及xscj表中满足条件的记录，则联接类型应为________。
2015年9月
2016年9月
【答案】对象akaNarrowbandInternet
ofThings（IoT）
Corepart:
NarrowbandInternetofThings（IoT）
2015年9月
2016年6月
（无线接入网
Perf.part:
NarrowbandInternetofThings（IoT）
2015年12月
2016年9月
技术规范组）
UEConformanceTestAspects-NarrowbandInternetofThings（NB-IoT）
2016年3月
2016年12月
（1）灵活部署、窄带、低速率、低成本、高容量已确定的部分目标要求如下：
◆宜支持3种部署方式：
独立部署（Stand-alone）、保护带部署（Guard-band）、带内部署（In-band），如图2所示。
Stand-alone模式：
可以利用单独的频带，适合用于GSM频段的重耕；
Guard-band模式：
可以利用LTE系统中边缘无用
频带；
In-band模式：
可以利用LTE载波中间的任何资源块。
◆RF带宽180kHz（上行/下行）（考虑两边保护带，也被描述为200kHz）。
◆下行：
OFDMA，子载波间隔15kHz。
◆上行：
SC-FDMA，Single-tone：
3.75kHz/15kHz，
Multi-tone：
15kHz。
◆仅需支持半双工。
◆终端支持对Single-tone和Multi-tone能力的指示。
◆MAC/RLC/PDCP/RRC层处理基于已有的LTE流程和协议，物理层进行相关优化。
◆设计单独的同步信号。
图2NB-IoT的3种不同部署方式
TR45.820中对速率的预期指标要求是上下行至少支持160kbps，目前NB-IoT速率预估的范围为下行小于250kbps，上行小于250kbps（Multi-tone）/20kbps
（Single-tone）。
根据TR45.820中典型业务模型下的仿真测试数据，单小区可支持5万个NB-IoT终端接入。
终端模块的成本对于物联网技术发展至关重要，特别是巨量接入的物联网应用场景，而NB-IoT模块的成本预估可控制在5美金以内，甚至更低。
（2）覆盖增强、低时延敏感
根据TR45.820的仿真数据，可以确定在独立部署
方式下，NB-IoT覆盖能力应也可达164dB，带内部署
和保护带部署还有待仿真测试。
NB-IoT为实现覆盖增强采用了重传（可达200次）和低阶调制等机制，目前是否NB-IoT不需支持16QAM仍在被讨论中。
同时在耦合耗损达164dB的环境下，如果提供可靠的数据传输，由于大量数据重传将导致时延增加，TR45.820中仿真测试了异常报告业务场景、保证99%可靠性、不同耦合耗损环境下的时延（区分有无头压缩），结果如表3所示。
目前3GPPIoT设想允许时延约为10s，但实际可以支持更低时延，如6s左右（最大耦合耗损环境），更详细可查阅TR45.820中NB-CIoT的仿真结果。
表3异常报告业务场景、保证99%可靠性、不同耦合耗损环境下的时延
处理时间
发送报告无头压缩
（100byte负荷）
发送报告有头压缩
（65byte负荷）
耦合耗损/dB
耦合耗损/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上行数据/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上行数据/ms
152
549
2755
93
382
1964
总时间/ms
4236
4525
9911
4152
4338
7851
（3）不支持连接态的移动性管理
NB-IoT最初就被设想为适用于移动性支持不强的应用场景（如智能抄表、智能停车），同时也可简化终端的复杂度、降低终端功耗，Rel-13中NB-IoT将不支持连接态的移动性管理，包括相关测量、测量报告、切换等。
（4）低功耗
NB-IoT借助PSM和eDRX可实现更长待机。
其中PSM（PowerSavingMode，节电模式）技术是Rel-12中新增的功能，在此模式下，终端仍旧注册在网但信令不可达，从而使终端更长时间驻留在深睡眠以达到省电的目的。
eDRX是Rel-13中新增的功能，进一步延长终端在空闲模式下的睡眠周期，减少接收单元不必要的启动，相对于PSM，大幅度提升了下行可达性。
PSM和eDRX节电机制如图3所示：
图3PSM和eDRX节电机制
NB-IoT目标是对于典型的低速率、低频次业务模型，等容量电池寿命可达10年以上。
根据TR45.820的仿真数据，在耦合耗损164dB的恶劣环境，PSM和eDRX均部署，如果终端每天发送一次200byte报文，5瓦时电池寿命可达12.8年，如表4所示：
表4集成PA的电池寿命估算
电池寿命/年
报文大小/
报告间隔
耦合耗损
=144dB
耦合耗损
=154dB
耦合耗损
=164dB
50字节/2小时
22.4
11.0
2.5
200字节/2小时
18.2
5.9
1.5
50字节/1天
36.0
31.6
17.5
200字节/1天
34.9
26.2
12.8
5基于NB-IoT的业务
考虑NB-IoT的特性，NB-IoT技术可满足对低功耗/长待机、深覆盖、大容量有所要求的低速率业务；同时由于对于移动性支持较差，更适合静态业务场景或非连续移动、实时传输数据的业务场景，并且业务对时延低敏感，可以考虑的业务类型如下：
◆自主异常报告业务类型。
如烟雾报警探测器、智能电表停电的通知等，上行数据极小数据量需求
（十字节量级），周期多以年、月为单位。
◆自主周期报告业务类型。
如智能公用事业（煤气/水/电）测量报告、智能农业、智能环境等，上行较小数据量需求（百字节量级），周期多以天、小时为单位。
◆网络指令业务类型。
如开启/关闭、设备触发发送上行报告、请求抄表，下行极小数据量需求（十字节量级），周期多以天、小时为单位。
◆软件更新业务类型。
如软件补丁/更新，上行下
行较大数据量需求（千字节量级），周期多以天、小
时为单位。
华为已与全球多家运营商在中国、德国、西班牙、阿联酋等国共同完成了基于NB-IoT技术智能水表、智能停车、智能垃圾箱业务的功能验证。
其中沃达丰和华为于2015年底在西班牙完成了NB-IoT预标准的第一个试商用测试，成功地将NB-IoT技术整合到沃达丰现有移动网络中，发送NB-IoT消息给水表中的物联网模块，水表的放置环境通常在壁橱等隐蔽环境，且水表无法外接电源，NB-IoT可有效解决覆盖及功耗等问题。
华为与中国联通、中国移动也均已开始商用测试和合作，其中2015年MWC，华为联合上海联通部署首个基于商用网络的智能停车实验网络。
由于NB-IoT标准化未完成，目前的试商用都是非标的方案，不过与最终冻结的标准NB-IoT业务效果相比，差异应该并不大。
6结束语
NB-IoT是技术演进和市场竞争的综合产物，由于未来的市场被一致看好，设备厂商在标准制定过程中曾激烈争夺话语权，但预期达到的特性指标仍是基本一致的，标准也仍在加速制定中。
目前产业链也在积极地开展试验测试及试商用，在不远的将来，NB-IoT将很可能被广泛应用在不同的垂直行业，并就此开启万物互连的新领域、新时代。
升级会员 