最新NBIoT的产生背景标准发展以及特性和业务研究.docx

1、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（Narrowband I

2、nternet of Things，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。2 NB-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LPW

3、AN（Low-Power Wide-Area Network，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

4、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。2.2 3GPP MTC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、Sigf

5、ox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（Study Item，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

6、高带宽、高速率的catogery 6、catogery 9 等终端类型的同时，也新定义了更低成本、支持更低 功耗的catogery 0（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。3 NB-IoT的标准情况3.1 NB-IoT的立项过程在 3 GPP 标 准制 定中 ，增

7、 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（Technical Report，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（Work Item，工作项目），通过工作项目输 出TS（Technical Specification，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（Extended Coverage-GSM），NB- CIoT技术和NB-LTE技术

8、。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 2 015 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1 3GPP Rel-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 LT E 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 LT E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

9、 杂 度 、降 低 功 耗 和时 延 、 与 GSM/ UMT S/ LT E 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。3.2 NB-IoT的标准进展NB-IoT 的 3GP P 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

10、在2016年12月完成，详细情况如表2 所示。4 NB-IoT的特性3GPP NB-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1 NB-IoT的立项过程2014年5月2015年8

11、月 GERAN SI（TR45.820）2015年9月RAN#69 WI立项（RP-151621）2015年12月RAN#70NB-IoT WID（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： OFDM A ，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 ：FDMA15k

12、HzNB-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：Bandalone、Guard-band、In-band1，3，5，8，12，13，17，19，20，26，28表2 NB-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) Internet of Things2015年9月2016年12月SA TSGStage 2 of

13、 CIoT2015年10月2015年10月（业务和系统Security Aspects of CIoT (aka NB-IoT)2015年11月2016年6月技术规范组）CT TSGCT aspects of CIoT2015年12月2016年3月CT1 aspects of CIoT（核心网和CT3 aspects of CIoT终端技术CT4 aspects of CIoTnum=alltrim(str(i)规范组）CT6 aspects of CIoT991101 大宝 06/17/72 男 56 4 Memo【答案】D【答案】Enterset talk onRAN TSGRAN asp

14、ects of CIoT36. 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aka Narrowband Internetof Things (IoT)Core part: Narrowband Internet of Things (IoT)2015年9月2016年6月（无线接入网Perf. part: Narrowband Internet of Things (IoT)2015年12月2016年9月技术规范组）UE Conforma

15、nce Test Aspects - Narrowband Internet of Things (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 （ S tand- 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-ba nd 模式：可以利用 LT E 载波中间的任何资 源块。 RF带宽

16、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2 NB-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

17、（Multi-tone）/20kbps（ Si ngl e -t one ）。根据 T R45.820 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

18、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3GPP IoT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（100 byte负荷）发送报告有头压缩（65 byte负荷）耦合耗损/dB耦合耗损/dB14415416414

19、4154164Tsync/ms50050011255005001125TPSI/ms550550550550550550TPRACH/ms142142142142142142T上行分配/ms908921976908921976T上行数据/ms1525492755933821964T上行Ack/ms933393632958540154T上行分配/ms908921976908921976T上行数据/ms1525492755933821964总时间/ms423645259911415243387851（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

20、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（Power Saving Mode，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3 PSM和eDRX节电机

21、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 1 6 4d B 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=164dB50 字节 /2 小时22.411.02.5200 字节 /2 小时18.25.91.550 字节 /1 天36.031.617.5200 字节 /1 天34.926.212.8

22、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

23、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。