你好,游客 登录 注册 搜索
背景:
阅读新闻

深度研究NB-IOT

[日期:2016-07-14] 来源:物联网智库  作者:iot101君 [字体: ]
物联网

  1.引言

  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市场份额,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。

  2、NB-IoT技术的背景

  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(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。

  2.2 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、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技术在国际上的标准化情况

  3.1 NB-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工作项目,通过工作项目输出技术标准。NB-IoT的制定过程也是如此,如图1所示。

物联网

  图1 3GPP Rel-13中IoT相关项目关系简图

  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),NBCIoT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,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。

  表1 NB-IoT的立项过程

物联网

  3.2 NB-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。

  表2 NB-IoT标准工作组的时间计划

物联网

  4、NB-IoT技术的主要特性

  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,如保护带和带内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。

  (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、保护带部署、带内部署,如图2所示。

物联网

  图2 NB-IoT的3种不同部署方式

  独立部署模式: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;

  带内模式: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。

  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。

  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

物联网

  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。

  (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(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:

物联网

  图3 PSM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

物联网

  5、基于NB-IoT的主要业务举例

  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:

  (1)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。

  (2)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。

  (3)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。

  (4)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。

收藏 推荐 打印 | 录入:Cstor | 阅读:
本文评论   查看全部评论 (1)
表情: 表情 姓名: 字数
点评:
       
评论声明
  • 尊重网上道德,遵守中华人民共和国的各项有关法律法规
  • 承担一切因您的行为而直接或间接导致的民事或刑事法律责任
  • 本站管理人员有权保留或删除其管辖留言中的任意内容
  • 本站有权在网站内转载或引用您的评论
  • 参与本评论即表明您已经阅读并接受上述条款
第 1 楼
* 匿名 发表于 2016/12/23 16:21:52
这里来的人多吗?这么好的网站