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    NB—IoT的產(chǎn)生背景、標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展以及特性和業(yè)務(wù)研究

    2016-05-14 16:29:41戴國(guó)華余駿華
    移動(dòng)通信 2016年7期
    關(guān)鍵詞:低功耗時(shí)延部署

    戴國(guó)華 余駿華

    【摘 要】

    介紹了NB-IoT的產(chǎn)生背景以及物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的分類,并介紹了3GPP相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展過(guò)程、最新?tīng)顟B(tài)及計(jì)劃凍結(jié)的時(shí)間;同時(shí)對(duì)NB-IoT的特性進(jìn)行了介紹和分析,包括增強(qiáng)覆蓋能力、低復(fù)雜度、低功耗、時(shí)延低敏感、移動(dòng)性等;最后基于NB-IoT的特性,探討了基于NB-IoT的不同物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)類型,并介紹了NB-IoT的業(yè)界發(fā)展情況。

    【關(guān)鍵詞】

    窄帶物聯(lián)網(wǎng) 標(biāo)準(zhǔn) 物聯(lián)網(wǎng)

    1 引言

    在西班牙巴塞羅那舉行的2016年世界移動(dòng)通信大會(huì)(MWC2016)上,物聯(lián)網(wǎng)通信的新技術(shù)——NB-IoT(Narrowband Internet of Things,窄帶物聯(lián)網(wǎng))頗受關(guān)注,成為會(huì)議的一大亮點(diǎn)。本文將探討NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程、涉及的關(guān)鍵技術(shù)以及其發(fā)展情況,主要介紹NB-IoT的技術(shù)背景、3GPP標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)情況及相關(guān)工作組進(jìn)展、低功耗/增強(qiáng)覆蓋/低成本等關(guān)鍵技術(shù)和特性,以及基于NB-IoT可能的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、目前全球的實(shí)驗(yàn)和商用情況等。

    2 NB-IoT的產(chǎn)生背景

    2.1 物聯(lián)網(wǎng)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(chǎng)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L(zhǎng)PWAN(Low-Power Wide-Area Network,低功耗廣域網(wǎng)),典型的應(yīng)用場(chǎng)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(shí)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(jìn)技術(shù),這類技術(shù)基本都在3GPP(主要制定GSM、WCDMA、LTE及其演進(jìn)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織進(jìn)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(xiàng)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(lái)IoT萬(wàn)物互聯(lián)的發(fā)展趨勢(shì),M2M通信前景也被3GPP視為標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)壯大的重要機(jī)遇,而在萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代,具備低成本、低功耗、廣覆蓋、低速率特點(diǎn)的LPWAN技術(shù)將扮演重要角色,故3GPP也一直在推動(dòng)相關(guān)機(jī)器類通信MTC技術(shù)的發(fā)展,且主要致力于在兩個(gè)方向上。

    方向一:面對(duì)非3GPP技術(shù)挑戰(zhàn),開(kāi)展GSM技術(shù)的進(jìn)一步演進(jìn)和全新接入技術(shù)的研究。長(zhǎng)期以來(lái),3GPP制式運(yùn)營(yíng)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(shì)受到威脅,于是在2014年3月的GERAN #62會(huì)議上3GPP提出成立新的SI(Study Item,研究項(xiàng)目)“FS_IoT_LC”,研究演進(jìn)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(qiáng)覆蓋等增強(qiáng)特性。

    方向二:考慮未來(lái)替代2G/3G物聯(lián)網(wǎng)模塊,研究低成本、演進(jìn)的LTE-MTC技術(shù)。進(jìn)入LTE及演進(jìn)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(chǎng)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(jìn)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(shí),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(huì)議中3GPP提出成立新的SI“LTE_MTCe2_L1”研究,進(jìn)一步研究更低成本、更低功耗、更強(qiáng)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(gè)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(jìn)技術(shù)。

    3 NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)情況

    3.1 NB-IoT的立項(xiàng)過(guò)程

    在3GPP標(biāo)準(zhǔn)制定中,增加一個(gè)新技術(shù)的典型流程是先成立一個(gè)SI,通過(guò)研究項(xiàng)目得出TR(Technical Report,技術(shù)報(bào)告),根據(jù)技術(shù)報(bào)告的研究成果,在同一個(gè)Release版本或下一個(gè)Release版本中成立一個(gè)相關(guān)的WI(Work Item,工作項(xiàng)目),通過(guò)工作項(xiàng)目輸出TS(Technical Specification,技術(shù)標(biāo)準(zhǔn))。NB-IoT的制定過(guò)程也是如此,如圖1所示。

    如圖1所示,在GERAN組“FS_IoT_LC”的研究項(xiàng)目中,主要有3項(xiàng)技術(shù)被提出,分別是:擴(kuò)展覆蓋GSM技術(shù)EC-GSM(Extended Coverage-GSM),NB-CIoT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(guó)物聯(lián)網(wǎng)公司,在2014年9月被華為收購(gòu)),NB-LTE由愛(ài)立信、中興、諾基亞等廠商聯(lián)合提出,最終在2015年9月的RAN#69次全會(huì)經(jīng)過(guò)激烈討論,最終協(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(duì)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(wèn)題,在網(wǎng)絡(luò)側(cè)理論上改動(dòng)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(qiáng)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(shí)延、與GSM/UMTS/LTE的干擾共存、對(duì)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,最關(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(huì)高于GSM模塊。NB-CIoT和NB-LTE的更詳細(xì)對(duì)比可查閱3GPP文檔 RP-151550。NB-IoT在3GPP的大致立項(xiàng)過(guò)程如表1所示。

    3.2 NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

    NB-IoT的3GPP標(biāo)準(zhǔn)核心部分將在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,最后的一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)也將在2016年12月完成,詳細(xì)情況如表2所示。

    4 NB-IoT的特性

    3GPP NB-IoT工作項(xiàng)目總體上確定將定義一種對(duì)于E-UTRAN非后向兼容、有較大變動(dòng)的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線接入新技術(shù),以解決室內(nèi)覆蓋增強(qiáng)、支持巨量低速率設(shè)備接入、低時(shí)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(wèn)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(chǎng)景下的仿真結(jié)果也尚未總結(jié),如Guard-band和In-band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(xiàng)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(dú)立部署(Stand-alone)、保護(hù)帶部署(Guard-band)、帶內(nèi)部署(In-band),如圖2所示。

    Stand-alone模式:可以利用單獨(dú)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(wú)用頻帶;

    In-band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(hù)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(duì)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(jìn)行相關(guān)優(yōu)化。

    ◆設(shè)計(jì)單獨(dú)的同步信號(hào)。

    圖2 NB-IoT的3種不同部署方式

    TR45.820中對(duì)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(cè)試數(shù)據(jù),單小區(qū)可支持5萬(wàn)個(gè)NB-IoT終端接入。終端模塊的成本對(duì)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(chǎng)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(qiáng)、低時(shí)延敏感

    根據(jù)TR45.820的仿真數(shù)據(jù),可以確定在獨(dú)立部署方式下,NB-IoT覆蓋能力應(yīng)也可達(dá)164dB,帶內(nèi)部署和保護(hù)帶部署還有待仿真測(cè)試。NB-IoT為實(shí)現(xiàn)覆蓋增強(qiáng)采用了重傳(可達(dá)200次)和低階調(diào)制等機(jī)制,目前是否NB-IoT不需支持16QAM仍在被討論中。

    同時(shí)在耦合耗損達(dá)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(shí)延增加,TR45.820中仿真測(cè)試了異常報(bào)告業(yè)務(wù)場(chǎng)景、保證99%可靠性、不同耦合耗損環(huán)境下的時(shí)延(區(qū)分有無(wú)頭壓縮),結(jié)果如表3所示。目前3GPP IoT設(shè)想允許時(shí)延約為10s,但實(shí)際可以支持更低時(shí)延,如6s左右(最大耦合耗損環(huán)境),更詳細(xì)可查閱TR45.820中NB-CIoT的仿真結(jié)果。

    表3 異常報(bào)告業(yè)務(wù)場(chǎng)景、保證99%可靠性、不同耦合耗損

    環(huán)境下的時(shí)延

    處理時(shí)間 發(fā)送報(bào)告無(wú)頭壓縮

    (100 byte負(fù)荷) 發(fā)送報(bào)告有頭壓縮

    (65 byte負(fù)荷)

    耦合耗損/dB 耦合耗損/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上行數(shù)據(jù)/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上行數(shù)據(jù)/ms 152 549 2755 93 382 1964

    總時(shí)間/ms 4236 4525 9911 4152 4338 7851

    (3)不支持連接態(tài)的移動(dòng)性管理

    NB-IoT最初就被設(shè)想為適用于移動(dòng)性支持不強(qiáng)的應(yīng)用場(chǎng)景(如智能抄表、智能停車),同時(shí)也可簡(jiǎn)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(dòng)性管理,包括相關(guān)測(cè)量、測(cè)量報(bào)告、切換等。

    (4)低功耗

    NB-IoT借助PSM和eDRX可實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)待機(jī)。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(cè)在網(wǎng)但信令不可達(dá),從而使終端更長(zhǎng)時(shí)間駐留在深睡眠以達(dá)到省電的目的。eDRX是Rel-13中新增的功能,進(jìn)一步延長(zhǎng)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(dòng),相對(duì)于PSM,大幅度提升了下行可達(dá)性。PSM和eDRX節(jié)電機(jī)制如圖3所示:

    圖3 PSM和eDRX節(jié)電機(jī)制

    NB-IoT目標(biāo)是對(duì)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(dá)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)送一次200byte報(bào)文,5瓦時(shí)電池壽命可達(dá)12.8年,如表4所示:

    表4 集成PA的電池壽命估算

    電池壽命/年

    報(bào)文大小/

    報(bào)告間隔 耦合耗損

    =144dB 耦合耗損

    =154dB 耦合耗損

    =164dB

    50字節(jié)/2小時(shí) 22.4 11.0 2.5

    200字節(jié)/2小時(shí) 18.2 5.9 1.5

    50字節(jié)/1天 36.0 31.6 17.5

    200字節(jié)/1天 34.9 26.2 12.8

    5 基于NB-IoT的業(yè)務(wù)

    考慮NB-IoT的特性, NB-IoT技術(shù)可滿足對(duì)低功耗/長(zhǎng)待機(jī)、深覆蓋、大容量有所要求的低速率業(yè)務(wù);同時(shí)由于對(duì)于移動(dòng)性支持較差,更適合靜態(tài)業(yè)務(wù)場(chǎng)景或非連續(xù)移動(dòng)、實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)場(chǎng)景,并且業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延低敏感,可以考慮的業(yè)務(wù)類型如下:

    ◆自主異常報(bào)告業(yè)務(wù)類型。如煙霧報(bào)警探測(cè)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(jí)),周期多以年、月為單位。

    ◆自主周期報(bào)告業(yè)務(wù)類型。如智能公用事業(yè)(煤氣/水/電)測(cè)量報(bào)告、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(jí)),周期多以天、小時(shí)為單位。

    ◆網(wǎng)絡(luò)指令業(yè)務(wù)類型。如開(kāi)啟/關(guān)閉、設(shè)備觸發(fā)發(fā)送上行報(bào)告、請(qǐng)求抄表,下行極小數(shù)據(jù)量需求(十字節(jié)量級(jí)),周期多以天、小時(shí)為單位。

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

    華為已與全球多家運(yùn)營(yíng)商在中國(guó)、德國(guó)、西班牙、阿聯(lián)酋等國(guó)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(yàn)證。其中沃達(dá)豐和華為于2015年底在西班牙完成了NB-IoT預(yù)標(biāo)準(zhǔn)的第一個(gè)試商用測(cè)試,成功地將NB-IoT技術(shù)整合到沃達(dá)豐現(xiàn)有移動(dòng)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(wú)法外接電源,NB-IoT可有效解決覆蓋及功耗等問(wèn)題。華為與中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)移動(dòng)也均已開(kāi)始商用測(cè)試和合作,其中2015年MWC,華為聯(lián)合上海聯(lián)通部署首個(gè)基于商用網(wǎng)絡(luò)的智能停車實(shí)驗(yàn)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(guò)與最終凍結(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)束語(yǔ)

    NB-IoT是技術(shù)演進(jìn)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的綜合產(chǎn)物,由于未來(lái)的市場(chǎng)被一致看好,設(shè)備廠商在標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中曾激烈爭(zhēng)奪話語(yǔ)權(quán),但預(yù)期達(dá)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(kāi)展試驗(yàn)測(cè)試及試商用,在不遠(yuǎn)的將來(lái),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(kāi)啟萬(wàn)物互連的新領(lǐng)域、新時(shí)代。

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