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NB-IoT发展史: 物联网从2G到NB-IoT的技术演进过程

简介

一直以来,人们通过相应的终端(电脑、手机、平板等)使用网络服务,“个人”一直是网络的用户主体。

周教授物联网开发 - 干货汇总!

 

 

一、“物网(物联网)”的差异化需求

  个人对网络质量的要求“高”且“统一”:玩网络游戏必需要低时延,下载文件或看网络视频则期望高带宽,通话需要声音清晰,而接收的短信绝不能有遗漏。

  对于移动通信网络,LoRa扩展板无线物联网网关设备制造商运营商们尽可能地维系着低时延、高带宽、广覆盖、随取随用的网络特性,以保证良好的用户体验,以及营造出丰富多姿的移动应用生态。

  对于个人通信业务,虽然用户的要求很高,但整体上对网络质量的需求是一致的,运营商只需要建立一套网络质量标准体系来建设、优化网络,就能满足大多数人对连接的需要。

  随着网络中用户终端(手机、PAD等)数量的增长逐渐趋缓,M2M应用成为了运营商网络业务的增长发力点,大量的M2M应用终端则成为了网络的用户。

  M2M应用终端(传感设备、智能终端),本质上就是物联网终端,它们通过装配无线通信模组和SIM卡,连接到运营商网络,从而构建出各类集中化、数字化的行业应用。

  不同于个人通信业务,在物联网终端构建的行业应用中,各领域应用对信息采集、传递、计算的质量要求差异很大;系统和终端部署的环境也各不相同,特别是千差万别的工业环境。

  此外,企业在构建应用时,还需要考量技术限制(供电问题、终端体积等)和成本控制(包括建设成本和运营成本)。

  因此,千姿百态的行业应用具有“个性化”的一面,使得连接的需求朝着多样性的方向发展。

 

NB-IoT一路走来

从2G到4G,移动通信网络不断更新换代…

2G:GSM

2G:GPRS/EDGE

3G:UMTS/HSPA

4G:LTE

从GPRS到LTE,移动网速越来越快。我们开玩笑讲,2G是苍井空.TXT,3G是苍井空.JPG,4G是苍井空.AVI,5G就是苍井空+VR/AR...

不过,朋友,按照你的思路联想下去,是不对的,容易误入歧途。

其实,到了4G时代,移动通信网络的发展出现了分支。

一边是大流量,一边是小数据。一边是移动宽带,一边是物联网时代。

从2G到4G,移动通信网络都只是为了连接“人”而生。但随着万物互联时代的到来,移动通信网络需面向连接“物”而演进。

为此,3GPP在Release 13制定了NB-IoT标准来应对现阶段的物联网需求,在终端支持上也多了一个与NB-IoT对应的终端等级——cat-NB1。

3GPP在Release 13定义了三种蜂窝物联网标准:EC-GSM、eMTC(LTE-M,对应Cat-M1)和NB-IoT(Cat-NB1)。

●GSM是最早的广域M2M无线连接技术,EC-GSM增强了其功能和竞争力。

●UMTS没有衍生出低功耗物联网“变体”。

●LTE-M (Cat-M1)基于LTE技术演进,属于LTE的子集。

●NB-IoT (Cat-NB1)尽管和LTE紧密相关,且可集成于现有的LTE系统之上,但认为是独立的新空口技术。

 

 

  1.物联网业务需求的差异化,体现在两个方面

  一方面,不同的终端和应用对网络特性有不同的要求。LoRa扩展板无线物联网网关设备制造商传统的网络特性包括:网络接入的距离、上下行的网络带宽、移动性的支持、还有数据收发的频率(或称为周期性)、以及安全性和数据传输质量(完整性、稳定性、时效性等)。

  这几个方面可浓缩成三个方面,为“接入距离”、“网络特性”、“网络品质”。“接入距离”主要分为近距接入和远距接入两种。

  网络的“特性”和“品质”则是体现需求差异化的主要因素,例如传感器终端的“网络特性”可能是:只有向云端发送的“上行数据”,而没有接收的“下行数据”。

  另一方面,网络还需要“照顾”原本不太被关注的终端特性,以适应各类的行业应用需求:对“能耗”和“成本”的控制。

  (1)能耗

  个人用户大多数时间都是处于宜居的环境中,智能终端常伴左右,并且在人类活动的环境中总能找到充电的“电源插头”,所以这些终端的生产厂家对电池的电量并不敏感。

  而物联网终端的工作环境相比较个人终端的工作环境,则要复杂的多。

  有些物联网终端会部署在高温高压的工业环境中,有些则远离城市、放置在人迹罕至的边远地区,还有一些可能深嵌地下或落户在溪流湖泊之中。

  很多设备需要电池的长期供电来工作,因为地理位置和工作环境无法向它们提供外部电源,更换电池的成本也异常高昂。所以,“低功耗”是保证他们持续工作的一个关键需求。

  在不少应用场景中,一小粒电池的电量需要维持某个终端“一生”的能量供给。

  (2)成本

  个人使用的终端,不论是电脑还是手机,其功能丰富、计算能力强大、应用广泛,通信模块只是其所有电子元件和机械构建中的一小部分,在总的制造成本中占比较低。

  个人终端作为较高价值的产品,用户、厂家对其通信单元的固定成本并不特别敏感。而物联网终端则不同,许多不具备联网功能的终端原本只是简易的传感器设备,其功能简单、成本低廉,相对于传感设备,价格不菲的通信模块加入其中,就可能引起成本骤升。

  在应用场景中大量部署联网的传感设备,往往需要企业下决心提高终端的成本投入。

  而与此矛盾的是:简单的传感器终端上传网络的数据量通常都很小;它们连接网络的周期长(网络的使用频次低);每一次上传信息的价值都很低。终端成本和信息价值不成比例,使得企业会在大量部署物联网终端的决策上犹豫不前。

  如何降低这些哑终端(单一的传感器终端)的通信成本,是一个迫在眉睫的难题。

  此前提及的能耗问题,如果不妥善解决,也会影响到物联网应用的运营成本:如果终端耗电过快,就需要不断地重新部署投放或更换电池。

  2.低功耗、低成本是物联网通信的一大需求

  原本的网络对应用并不敏感,LoRa扩展板无线物联网网关设备制造商只要提供统一的高质量网络通道(标准唯一),就可以满足大多数用户的需求。不论用户喜欢使用什么样的业务,都可以通过高品质的网络质量来获得通信服务,网络能够满足个人用户的大多数要求。

  然而随着行业应用的深入,网络设计和建设者必须关注到应用、终端的差异性,也就是网络需要针对终端、应用做出相应的调整和适配。

  在此前提到的网络特性和终端特性中:“距离、品质、特性”和“能耗、成本”,前后两类特性存在密切的关联关系:通信基站的信号覆盖越广(“距离长”),则基站和终端的功耗越高(“能耗高”);要实现高品质、安全可靠的网络服务(“品质高”),需要健壮的通信协议实现差错效验、身份验证、重传机制、以建立端到端的可靠连接,保证的基础就是通信模块的配置就不能低(“成本高”)

  二、NB-IoT发展历程

  运营商在推广M2M服务(物联网应用)的时候,发现企业对M2M的业务需求,不同与个人用户的需求。

  企业希望构建集中化的信息系统,与自身资产建立长久的通信连接,以便于管理和监控。

  这些资产,往往分布各地,而且数量巨大;资产上配备的通信设备可能没有外部供电的条件(即电池供电,而且可能是一次性的,既无法充电也无法更换电池);单一的传感器终端需要上报的数据量小、周期长;企业需要低廉的通信成本(包括通信资费、装配通信模块的成本费用)。

  以上这种应用场景在网络层面具有较强的统一性,所以通信领域的组织、企业期望能够对现有的通信网络技术标准进行一系列优化,以满足此类M2M业务的一致性需求。

  2013年,沃达丰与华为携手开始了新型通信标准的研究,起初他们将该通信技术称为“NB-M2M(LTE for Machine to Machine)”。

 

  2014年5月份,3GPP的GERAN组成立了新的研究项目:“FS_IoT_LC”,该项目主要研究新型的无线电接入网系统,“NB-M2M”成为了该项目研究方向之一。

 

  稍后,高通公司提交了“NB-OFDM”(Narrow Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 窄带正交频分复用)的技术方案。

  (3GPP,“第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project)”标准化组织;TSG-GERAN (GSM/EDGE Radio Access Network):负责GSM/EDGE无线接入网技术规范的制定)

 

  2015年5月,“NB-M2M”方案和“NB-OFDM方案”融合成为“NB-CIoT”(Narrow Band Cellular IoT)。该方案的融合之处主要在于:通信上行采用FDMA多址方式,而下行采用OFDM多址方式。

  2015年7月,爱立信联合中兴、诺基亚等公司,提出了“NB-LTE”(Narrow Band LTE)的技术方案。

  在2015年9月的RAN#69次全会上,经过激烈的讨论和协商,各方案的主导者将两个技术方案(“NB-CIoT”、“NB-LTE”)进行了融合,3GPP对统一后的标准工作进行了立项。

  该标准作为统一的国际标准,称为“NB-IoT(Narrow Band Internet of Things,基于蜂窝的窄带物联网)”。自此,“NB-M2M”、“NB-OFDM”、“NB-CIoT”、“NB-LTE”都成为了历史。

  2016年6月,NB-IoT的核心标准作为物联网专有协议,在3GPP Rel-13冻结。同年9月,完成NB-IoT性能部分的标准制定。2017年1月,完成NB-IoT一致性测试部分的标准制定。

 

 

 促成这几种低功耗蜂窝技术“结盟”的关键,并不仅仅是日益增长的商业诉求,还有其它新生的(非授权频段)低功耗接入技术的威胁。

  LoRa、SIGFOX、RPMA等新兴接入技术的出现,促成了3PGG中相关成员企业和组织的抱团发展。

 

3GPP是怎样设计NB-IoT的呢?

NB-IoT,甚至说目前低功耗广域网(LPWAN),其设计原则都是基于“妥协”的态度。

首先,比较传统2/3/4G网络,一些物联网主要有三大特点:

①懒

终端都很懒,大部分时间在睡觉,每天传送的数据量极低,且允许一定的传输延迟(比如,智能水表)。

②静止

并不是所有的终端都需要移动性,大量的物联网终端长期处于静止状态。

③上行为主

与“人”的连接不同,物联网的流量模型不再是以下行为主,可能是以上行为主。

这三大特点支撑了低速率和传输延迟上的技术“妥协”,从而实现覆盖增强、低功耗、低成本的蜂窝物联网。

1)减少信令开销

NB-IoT信令流程基于LTE设计,去掉了一些不必要的信令,包括在控制面和用户面均进行了优化。

原LTE信令流程:

NB-IoT信令流程①:

NB-IoT信令流程②:

2)PSM & (e-)DRX

eDRX和PSM是NB-IoT的两大省电技术。

DRX(Discontinuous Reception),即不连续接收。

手机(终端)和网络不断传送数据是很费电的。如果没有DRX,即使我们没有用手机上网,手机也需要不断的监听网络(PDCCH子帧),以保持和网络的联系,但是,这导致手机耗电太快。

因此,在LTE系统中设计了DRX,让手机周期性的进入睡眠状态(sleep state),不用时刻监听网络,只在需要的时候,手机从睡眠状态中唤醒进入wake up state后才监听网络,以达到省电的目的。

eDRX意味着扩展DRX周期,意味着终端可睡更长时间,更省电。

PSM(Power Saving Mode),即省电模式。

一些物联网终端本来就很懒,长期睡觉,而在PSM模式下,相当于关机状态,所以更加省电。

其原理是,当终端进入空闲状态,释放RRC连接后,开始启动定时器T3324,当T3324终止后,进入PSM模式,并启动T3412(周期性TAU更新)。在此期间,终端停止检测寻呼和执行任何小区/PLMN选择或MM流程。

此时,网络无法发送数据给终端或寻呼终端,网络与终端几乎失联(终端仍注册在网络中)。

 

  三、NB-IoT技术特性

  和其竞争对手一样,NB-IoT着眼于低功耗、广域覆盖的通信应用。终端的通信机制相对简单,无线通信的耗电量相对较低,适合小数据量、低频率(低吞吐率)的信息上传,信号覆盖的范围则与普通的移动网络技术基本一样,行业内将此类技术统称为“LPWAN技术”(Low Power Wide Area,低功耗广域技术)。

  NB-IoT针对M2M通信场景对原有的4G网络进行了技术优化,其对网络特性和终端特性进行了适当地平衡,以适应物联网应用的需求。

  在“距离、品质、特性”和“能耗、成本”中,保证“距离”上的广域覆盖,一定程度地降低“品质”(例如采用半双工的通信模式,不支持高带宽的数据传送),减少“特性”(例如不支持切换,即连接态的移动性管理 )。

  网络特性“缩水”的好处就是:同时也降低了终端的通信“能耗”,并可以通过简化通信模块的复杂度来降低“成本”(例如简化通信链路层的处理算法)。

  所以说,LoRa扩展板无线物联网网关设备制造商为了满足部分物联网终端的个性要求(低能耗、低成本),网络做出了“妥协”。NB-IoT是“牺牲”了一些网络特性,来满足物联网中不同以往的应用需要。

  1.部署方式

 

 

 为了便于运营商根据自由网络的条件灵活运用,NB-IoT可以在不同的无线频带上进行部署,分为三种情况:独立部署(Stand alone)、保护带部署(Guard band)、带内部署(In band)。

  Stand alone模式:利用独立的新频带或空闲频段进行部署,运营商所提的“GSM频段重耕”也属于此类模式;

  Guard band模式:利用LTE系统中边缘的保护频段。采用该模式,需要满足一些额外的技术要求(例如原LTE频段带宽要大于5Mbit/s),以避免LTE和NB-IoT之间的信号干扰。

  In band模式:利用LTE载波中间的某一段频段。为了避免干扰,3GPP要求该模式下的信号功率谱密度与LTE信号的功率谱密度不得超过6dB。

  除了Stand alone模式外,另外两种部署模式都需要考虑和原LTE系统的兼容性,部署的技术难度相对较高,网络容量相对较低。

  2.覆盖增强

  为了增强信号覆盖,在NB-IoT的下行无线信道上,网络系统通过重复向终端发送控制、业务消息(“重传机制”),再由终端对重复接受的数据进行合并,来提高数据通信的质量。

  这样的方式可以增加信号覆盖的范围,但数据重传势必将导致时延的增加,从而影响信息传递的实时性。在信号覆盖较弱的地方,虽然NB-IoT能够保证网络与终端的连通性,但对部分实时性要求较高的业务就无法保证了。

  在NB-IoT的上行信道上,同样也支持无线信道上的数据重传。

  此外,终端信号在更窄的LTE带宽中发送,可以实现单位频谱上的信号增强,使PSD(Power Spectrum Density,功率谱密度)增益更大。

  通过增加功率谱密度,更利于网络接收端的信号解调,提升了上行无线信号在空中的穿透能力。

 

 

 通过上行、下行信道的优化设计,NB-IoT信号的“耦合损耗(coupling loss)”最高可以达到164dB。

  (备注: 耦合损耗,指能量从一个电路系统传播到另一个电路系统时发生的能量损耗。这里是指无线信号在空中传播的能量损耗)

  为了进一步利用网络系统的信号覆盖能力,NB-IoT还根据信号覆盖的强度进行了分级(CE Level),并实现“寻呼优化”:引入PTW(寻呼传输窗),允许网络在一个PTW内多次寻呼UE,并根据覆盖等级调整寻呼次数。

  常规覆盖(Normal Coverage),其MCL(Maximum Coupling Loss,最大耦合损耗)小于144dB,与目前的GPRS覆盖一致。

  扩展覆盖(Extended Coverage),其MCL介于144dB与154dB之间,相对GPRS覆盖有10dB的增强。

  极端覆盖(Extreme Coverage),其MCL最高可达164dB,相对GPRS覆盖强度提升了20dB。

  3. NB-IoT低功耗的实现

  LoRa扩展板无线物联网网关设备制造商要终端通信模块低功耗运行,最好的办法就是尽量地让其“休眠”。

  NB-IoT有两种模式,可以使得通信模块只在约定的一段很短暂的时间段内,监听网络对其的寻呼,其它时间则都处于关闭的状态。

  这两种“省电”模式为:PSM(power saving mode,省电模式)和eDRX(Extended Discontinuous Reception,扩展的不连续接收)

  (1) PSM模式

  在PSM模式下,终端设备的通信模块进入空闲状态一段时间后,会关闭其信号的收发以及接入层的相关功能。当设备处于这种局部关机状态的时候,即进入了省电模式-PSM。

  终端以此可以减少通信元器件(天线、射频等)的能源消耗。

  终端进入省电模式期间,网络是无法访问到该终端。

  从语音通话的角度来说,即“无法被叫”。

  大多数情况下,采用PSM的终端,超过99%的时间都处于休眠的状态,主要有两种方式可以激活他们和网络的通信:

  当终端自身有连接网络的需求时,它会退出PSM的状态,并主动与网络进行通信,上传业务数据。

  在每一个周期性的TAU (Tracking Area Update,跟踪区更新)中,都有一小段时间处于激活的状态。

  在激活状态中,终端先进入“连接状态(Connect)”,与通信网络交互其网络、业务的数据。

  在通信完成后,终端不会立刻进入PSM状态,而是保持一段时间为“空闲状态(IDLE)”。在空闲状态状态下,终端可以接受网络的寻呼。

  在PSM的运行机制中,使用“激活定时器(Active Timer,简称AT)”控制空闲状态的时长,并由网络和终端在网络附着(Attach,终端首次登记到网络)或TAU时协商决定激活定时器的时长。终端在空闲状态下出现AT超时的时候,便进入了PSM状态。

  根据标准,终端的一个TAU周期最大可达310H(小时);“空闲状态”的时长最高可达到3.1小时(11160s)。

  从技术原理可以看出,PSM适用于那些几乎没有下行数据流量的应用。

  云端应用和终端的交互,主要依赖于终端自主性地与网络联系。绝大多数情况下,云端应用是无法实时“联系“到终端的。

  (2) PSM模式

  在PSM模式下,网络只能在每个TAU最开始的时间段内寻呼到终端(在连接状态后的空闲状态进行寻呼)。

  eDRX模式的运行不同于PSM,它引入了eDRX机制,提升了业务下行的可达性。

  (备注:DRX(Discontinuous Reception),即不连续接收。eDRX就是扩展的不连续接收。)

  eDRX模式,在一个TAU周期内,包含有多个eDRX周期,以便于网络更实时性地向其建立通信连接(寻呼)。

  eDRX的一个TAU包含一个连接状态周期和一个空闲状态周期,空闲状态周期中则包含了多个eDRX寻呼周期,每个eDRX寻呼周期又包含了一个PTW周期和一个PSM周期。

  PTW和PSM的状态会周期性地交替出现在一个TAU中,使得终端能够间歇性地处于待机的状态,等待网络对其的呼叫。

 

 

 eDRX模式下,网络和终端建立通信的方式同样:终端主动连接网络;终端在每个eDRX周期中的PTW内,接受网络对其的寻呼。

  在TAU中,最小的eDRX周期为20.48秒,最大周期为2.91小时。

  在eDRX中,最小的PTW周期为2.56秒,最大周期为40.96秒。

  在PTW中,最小的DRX周期为1.28秒,最大周期为10.24秒。

  总体而言,在TAU一致的情况下,eDRX模式相比较PSM模式,其空闲状态的分布密度更高,终端对寻呼的响应更为及时。

  eDRX模式适用的业务,一般下行数据传送的需求相对较多,但允许终端接受消息有一定的延时(例如云端需要不定期地对终端进行配置管理、日志采集等)。根据技术差异,eDRX模式在大多数情况下比PSM模式更耗电。

  4. 终端简化带来低成本

  针对数据传输品质要求不高的应用,NB-IoT具有低速率、低带宽、非实时的网路特性,这些特性使得NB-IoT终端不必向个人用户终端那样复杂,简单的构造、简化的模组电路依然能够满足物联网通信的需要。

  NB-IoT采用半双工的通信方式,终端不能够同时发送或接受信号数据,相对全双工方式的终端,减少了元器件的配置,节省了成本。

  业务低速率的数据流量,使得通信模组不需要配置大容量的缓存。低带宽,则降低了对均衡算法的要求,降低了对均衡器性能的要求。(均衡器主要用于通过计算抵消无线信道干扰)

  NB-IoT通信协议栈基于LTE设计,但它系统性地简化了协议栈,LoRa扩展板无线物联网网关设备制造商使得通信单元的软件和硬件也可以相应的降低配置:终端可以使用低成本的专用集成电路来替代高成本的通用计算芯片,来实现协议简化后的功能。这样还能够减少通信单元的整体功耗,延长电池使用寿命。

  5.业务在核心网络中的简化

  在NB-IoT的核心网络(EPC- Evolved Packet Core,即4G核心网)中,针对物联网业务的需求特性,蜂窝物联网(CIoT)定义了两种优化方案:

  CIoT EPS用户面功能优化(User Plane CIoT EPS optimisation)

  CIoT EPS控制面功能优化(Control Plane CIoT EPS optimisation)

  (1) 用户面功能优化

  “用户面功能优化”与原LTE业务的差异并不大,它的主要特性是引入RRC (无线资源控制)的“挂起/恢复(Suspend/Resume)流程”,减少了终端重复进行网络接入的信令开销。

  当终端和网络之间没有数据流量时,网络将终端置为挂起状态(Suspend),但在终端和网络中仍旧保留原有的连接配置数据。

  当终端重新发起业务时,原配置数据可以立即恢复通信连接(Resume),以此减去了重新进行RRC重配、安全验证等流程,降低了无线空口上的信令交互量。

  (2) 控制面功能优化

  “控制面功能优化”包括两种实现方式(消息传递路径)。通过这两种方式,终端不必在无线空口上和网络建立业务承载,就可以将业务数据直接传递到网络中。

  备注:通信系统的特性之一是控制与承载(业务)分离,直观的来说就是业务的控制消息(建立业务、释放业务、修改业务)和业务数据本身并不在同一条链路上混合传递。

  NB-IoT的控制面功能优化则简化了这种惯常的信息业务架构。

  CP模式的两种实现方式,即两种数据传递的路径:

 

  A.在核心网内,由MME、SCEF网元负责业务数据的转接

  在该方式中,NB-IoT引入了新的网元:SCEF(Service Capa- bility Exposure Function,服务能力开放平台)。

  物联网终端接受或发送业务数据,是通过无线信令链路进行的,而非无线业务链路。

  当终端需要上传数据时,业务数据由无线信令消息携带,直接传递到核心网的网元MME(Mobility Management Entity,4G核心网中的移动性管理实体),再由MME通过新增的SCEF网元转发到CIoT服务平台(CIoT Services,也称为AP-应用服务)。云端向终端发送业务数据的方向则和上传方向正好相反。

  路径:UE(终端)-MME-SCEF- CIoT Services

  B.在核心网内,通过MME与业务面交互业务数据

  在该方式中,终端同样通过无线信令链路收发业务数据。

  对于业务数据的上传,是由MME设备将终端的业务数据送入核心网的业务面网元SGW,再通过PGW进入互联网平台;对于下传业务数据,则由SGW传递给MME,再由MME通过无线信令消息送给终端。业务数据上传和下传的路径也是一致的。

  路径:UE(终端)-MME-SGW-PGW-CIoT Services

  按照传统流程(包括用户面优化方案),终端需要和网络先建立SRB(Signaling Radio Bearer)再建立DRB(Data Radio Bearer),才能够在无线通道上传输数据。而采用控制面优化方案(CP模式),只需要建立SRB就可以实现业务数据的收发。

  (3)功能优化模式总结

  CP方式借鉴了短距通信的一些设计思路,非常适合低频次、小数据包的上传业务,类似于短信业务。但网络中“信令面”的带宽有限,CP方式所以并不适合传递较大的业务数据包。UP模式则可以满足大数据业务的传递。

  不论是UP模式,还是CP模式,本质上都是通过无线通信流程的简化,节省了终端的通信计算和能量消耗,提升了数据传递效率。

  6.连接态的移动性管理

  最初,NB-IoT的规范是针对静态的应用场景(如智能抄表)进行设计和制定的,所以在Rel-13版本(2016年6月)中它并不支持连接状态下的移动性管理,即不支持“无线切换”。

  在随后的Rel-14版本中,NB-IoT会支持基站小区间的切换,以保证业务在移动状态下的连续性。

  四、NB-IoT的技术特性总结

  从NB-IoT的特性中可以看出,其通过“信号增强”、“寻呼优化”加强了通信覆盖的深度。主要通过三个方面,来“照顾”终端对低耗电、低成本的要求:

  1、引入了低功耗的“睡眠”模式(PSM、eDRX);

  2、降低了对通信品质要求,简化了终端设计(半双工模式、协议栈简化等);

  3、通过两种功能优化模式(CP模式、UP模式)简化流程,减少了终端和网络的交互量。

  这些对广域移动通信技术的“优化”设计,使得NB-IoT更加适合于部分物联网的场景应用,也就是LPWA(低功耗广域网)类型的应用。并且由于引入了睡眠模式,降低了通信品质的要求(主要是实时性要求),使得NB-IoT的基站比传统基站,能够接入更多的(承载LPWA业务的)终端。

  LoRa扩展板无线物联网网关设备制造商采用NB-IoT的终端可以在满足低功耗的需求下,用于较高密度部署、低频次数据采集的应用(包括固定位置的抄表、仓储和物流管理、城市公共设置的信息采集等),或者是较低密度部署、长距离通信连接的应用(包括农情监控、地质水文监测等)。

  当然,作为一种LPWAN技术,NB-IoT有其固有的局限性,它显然并不适用于要求低时延、高可靠性的业务(车联网、远程医疗),而且中等需求的业务(智能穿戴、智能家居)对于它来说也稍显“吃力”。

 

关于NB-IoT的若干问题

NB-IoT 标准会支持 TDD LTE 吗?

  目前,FDD LTE 系统支持 NB-IoT 技术,目前 TDD LTE 系统不支持 NB-IoT 技术。 NB-IoT 的物理层设计大部分沿用 LTE 系统技术,如上行采用 SC-FDMA,下行采用 OFDM。高层协议设计沿用 LTE 协议,针对其小数据包、低功耗和大连接特性进行功能增 强。核心网部分基于 S1 接口连接,支持独立部署和升级部署两种方式。

 

NB-IoT 支持基站定位吗?

  R13 不支持基站定位,但运营商网络可以做私有方案,比如基于小区 ID 的定位,不会 影响终端,只需要网络增加定位服务器以及与基站的联系即可。 R14 计划做定位增强,支持 E-CID、UTDOA 或者 OTDOA,运营商希望的定位精度目 标是在 50 米以内。

  如果从终端复杂度角度考虑,UTDOA 更好,因为对终端几乎没有影响,并且在覆盖增 强情况下(地下室 164dB),UTDOA(上行)功耗更低;如果大部分场景不需要覆盖增强,从网 络容量角度来看,OTDOA(下行)会更好。

NB-IoT 的部署方式有哪些?

  NB-IoT 支持 3 种不同部署方式,分别是独立部署、保护带部署、带内部署。 独立部署:可以利用单独的频带,适合用于 GSM 频段的重耕。 保护带部署:可以利用 LTE 系统中边缘无用频带。 带内部署:可以利用 LTE 载波中间的任何资源块。

NB-IoT 采用什么调制解调技术?

  下行采用 OFDMA,子载波间隔 15kHz。 上行采用 SC-FDMA,Single-tone:3.75kHz/15kHz,Multi-tone:15kHz。 仅需支持半双工,具有单独的同步信号。 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。

NB-IoT 基站的连接态用户数和激活用户数是多少?

  NB-IoT 比 2G/3G/4G 有 50~100 倍的上行容量提升,在同一基站的情况下,NB-IoT 可以比现有无线技术提供 50~100 倍的接入数。 200KHz 频率下面, 根据仿真测试数据, 单个基站小区可支持 5 万个 NB-IoT 终端接入。

NB-IoT 基站的覆盖范围是多少?

  NB-IoT 比 LTE 和 GPRS 基站提升了 20dB 的增益,期望能覆盖到地下车库、地下室、 地下管道等信号难以到达的地方。 根据仿真测试数据,在独立部署模式下,NB-IoT 覆盖能力可达 164dB,带内部署和保 护带部署还有待仿真测试。

NB-IoT 上下行传输速率是多少?

  NB-IoT 射频带宽为 200kHz。 下行速率:大于 160kbps,小于 250kbps。 上行速率:大于 160kbps,小于 250kbps(Multi-tone)/200kbps(Single-tone)。

NB-IoT 是否支持重传机制?

  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。

NB-IoT 是否支持语音?

  NB-IoT 在没有覆盖增强的情况下,支持的语音是 Push to Talk。 在 20dB 覆盖增强的场景,只能支持类似 Voice Mail。 NB-IoT 不支持 VoLTE, 其对时延要求太高, 高层协议栈需要 QoS 保障, 会增加成本。

NB-IoT 的芯片为什么功耗低?

  设备消耗的能量与数据量或速率有关, 单位时间内发出数据包的大小决定了功耗的大小。 NB-IoT 引入了 eDRX 省电技术和 PSM 省电模式,进一步降低了功耗,延长了电池使 用时间。 NB-IoT 可以让设备时时在线,但是通过减少不必要的信令和在 PSM 状态时不接受寻 呼信息来达到省电目的。

  在 PSM 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 省电技术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。

NB-IoT 休眠唤醒模式是否影响电池寿命?

  目前 NB-IoT 给出的工作时间是基于仿真数据提供,未考虑电池本身因素和环境因素, 比如电池的自放电和老化问题、 高低温环境影响等。 实际使用时需根据现实情况综合评估电 池供电时间。 NB-IoT 采用休眠唤醒的省电方案,电池在睡眠期间被唤醒时会收到瞬时的强电流,这 将极大影响电池寿命。 抄表类的应用通常采用锂亚硫酰氯(Li/SOCl2)电池配合超级电容。 消费类电子和其他应 用通常采用聚合物锂电池来供电。

NB-IoT 的芯片为什么便宜?

  低速率、低功耗、低带宽带来的是低成本优势。 低速率:意味着不需要大缓存,所以可以缓存小、DSP 配置低; 低功耗:意味着 RF 设计要求低,小的 PA 就能实现; 低带宽:意味着不需要复杂的均衡算法…… 这些因素使得 NB-IoT 芯片可以做得很小,因此成本就会降低。

  以某家芯片为例,NB-IoT 芯片集成了 BB、AP、Flash 和电池管理,并预留传感器集 成功能。 其中 AP 包含三个 ARM-M0 内核, 每个 M0 内核分别负责应用、 安全、 通信功能, 这样在方便进行功能管理的同时降低成本和功耗。

NB-IoT 对设备移动速率的范围是多少?

  NB-IoT 是为适用于移动性支持不强的应用场景(如智能抄表、智能停车等),同时简化 终端的复杂度、降低终端功耗。 NB-IoT 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。

   NB-IoT 的网络时延是多少?

  NB-IoT 允许时延约为 10s,但在最大耦合耗损环境中可以支持更低的时延,如 6s 左右。

3、物联网各垂直应用领域里,NB-IoT 技术的部署

NB-IoT 垂直应用领域的部署成本是什么?

  NB-IoT 垂直应用领域的部署成本包含硬件成本、网络成本、安装成本、服务成本。 若想实现应用领域的规模化,必须降低部署成本。

 

 

垂直应用领域对 NB-IoT 的关注点在哪里?

  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,更适 合静态业务、对时延低敏感、非连续移动、实时传输数据的业务场景。 1、自主异常报告业务类型: 如烟雾报警探测器、设备工作异常等,上行极小数据量(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: 如公共事业的远程抄表、环境监测等,上行较小数据量(百字节量级),周期多以天、小 时为单位。 3、远程控制指令业务类型:

  如设备远程开启/关闭、设备触发发送上行报告,下行极小数据量(十字节量级),周期 多以天、小时为单位。 4、软件远程更新业务类型: 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。

NB-IoT 的芯片厂家有哪些?

  华为海思、Qualcomm、Intel、RDA、简约纳、MTK、TI、SEQUANS、MARVELL、 NODRIC、中兴微等。 NB-IoT 芯片商主要来自 GSM/LTE Modem 公司,也有类似 WiFi/BT 的 MCU 公司。 未来,更多的 NB-IoT 芯片厂商会介入,预计在 2017 年 Q3 进入价格竞争状态。

电力抄表是否青睐 NB-IoT?

  电力抄表的场景分为用户侧通信和配网通信系统。电力负荷监控系统频段采用 230 MHz +1.8GHz 的 TD-LTE 专网。 用户电表的远程抄表采用过很多技术, 包括 GPRS、 3G、 LTE、 PLC、 Zigbee、 433MHz 等等,抄表频率的目标是 15 分钟一次采集和上传,每天 96 个点,以便实现电网的在线监 测控制。 中国等居住集中的地方主要是采用集中式抄表,主要有电力光纤集抄和 GPRS 集抄(占 比超过 50%),欧美等居住分散的地方主要采用独立抄表。 由于电力抄表供电不是问题,数据量相对较大,目前尚未体会到电力抄表利用 NB-IoT 的迫切需求。

水表抄表是否青睐 NB-IoT?

  预计 2016 年全球智能水表安装数将上升到 3250 万只, 占全部水表的比例将超过 30%。 目前, 中国智能水表安装比例仅为 15%, 预计从 2016 年起年均复合增长率超过 30%。 水表的增量市场大多采用 M-Bus 总线通信。 水表的存量市场是无线水表的机会。 无线水表的施工简单,因功耗、信号覆盖和电池寿命的问题,迫切需要 NB-IoT 技术来 解决现实的问题。

气表抄表是否青睐 NB-IoT?

  气表对安全性要求较高,需要测试时间 1-2 年。 现阶段,燃气表计开始大量使用 GPRS 通信,一周抄一次,一年资费约 6 元人民币。 目前,自动抄表成本高于人工成本,但燃气面临阶梯定价的问题。 因功耗、信号覆盖和电池寿命的问题,迫切需要 NB-IoT 技术来解决现实的问题,但前 提是解决安全性测试问题。

智能停车是否青睐 NB-IoT?

  场库停车已经有很多技术手段的落地应用, 各有特色, 目前的难题是通信网络覆盖问题。 占道停车方便了车主停车, 但不利于道路通行, 超大城市的占道停车位置呈现减少的趋 势。 占道停车通常是采用人工收费、POS 机收费、地磁车检器辅助收费等方式。 NB-IoT 技术用于车检器,可以几年不用更换电池、网络覆盖到位、节省人工成本、减 少道路拥堵、培养良好的停车习惯等。

智慧路灯是否青睐 NB-IoT?

  智慧路灯属于市政工程,供电不是问题,主要是资费。 目前主要是路段管理。也有单灯管理,采用 PLC+GPRS 方式通信,因网关固定位置, 对信号覆盖要求高。 综合性的智慧路灯,因需要 WiFi 覆盖,采用 LTE 通信。 NB-IoT 的网络覆盖优势加上资费的优势,可渗透到单灯管理的系统中。

电梯物联网是否青睐 NB-IoT?

  电梯的控制箱大多是在楼顶,通过接入 CAN 总线来获取数据。有采用 GPRS 单独通信 的模式,也有采用 Zigbee+GPRS 的组网模式。 因电梯的独立性和高值特性, NB-IoT 的网络覆盖优势,可方便管理固定资产。

智慧物流是否青睐 NB-IoT?

  高值物品跟踪通常采用 M2M+GNSS 的模式,主要用于集装箱锁、钱箱、疫苗箱等领 域。为了保证 1~3 个月的工作时间,需要很大的电池供电。 NB-IoT 技术可解决低功耗问题,但需要建立在网络覆盖到位,并且全球漫游接入。

农业物联网是否青睐 NB-IoT?

  农业物联网通常采用 M2M、Zigbee、433MHz、WiFi、有线等方式,主要问题集中 在网络覆盖、供电和成本方面。 NB-IoT 技术和传感器结合,全密封外壳,低成本、散布在田野、水下、山林,只要网 络覆盖到位,可辅助农业生产上升一个大台阶。 对于城郊和一些覆盖到位的区域, NB-IoT 可大大提升水产养殖、大棚、花卉等高附 加值的农业生产流通领域。

智能制造是否青睐 NB-IoT?

  目前很多大型厂区的无线信号覆盖很差, 有线通信方式实施困难或成本太高, 要实现智 能制造的目标,必须保证关键设备和仪器仪表等进行物联网通信。 NB-IoT 的网络覆盖能力,配合厂区的光纤网络、宽带网络等,打造一套简单行之有效 的全网覆盖能力,这是实现智能制造的基础。

垃圾桶是否青睐 NB-IoT?

  垃圾桶具有数量多、分布广、环境差、分类实施难等特点。 浙江在试点智能垃圾桶的应用,新加坡和欧洲一些城市采用 NB-IoT 技术部署垃圾桶。 大多数的出发点是监测垃圾桶的满箱, 辅助指导垃圾车的行驶路线, 以节省司机数量和 车辆油耗。 目前来看,国外部分国家因为路线较长、人力较贵等因素,通过 NB-IoT 来实现垃圾桶 的自动化管理。但国内较难实施。

消防栓是否青睐 NB-IoT?

  目前,水务公司为了让消防栓的浪费率从 30%降低到 10%,在消防栓的大栓盖增加 GPRS 通信功能,便于对消防栓的偷漏水进行平台化管理。 因功耗、信号覆盖和电池寿命的问题,迫切需要 NB-IoT 技术来解决现实的问题。

智能家居是否青睐 NB-IoT?

  智能家居的不温不火主要是因为家庭网络覆盖问题,必须通过网关,加上品牌因素、客 服因素、工程因素等导致尚未火爆便进入偃旗息鼓阶段。

  NB-IoT 技术可摆脱家庭网关的依赖,独立终端加上城市网络覆盖到位,会衍生出较好 的智能家居产业。 比较适合白色家电厂家对自身产品的全生命周期管理。

可穿戴智能设备是否青睐 NB-IoT?

  独立可穿戴设备迫切需要 NB-IoT 技术,尤其是长期的慢病监测、老人小孩和宠物的跟 踪管理,因其不依赖智能手机,可以几年不用充电,可以不丢失数据,可以做到易抛型,可 以解决目前依赖 WiFi、蓝牙通信手段的多种弊端。

智能建筑是否青睐 NB-IoT?

  智能建筑的能耗分项计量、环境监测、大型固定资产管理等,比较适合 NB-IoT 技术。 各种表计、空调、灯光、报警、温湿度、环境参数、地下空间、管道管廊等等, NB-IoT 可简化现有体系的复杂度。

报警探测器是否青睐 NB-IoT?

  家用报警探测器通常采用 9V 电池供电,多数属于本地报警。联网式报警很难普及的因 素是供电以及安装位置。NB-IoT 技术可保证设备超过 5 年的工作时间,并可提醒传感器失 效或者电池缺电,为家庭、社区、出租户等提供安全放心的便捷手段。

NB-IoT 的产品需要哪些认证?

  需要各个国家规定的入网许可证。 SIM 卡与 IMEI 号码需要绑定。

中国的 NB-IoT 产业落地会不会走在全球的前列?

  未来三年全球 M2M 物联网连接数高速增长, 中国物联网连接数将保持全球第一, 极大 促进国内物联网上层应用蓬勃发展。 截止到 2015 年年底,中国的物联网 M2M 连接数已经达到了 7400 万,占到全球物联 网 M2M 连接数的 23%,全球第一,远超美国和欧洲国家。 中国人口基数大,对智能制造、智慧物流、智能交通等方面的需求不断增加,未来中国 物联网上层应用需求也将持续蓬勃发展,创造巨大的商业价值。

中国的 NB-IoT 产业能否摆脱国外体系的依赖性?

  未来 LTE 从高速和低速两个方向上向 5G 演进, 满足物联网应用的多样化需求, 促进行 业上层应用蓬勃发展。 NB-IoT 在物联网低速、低成本领域提供通信支持,满足不同细分市场的需求。 在无人驾驶、VR、远程手术等复杂应用方面对传输带宽要求高、传输数据量极大并且 要求超低时延的应用场景,对网络技术提出了新需求,只有到 5G 规模化部署才能实现这些 物联网复杂应用场景。 物联网产业的发展趋向于扁平化, 中国的技术和市场将和全球产业链趋于同步, 最终实 现万物互联。

 

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