cookieOptions = {...}; .深度解析 NB-IOT 技術與 NB-IOT 市場趨勢 - 3S Market「全球智慧科技應用」市場資訊網

智慧生活設計事務所


2016年8月15日 星期一

來源:Smarttimes 



1、引言
NB-IoT是技術演進和市場競爭的綜合產物,由於未來的市場被一致看好,設備廠商在標準制定過程中曾激烈爭奪市場份額,但預期達到的特性指標,仍是基本一致的,標準也仍在加速制訂中。




2、NB-IoT技術的背景
2.1 物聯網通信技術分類
物聯網通信技術有很多種,從傳輸距離上區分,可以分為兩類:

一類是短距離通信技術,代表技術有Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等,典型的應用場景如智能家居;

另一類是廣域網通信技術,業界一般定義為LPWAN(低功耗廣域網),典型的應用場景如智慧抄表。

LPWAN技術又可分為兩類:一類是工作在非授權頻段的技術,如Lora、Sigfox等,這類技術大多是非標、自定義實現;

一類是工作在授權頻段的技術,如GSM、CDMA、WCDMA等較成熟的2G/3G蜂窩通信技術,以及目前逐漸部署應用、支持不同category終端類型的LTE,及其演進技術,這類技術基本都在3GPP(主要制定GSM、WCDMA、LTE及其演進技術的相關標準),或3GPP2(主要制定CDMA相關標準)等國際標準組織進行了標準定義。

NB-IoT即是2015年9月在3GPP標準組織中立項提出的一種新的窄帶蜂窩通信LPWAN技術。


2.2 3GPP MTC技術的發展
在NB-IoT提出之前,業界都非常認可未來IoT萬物互聯的發展趨勢,M2M通信前景也被3GPP視為標準生態壯大的重要機遇,而在萬物互聯的時代,具備低成本、低功耗、廣覆蓋、低速率特點的LPWAN技術將扮演重要角色,故3GPP也一直在推動相關機器類通信MTC技術的發展,且主要致力於在兩個方向上。

方向一:面對非3GPP技術挑戰,開展GSM技術的進一步演進和全新接入技術的研究。

長期以來,3GPP制式運營商的物聯網業務主要依靠成本低廉的GPRS模塊,然而由於Lora、Sigfox等新技術的出現,GPRS模塊在成本、功耗和覆蓋方面的傳統優勢受到威脅,於是在2014年3月的GERAN #62會議上3GPP提出,成立新的研究項目「FS_IoT_LC」,研究演進GERAN系統和新接入系統的可行性,以支持更低複雜度、更低成本、更低功耗、更強覆蓋等增強特性。

方向二:考慮未來替代2G/3G物聯網模塊,研究低成本、演進的LTE-MTC技術。

進入LTE及演進技術發展階段後,3GPP也定義了許多可適用物聯網不同業務需求場景的終端類型,Rel-8版本已定義不同速率的 catogery1-5的終端類型,在之後的版本演進中,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,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的基礎上,在2014年9月的RAN #65會議中3GPP提出成立新的SI「LTE_MTCe2_L1」研究,進一步研究更低成本、更低功耗、更強覆蓋的LTE-MTC技術。

NB-IoT正是源於方向一中全新接入技術的研究。此外,除了上述兩個方向,3GPP同樣一直在研究更低功耗的節電技術,以及在系統架構和網路側同步更新支持相關演進技術。

3、NB-IoT技術在國際上的標準化情況
3.1 NB-IoT的立項過程
在3GPP標準制定中,增加一個新技術的典型流程是先成立一個SI,通過研究項目得出技術報告,根據技術報告的研究成果,在同一個Release版本或下一個Release版本中成立一個相關的工作項目,通過工作項目輸出技術標準。

NB-IoT的制訂過程也是如此,如圖1所示。 
  图1 3GPP Rel-13中IoT相关项目关系简图
如圖1所示,在GERAN組「FS_IoT_LC」的研究項目中,主要有3項技術被提出,分別是:擴展覆蓋GSM技術EC-GSM(Extended Coverage-GSM),NBCIoT技術和NB-LTE技術。

其中NB-CIoT由華為、高通和Neul聯合提出(Neul為英國物聯網公司,在2014年9月被華為收購),NB-LTE由愛立信、中興、諾基亞等廠商聯合提出,最終在2015年9月的RAN#69次全會經過激烈討論,最終協商統一為一種技術方案,即NB-IoT。

NB-CIoT和NB-LTE相比:
前者對於LTE而言相當於提出了一種全新的空口技術,意味著與舊版LTE網路存在相容問題,在網路側理論上改動較大; 而後者傾向和現有LTE網路盡量相容。  

NB-CIoT在增強室內覆蓋、支持巨量低速率終端、減少終端複雜度、降低功耗和延時、與GSM/UMTS/LTE的干擾共存、對GSM/EDGE基地台的硬體件影響等方面,均滿足研究設想的指標要求,最關鍵的是NB-CIoT模組的成本估算,甚至可以低於GSM模組,而NB-LTE成本雖然比eMTC低,但還是會高於GSM模組。

NB-CIoT和NB-LTE的更詳細對比可查閱3GPP文檔 RP-151550。NB-IoT在3GPP的大致立項過程如表1所示。

表1 NB-IoT的立項過程
  
3.2 NB-IoT的標準進展
NB-IoT的3GPP標準核心部分將在2016年6月凍結,2016年9月將完成性能部分的標準制定,最後的一致性測試標準也將在2016年12月完成,詳細情況如表2所示。

表2 NB-IoT標準工作組的時間計劃 

4、NB-IoT技術的主要特性
3GPP NB-IoT工作項目總體上確定將定義一種對於E-UTRAN非後向相容、有較大變動的蜂窩物聯網無線接入新技術,以解決室內覆蓋增強、支持巨量低速率設備接入、低延時敏感、超低設備成本、低功耗和網路架構優化等問題。

由於NB-IoT標準還在制訂中,很多提案仍在討論和提交,不同場景下的仿真結果也尚未總結,如保護帶和帶內部署方式下的覆蓋指標。

本章節將主要基於相關工作組的項目目標描述和TR45.820的仿真數據,介紹一些NB-IoT的特性。 

(1)靈活部署、窄頻、低速率、低成本、高容量已確定的部分目標要求如下:

宜支持3 種部署方式: 獨立部署、保護頻部署、帶頻部署,如圖2所示。  

  2 NB-IoT3種不同部署方式

獨立部署模式:可以利用單獨的頻帶,適合用於GSM頻段的重耕;Guard-band模式:可以利用LTE系統中邊緣無用頻帶;

帶內模式:可以利用LTE載波中間的任何資源塊。

RF頻帶寬180kHz(上行/下行)(考慮兩邊保護帶,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Single-tone和Multi-tone能力的指示。

MAC/RLC/PDCP/RRC層處理基於已有的LTE流程和協議,物理層進行相關優化。

(1)設計單獨的同步信號。
TR45.820中對速率的預期指標要求是上下行至少支持160kbps,目前NB-IoT速率預估的範圍為下行小於250kbps,上行小於250kbps(Multi-tone)/20kbps(Single-tone)。

根據TR45.820中典型業務模型下的仿真測試數據,單小區可支持5萬個NB-IoT終端接入。

終端模組的成本,對於物聯網技術發展至關重要,特別是巨量接入的物聯網應用場景,而NB-IoT 模組的成本預估可控制在5美金以內,甚至更低。

(2)覆蓋增強、低時延敏感
根據TR45.820的仿真數據,可以確定在獨立部署方式下,NB-IoT覆蓋能力應也可達164dB,帶內部署和保護帶部署還有待仿真測試。

NB-IoT為實現覆蓋增強採用了重傳(可達200次)和低階調制等機制,目前是否NB-IoT不需支持16QAM仍在被討論中。

同時在耦合耗損達164dB的環境下,如果提供可靠的數據傳輸,由於大量數據重傳將導致時延增加,TR45.820中仿真測試了異常報告業務場景、保證99%可靠性、不同耦合耗損環境下的時延(區分有無頭壓縮),結果如表3所示。

表3 異常報告業務場景、保證99%可靠性、不同耦合耗損環境下的延時  
  
目前3GPP IoT設想允許時延約為10s,但實際可以支持更低時延,如6s左右(最大耦合耗損環境),更詳細可查閱TR45.820中NB-CIoT的仿真結果。

(3)不支持連接態的移動性管理
NB-IoT最初就被設想為適用於移動性支持不強的應用場景(如智能抄表、智能停車),同時也可簡化終端的複雜度、降低終端功耗,Rel-13中NB-IoT將不支持連接態的移動性管理,包括相關測量、測量報告、切換等。

(4)低功耗
NB-IoT借助PSM和eDRX可實現更長待機。其中PSM(Power Saving Mode,節電模式)技術是Rel-12中新增的功能,在此模式下,終端仍舊註冊在網但信令不可達,從而使終端更長時間駐留在深睡眠以達到省電的目的。

eDRX是Rel-13中新增的功能,進一步延長終端在空閒模式下的睡眠週期,減少接收單元不必要的啓動,相對於PSM,大幅度提升了下行可達性。PSM和eDRX節電機制如圖3所示: 
  图3 PSM和eDRX节电机制
NB-IoT目標是對於典型的低速率、低頻次業務模型,等容量電池壽命可達10年以上。根據TR45.820的仿真數據,在耦合耗損164dB的惡劣環境,PSM和eDRX均部署,如果終端每天發送一次200byte報文,5瓦時電池壽命可達12.8年,如表4所示:


表4 整合PA的電池壽命估算
  
5、基於NB-IoT的主要業務舉例
考慮NB-IoT的特性, NB-IoT技術可滿足對低功耗/長待機、深覆蓋、大容量有所要求的低速率業務;同時由於對於移動性支持較差,更適合靜態業務場景或非連續移動、實時傳輸數據的業務場景,並且業務對時延低敏感,可以考慮的業務類型如下:

(1)自主異常報告業務類型。如煙霧報警探測器、智能電表停電的通知等,上行數據極小數據量需求(十字節量級),週期多以年、月為單位。

(2)自主週期報告業務類型。如智能公用事業(煤氣/水/電)測量報告、智能農業、智能環境等,上行較小數據量需求(百字節量級),週期多以天、小時為單位。

(3)網路指令業務類型。如開啓/關閉、設備觸發發送上行報告、請求抄表,下行極小數據量需求(十字節量級),週期多以天、小時為單位。

(4)軟體更新業務類型。如軟件補丁/更新,上行下行較大數據量需求(千字節量級),週期多以天、小時為單位。

華為已與全球多家營運商在中國、德國、西班牙、阿聯酋等國共同完成了基於NB-IoT技術智能水表、智能停車、智能垃圾箱業務的功能驗證。

其中沃達豐和華為於2015年底在西班牙完成了NB-IoT預標準的第一個試商用測試,成功地將NB-IoT技術,整合到沃達豐現有行動網路中,發送NB-IoT消息給水表中的物聯網模組,水表的放置環境,通常在壁櫥等隱蔽環境,且水表無法外接電源,NB-IoT可有效解決覆蓋及功耗等問題。

華為與中國聯通、中國移動也均已開始商用測試和合作,其中2015年MWC,華為聯合上海聯通部署首個基於商用網路的智能停車實驗網絡。由於NB-IoT標準化未完成,目前的試商用都是非標的方案,不過與最終凍結的標準NB-IoT業務效果相比,差異應該並不大。

6、結語
NB-IoT是技術演進和市場競爭的綜合產物,由於未來的市場被一致看好,設備廠商在標準制定過程中曾激烈爭奪話語權,但預期達到的特性指標仍是基本一致的,標準也仍在加速制定中。

目前產業鏈也在積極地開展試驗測試及試商用,


在不遠的將來,NB-IoT將很可能被廣泛應用在不同的垂直行業,並就此開啓萬物互連的新領域、新時代。

                                                                                                                                                                                                                            



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