Accelerating the IoT with Low Power Wide Area Networks
 |
來源：中国信息通信研究院官网 作者：陈凯 徐菲
隨著互聯網、行動網路的飛速發展，物聯網迎來爆發期。由此帶來海量化、多樣性的連接需求，也推動了一個由蜂窩技術實現聯網、由萬物組成的全新智慧生態系統的出現。
基於LTE技術的物聯網，是全新的物聯網技術，為物聯網的應用帶來諸多優勢，包括廣泛深化的網路覆蓋、可預見的服務品質，高可靠、穩定的端到端安全性，和全球標準支持的無縫互操作性，將為物聯網帶來更多機會。
2 eMTC和NB-IoT的標準形成過程
LTE已形成完整的物聯網標準序列，可滿足覆蓋數據率、成本、耗電量從高到低的各種物聯網需求。
3GPP一直將物聯網，作為LTE的重要演進方向。在LTE的第一個版本R8中，除了有滿足寬頻多媒體應用的Cat3、Cat4、Cat5等終端等級外，也有上行峰值速率僅有5Mbit/s的終端等級Cat1，可用於物聯網等「低速率」應用。
在LTE發展初期，Cat1並沒有被業界所關注，隨著可穿戴設備的逐漸普及，才逐漸被業界重視。由於Cat1終端需要使用2根天線，對體積敏感度極高的可穿戴設備來說，仍然「要求過高」，因此在實際商用中一般只配備1根天線。
在R12/R13中，3GPP多次針對物聯網做進一步優化。首先是在R12中增加了新終端等級Cat0，放棄了對MIMO的支持，簡化為半雙工，峰值速率降低為1Mbit/s，終端複雜度降低為普通LTE終端的40%，初步達到了物聯網的成本要求。Cat0終端的信道頻寬降至1.4MHz，但射頻的接收頻寬仍為20MHz。
於是，3GPP在R13中又新增Cat M1等級的終端，信道頻寬和射頻接收頻寬均為1.4MHz，終端複雜度進一步降低。因此業界普遍認為Cat0是個過渡版本，Cat M1才是真正適用於物聯網的終端類型。Cat M1對應的LTE物聯網技術，也被稱為增強型機器類型通信(eMTC)。
3GPP在R13中同時新增，針對遠端抄表等更低速率、低成本、長電池壽命等物聯網應用的新型終端類型(Cat NB-1)，接收頻寬僅200kHz的「窄頻物聯網」(NB-IoT)標準。NB-IoT採用更窄的頻寬，上行3.75kHz的單子載波(Single Tone)傳輸方式，擴展DRX週期等特性，進一步降低功耗，提升覆蓋。
3 eMTC和NB-IoT的技術對比
典型的LTE物聯網終端類型，包括Cat4、Cat1、Cat0、CatM1和NB-IoT，這5種終端類型可以覆蓋數據率、成本、耗電量從高到低的各種物聯網需求，形成完整的產品序列，對ZigBee、Wi-Fi等現有物聯網技術，形成有效的競爭。各種LTE物聯網技術對比情況如表1所示。
表1 各種LTE物聯網技術對比
eMTC是在既有LTE技術與架構上進行優化。採用LTE頻段內佈署方式，支持TDD和FDD兩種方式。eMTC和LTE在同一頻段內協同工作，由基地台統一進行資源分配，共用部分控制信道。因此，電信商可以在已有的LTE頻段內，直接佈署eMTC，無需再分配單獨的頻譜。
NB-IoT是針對物聯網特性的全新設計。有LTE頻段內、保護頻和獨立佈署3種方式，目前只支持FDD方式。NB-IoT更為獨立，擁有一套完整的實現方案。
NB-IoT採用LTE頻段內、保護頻段佈署方式時，可以和LTE共用頻譜，採用獨立佈署方式時，需要單獨的頻譜資源。3GPP會在後續版本中，對NB-IoT繼續進行功能增強和優化工作，主要內容包括支持定位(E-CID、OTDOA/UTDOA)、支持多播(SC-PTM模式)、Non-Anchor PRB增強、行動性、業務連續性、低功率類型UE和TDD方式。
4 eMTC和NB-IoT產業鏈發展情況
隨著行動物聯網的發展，全球主流的行動系統、終端晶片等廠家都加快了eMTC和NB-IoT研發，積極開展窄頻物聯網的產業佈局。
NB-IoT和eMTC標準，已經在2016年Q3到Q4全面凍結。由於物聯網技術方案相對簡單，產業化進程將縮短，技術門檻也相應降低。目前，國際主流的系統廠家和晶片公司，紛紛投入NB-IoT和eMTC產品的研發。整體來看，NB-IoT的產業化進度略快。
eMTC和NB-IoT可以很大程度上，複用現有LTE的網路基礎設施，透過少量設備投資，網路就可對未來NB-IoT和eMTC完成支持，並不需要重建一張新網。
對於大多數在網系統設備而言，無線側透過升級基地台的方式，即可支持eMTC和NB-IoT。傳統核心網可以直接支持eMTC，如要支持NB-IoT功能，則需要對核心網進行一定的升級。核心網升級支持NB-IoT功能的方案有兩種：一種是控制面優化方案，一種是用戶面優化方案。
控制面優化方案利用控制面(包含在NAS消息中)傳輸小數據包，不需建立空口和核心網的數據連接(用戶面承載)，但需要引入新功能實體C-SGN。
用戶面優化方案在用戶面傳輸小數據包，空口和核心網需要為小數據業務建立數據承載，但無需引入新的功能實體。目前來看，電信商比較傾向於控制面優化的方案。
5 eMTC和NB-IoT的市場應用
物聯網的應用場景可以大致分為3類：
一是以車聯網為代表的監控類業務，傳輸速率10Mbit/s左右，代表技術是LTE-V；
二是以穿戴類為代表的交互協同類業務，傳輸速率小於1Mbit/s，代表技術有eMTC、LTE Cat1等；
三是以遠端抄表為代表的數據採集類業務，傳輸速率小於100Kbit/s，代表技術有NB-IoT、Lora和SigFox等。
eMTC和NB-IoT二者，均可用於針對低功耗廣覆蓋的場景，但是從表1可以看到，eMTC和NB-IoT在數據速率、覆蓋能力、耗電等方面還是有差異的，因此兩者的應用場景，既有重疊也有差異。
NB-IoT的優勢在低吞吐量的應用場景下，將成本和功耗縮減至最低、覆蓋能力強，因此NB-IoT最典型的應用場景是遠端抄表類業務、公共設施監控、智慧停車等。
eMTC的優勢是速率較高、支持行動性、支持VoLTE語音等，因此eMTC典型的應用場景是物流、可穿戴設備等。
在全球來看，歐洲和中國會優先佈署NB-IoT網路，美國電信商更傾向於eMTC技術。
德國電信將於2017年在全歐洲推出NB-IoT網路，首先計劃第二季在德國推出，其次將擴大到荷蘭、奧地利、克羅地亞、希臘、匈牙利、波蘭和斯洛伐克等國。
沃達豐也計劃於2017年上半年在德國、愛爾蘭、荷蘭、西班牙、澳洲等國家，佈署NB-IoT網路。預計到2020年，沃達豐所有的LTE基地台，都將支持NB-IoT，其中85%的基地台可以透過軟體升級的方式實現。
2017年初，在西班牙巴塞羅那舉辦的MWC 2017上，AT&T(美國和墨西哥)、KPN(荷蘭)、KDDI(日本)、NTT DoCoMo(日本)、Orange、Telefonica、Telstra、TELUS和Verizon等聯合宣佈，支持LTE-M全球佈署。
2016年下半年至今，中國移動、中國電信、中國聯通先後在福州、鷹潭、深圳、杭州、無錫、唐山等多個城市啓動了NB-IoT網路建設和應用示範。
其中，江西省鷹潭市政府按照「智慧新城」規劃，與中國移動、中國電信、華為、中興等公司合作，率先實現NB-IoT全域覆蓋，積極打造產業鏈和營造生態體系，開展多項智慧新城應用試點，在全球產生了廣泛的影響。
相信在不遠的將來，基於NB-IoT和eMTC等，蜂窩物聯網熱點技術的設備和應用，將陸續走進人們的生活，並悄然改變人們的生活方式。
0 comments:
張貼留言