NB-IoT技術(shù)深度解析

1、引言

NB-IoT是技術(shù)演進(jìn)和市場競爭的綜合產(chǎn)物，由于未來的市場被一致看好，設(shè)備廠商在標(biāo)準(zhǔn)制定過程中曾激烈爭奪市場份額，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。

2、NB-IoT技術(shù)的背景

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LPWAN(低功耗廣域網(wǎng))，典型的應(yīng)用場景如智能抄表。

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IoT萬物互聯(lián)的發(fā)展趨勢，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：面對非3GPP技術(shù)挑戰(zhàn)，開展GSM技術(shù)的進(jìn)一步演進(jìn)和全新接入技術(shù)的研究。

長期以來，3GPP制式運(yùn)營商的物聯(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技術(shù)在國際上的標(biāo)準(zhǔn)化情況

3.1 NB-IoT的立項(xiàng)過程

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，通過研究項(xiàng)目得出技術(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)的工作項(xiàng)目，通過工作項(xiàng)目輸出技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。NB-IoT的制定過程也是如此，如圖1所示。

圖1 3GPP Rel-13中IoT相關(guān)項(xiàng)目關(guān)系簡圖

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)，NBCIoT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為英國物聯(lián)網(wǎng)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(lián)合提出，最終在2015年9月的RAN#69次全會(huì)經(jīng)過激烈討論，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)對比可查閱3GPP文檔 RP-151550。NB-IoT在3GPP的大致立項(xiàng)過程如表1所示。

表1 NB-IoT的立項(xiàng)過程

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，最后的一致性測試標(biāo)準(zhǔn)也將在2016年12月完成，詳細(xì)情況如表2所示。

表2 NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)工作組的時(shí)間計(jì)劃

4、NB-IoT技術(shù)的主要特性

3GPP NB-IoT工作項(xiàng)目總體上確定將定義一種對于E-UTRAN非后向兼容、有較大變動(dòng)的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)無線接入新技術(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，不同場景下的仿真結(jié)果也尚未總結(jié)，如保護(hù)帶和帶內(nèi)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、保護(hù)帶部署、帶內(nèi)部署，如圖2所示。