低速率物聯(lián)網(wǎng)蜂窩通信技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

趙靜

【摘 要】

低速率應(yīng)用占據(jù)了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的最大比重，同時這類應(yīng)用還兼具低功耗、低成本等特點。為了滿足這類應(yīng)用的需求，3GPP制定了Cat.1、Cat.0，以及標(biāo)準(zhǔn)即將凍結(jié)的Cat.M和NB-IoT。針對這些低功耗蜂窩通信技術(shù)的演進路線進行了闡述，并從技術(shù)背景、標(biāo)準(zhǔn)進展、技術(shù)參數(shù)、應(yīng)用場景、網(wǎng)絡(luò)部署等角度詳細(xì)對比了Cat.M和NB-IoT兩種超低功耗通信技術(shù)，分析了二者如何發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

【關(guān)鍵詞】

物聯(lián)網(wǎng) 低速率 低功耗 蜂窩通信 Cat.M NB-IoT

1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用向LTE MTC發(fā)展

隨著技術(shù)和相關(guān)器件的成熟，物聯(lián)網(wǎng)逐漸從概念開始落地，且蜂窩通信物聯(lián)網(wǎng)是運營商關(guān)心的重點。有數(shù)據(jù)表明，截至2015年第四季度，國內(nèi)模塊市場整體規(guī)模已超過3000萬。且據(jù)TSR預(yù)測，從2015到2020年，全球蜂窩M2M模塊應(yīng)用的主要垂直市場分別是智能交通、遠程監(jiān)測與控制、智能電表、安防以及移動支付，其總量將從9800萬片增長至1.9億。

在蜂窩通信技術(shù)層面，國內(nèi)外運營商中已有數(shù)家明確2G/3G退網(wǎng)計劃，尤其是美/日/韓運營商，因此需逐漸將承載在2G/3G網(wǎng)絡(luò)上的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用向LTE MTC發(fā)展。目前已有明確舉措的，如AT&T、Verizon均積極推動基于Cat.1的單模芯片和模塊驗證，有歐洲運營商打算推出基于Cat.1的遠程表計物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，華為聯(lián)合沃達豐開展NB-IoT試驗[1]等。

TSR數(shù)據(jù)表明，2G物聯(lián)網(wǎng)模塊目前仍然是主流產(chǎn)品（35%），3G模塊的份額持續(xù)增加（35%）；4G模塊的增速最快，預(yù)計到2020年將增至近20%的份額。LTE模塊的發(fā)貨量從2015年的450萬片增至2020年的4200萬片，其中2017年起LTE Cat.1/Cat.M技術(shù)的普及速度將最為迅速。另一家物聯(lián)網(wǎng)咨詢公司Machina Research預(yù)測，到2023年，LTE MTC有望占據(jù)所有物聯(lián)網(wǎng)裝置10%的連接方案[2]。

由于在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中低功耗低速率的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用占據(jù)了絕對主流的連接數(shù)，物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)也在向低功耗、低速率以及低成本發(fā)展。LTE Cat.1、Cat.M及NB-IoT將成為未來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的技術(shù)主流。

2 低速率低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)演進

3GPP牽頭推進LTE MTC標(biāo)準(zhǔn)制定，具體標(biāo)準(zhǔn)從R8開始，從R10快速發(fā)展，R12、R13逐步完善，相應(yīng)版本推進時間點及標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容框架如圖1所示。

Cat.6以上的終端多用于大流量的實時視頻業(yè)務(wù)，目前在物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中份額占比較小，Cat.3/4目前多以4G多模的方式運用在車載終端上。目前普遍受到業(yè)界關(guān)注的是功耗和成本都非常有優(yōu)勢的LTE Cat.1、Cat.M以及后發(fā)者NB-IoT，LTE Cat.0因成本和功耗與Cat.1區(qū)別很小，且需要網(wǎng)絡(luò)改造，目前被認(rèn)為是過渡態(tài)，很有可能不會被規(guī)模商用。

其中在2016年有望規(guī)模商用的Cat.1在R8中就已經(jīng)定義，其優(yōu)勢是無需現(xiàn)網(wǎng)改造，搭載Cat.1的終端可直接使用，且單模Cat.1芯片及模塊的價格相比4G多模具備十分明顯的優(yōu)勢。在應(yīng)用層面，Cat.1上/下行5/10Mbps的峰值速率足以滿足車載模塊及小流量的視頻應(yīng)用，同時其價格相對便宜，在對物聯(lián)網(wǎng)模塊價格不太敏感的歐美地區(qū)，Cat.1還被應(yīng)用在遠程抄表應(yīng)用中。

Cat.1產(chǎn)業(yè)鏈尚未成熟，處于快速發(fā)展階段。單模芯片廠Altair、Sequans、GCT等均重新流片推出了Cat.1芯片，高通、Intel等則采用軟件裁剪的方式推出Cat.1多模芯片。目前國內(nèi)已有模塊廠商推出Cat.1的單模模塊，Cat.1的規(guī)模商用指日可待。

而最受矚目的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，目前非Cat.M和NB-IoT莫屬，兩者如何發(fā)展，是二選一，還是協(xié)同合作，也一直是爭論的焦點。在本文會針對兩者的背景、標(biāo)準(zhǔn)進展、技術(shù)參數(shù)、引用場景等進行詳細(xì)地闡述。

3 Cat.M與NB-IoT發(fā)展之爭

Cat.M和NB-IoT都是針對物聯(lián)網(wǎng)低功耗低速率應(yīng)用的通信技術(shù)，且均在3GPP R13定義，目前標(biāo)準(zhǔn)還屬于尚未凍結(jié)的狀態(tài)，但業(yè)界的關(guān)注度已是火熱。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中低速率的應(yīng)用連接數(shù)占據(jù)絕對的優(yōu)勢，這說明Cat.M和NB-IoT大有可為。但因兩種技術(shù)對終端、網(wǎng)絡(luò)的要求均不同，該發(fā)展哪個，如何發(fā)展，也是一個急需解決的問題。

3.1 技術(shù)背景

由于LTE物聯(lián)網(wǎng)終端研究趨向低成本、低功耗及強覆蓋，3GPP于2014年9月成立了第一個Cat.M的工作組，開始了Cat.M的標(biāo)準(zhǔn)制定，并計劃在2016年的R13版本中凍結(jié)。這一切都穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)、順理成章，是產(chǎn)業(yè)鏈早已預(yù)期到的結(jié)果。

如果說Cat.M是3GPP LTE MTC演進的正規(guī)軍，那么NB-IoT則是半路殺出的強勁競爭對手。2014年5月，華為收購了Nuel公司，開始和沃達豐進行窄帶蜂窩物聯(lián)技術(shù)的研究，提出了窄帶技術(shù)NB M2M。2015年5月華為、沃達豐聯(lián)合高通一同制定了相關(guān)的上下行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，融合NB OFDMA形成了NB-CIoT。此時，愛立信和諾基亞聯(lián)合推出窄帶蜂窩技術(shù)NB-LTE，與NB-CIoT的定位較為相似。2015年7月，愛立信和華為分別向3GPP提交標(biāo)準(zhǔn)提案，由3GPP在R13版本中將兩種技術(shù)融合形成了NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)，其演進過程如圖2所示：

圖2 NB-IoT技術(shù)演進路線

NB-IoT從窄帶技術(shù)混戰(zhàn)演變?yōu)?GPP標(biāo)準(zhǔn)的“正規(guī)軍”，相關(guān)廠商積極的推動和市場真實存在的需求是兩個不可忽略的因素。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)進展與器件現(xiàn)狀

NB-IoT和Cat.M均在3GPP R13中定義，目前均未完全凍結(jié)。通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要可分為Core Part（主體功能）、性能標(biāo)準(zhǔn)及一致性測試標(biāo)準(zhǔn)等。其中主體功能標(biāo)準(zhǔn)指的是協(xié)議的具體內(nèi)容，包括信令協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)接入等，主要與開發(fā)相關(guān)；性能標(biāo)準(zhǔn)主要是各個子技術(shù)領(lǐng)域的性能，跟測試強相關(guān)；一致性測試標(biāo)準(zhǔn)，主要包括一些流程/功能的測試標(biāo)準(zhǔn)。

圖3是Cat.M與NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)時間點，可以看到在2016年3月Cat.M的主體功能標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)凍結(jié)，NB-IoT相對落后，將在2016年6月凍結(jié)。性能標(biāo)準(zhǔn)和一致性測試標(biāo)準(zhǔn)兩者均分別在2016年9月和12月凍結(jié)。當(dāng)通信技術(shù)的Core part主體功能凍結(jié)以后，廠商可以推出測試版本，開展預(yù)商用相關(guān)工作，因此與Cat.M相關(guān)的芯片廠商已經(jīng)可以研發(fā)測試版本。

在器件層面，Cat.M尚無測試版本的芯片和模塊推出，各大芯片廠商相應(yīng)地還在決策基于Cat.M的路標(biāo)計劃。

華為NB-IoT芯片及模塊研發(fā)進度較快，已迭代推出第二代測試模塊，產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)同步推進。預(yù)計3GPP標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)時，華為將有商用NB-IoT芯片和模塊推出。華為NB-IoT收發(fā)IC由英國Neul公司（2014年9月被華為收購）開發(fā)，第二代芯片名為“Boudica”，預(yù)計在2016年第一季度提供實驗樣片。模塊由瑞士u-blox提供，嵌入了控制用MCU、GPS接收IC等外圍設(shè)備。

3.3 技術(shù)參數(shù)對比

雖然都是低功耗蜂窩通信技術(shù)，Cat.M和NB-IoT在技術(shù)參數(shù)上還是存在很明顯的不同，其中最主要的差異點在帶寬、速率和覆蓋增強。

系統(tǒng)帶寬中，Cat.M為1.4MHz，NB-IoT則是200kHz。帶寬的不同除了導(dǎo)致每次傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量不同，也會影響到實際的網(wǎng)絡(luò)部署、頻點選擇等問題。

在傳輸速率上，Cat.M最大為1Mbps，NB-IoT則小于250kbps，一般簡化為200kbps。GSMA曾預(yù)測因速率的不同，使用NB-IoT技術(shù)的M2M連接會是使用Cat.M技術(shù)的1.5倍，速率的差異是導(dǎo)致二者應(yīng)用場景不同的主要原因。

在覆蓋增強方面，NB-IoT由于窄帶的優(yōu)勢比GSM多20dB+的覆蓋增益，比Cat.M多5dB+的覆蓋增益，5dB的覆蓋增益，直觀理解為可多穿透一堵墻。需要注意的是，NB-IoT需部署在1GHz以下的頻段才能達到這樣的覆蓋增強效果。

在功耗層面，從技術(shù)原理來說，NB-IoT的功耗比Cat.M更低，因此在同樣的低頻率喚醒及電池容量條件下，NB-IoT的續(xù)航時間約比Cat.M長一年。

另外兩個值得關(guān)注的參數(shù)是移動性和定位能力。因為無線資源管理RM對二者的要求不同，Cat.M的移動性較好，在小于120km/h的狀態(tài)下均可支持連接態(tài)切換；NB-IoT的移動性則較差，小于30km/h的要求基本相當(dāng)于人類步行的速度，所以可認(rèn)為基本上是不支持連接態(tài)切換的，因此NB-IoT不適用于移動性較強的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。定位能力方面，Cat.M延續(xù)了LTE的特性支持，而NB-IoT目前的版本是不支持的，但未來的版本可能會考慮支持。

關(guān)于以上這些參數(shù)的對比如表1所示，還有一些參數(shù)，如節(jié)電技術(shù)、雙工模式等就不再詳細(xì)闡述。

表1 Cat.M及NB-IoT技術(shù)參數(shù)對比

技術(shù)制式 Cat.M NB-IoT

協(xié)議版本 Rel-13 Rel-13

系統(tǒng)帶寬 1.4MHz 200kHz

速率 <1Mbps <250kbps

部署方式 帶內(nèi) 帶內(nèi)、帶外、保護帶

覆蓋增強

（相比GSM） 15dB+覆蓋增益 20dB+覆蓋增益

節(jié)電技術(shù) PSM、eDRX PSM、eDRX

續(xù)航

（兩節(jié)5號電池） 約10年（低頻喚醒） 約11年（低頻喚醒）

移動性 <120km/h的連接態(tài)切換 <30km/h的連接態(tài)切換

定位能力 支持 目前版本下不支持

雙工 全雙工或半雙工 半雙工

3.4 應(yīng)用場景

上述技術(shù)參數(shù)（如應(yīng)用速率、覆蓋增強能力、移動性、定位能力等）的不同，直接導(dǎo)致了Cat.M和NB-IoT存在較大的差異。

從應(yīng)用速率來分，Cat.M歸為低速率應(yīng)用，NB-IoT為超低速率應(yīng)用。如可穿戴手表，NB-IoT僅有的200kpbs難以滿足隨時瀏覽網(wǎng)頁的需求，需要Cat.M承載。

覆蓋增強能力方面，NB-IoT比Cat.M多5dB+，更適合環(huán)境較為惡劣、多阻擋和屏蔽的遠程抄表、城市公共設(shè)備如水管監(jiān)測等應(yīng)用。

針對移動性，NB-IoT基本不支持連接態(tài)切換，移動支付、可穿戴設(shè)備等需要頻繁移動的設(shè)備，需Cat.M的移動性才能滿足。而需要基站定位能力的應(yīng)用，如定位項圈、手表等，目前也僅有Cat.M能夠支持。

圖4是Cat.M與NB-IoT的典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，Cat.M可用在可穿戴設(shè)備、移動支付、智慧物流等，NB-IoT則主要用在遠程表計、智慧農(nóng)業(yè)、智能停車、城市公共設(shè)施監(jiān)控等領(lǐng)域。

圖4 Cat.M與NB-IoT應(yīng)用舉例

3.5 網(wǎng)絡(luò)部署及成本

因Cat.M與NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)尚未完全凍結(jié)，網(wǎng)絡(luò)部署方案仍處于討論的狀態(tài)。但因Cat.M屬于LTE的延續(xù)，基本確定的是可在現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上進行軟件升級或小成本的硬件升級。而對于NB-IoT，因和LTE機制存在較大差異，需新增信道板，硬件改動較大。

成本受到產(chǎn)品的成熟度、規(guī)模的影響，再加上二者均無成熟的芯片和模塊產(chǎn)品，目前的價格也只是一個大概的估計，量級在幾個美金。但業(yè)界普遍認(rèn)為NB-IoT會比Cat.M更加便宜，實際的情況還需要產(chǎn)品成熟后的市場檢驗。

4 結(jié)束語

通過上述多維度的分析發(fā)現(xiàn)，Cat.M與NB-IoT的應(yīng)用場景并不沖突和矛盾，而是互補并行的關(guān)系，這也解答了目前產(chǎn)業(yè)鏈困惑的二者如何選擇和發(fā)展的問題。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和手機終端最大的不同就是行業(yè)和領(lǐng)域的碎片化、需求的個性化，這直接導(dǎo)致了不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對蜂窩通信技術(shù)的要求不同，多種技術(shù)均有應(yīng)用空間和存在的必要性。我們相信，隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和技術(shù)的成熟，Cat.M與NB-IoT將挑起物聯(lián)網(wǎng)低功耗低速率應(yīng)用的大梁，助推整個物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)更加快速、科學(xué)地發(fā)展。

參考文獻：

[1] C114中國通信網(wǎng). 華為攜手沃達豐完成預(yù)標(biāo)準(zhǔn)NB-IoT應(yīng)用——智能水表商用測試[EB/OL]. （2015-12-28）. http：//www.c114.net/topic/4852/a939088.html.

[2] 環(huán)球網(wǎng). 中興物聯(lián)與Altair合作推出LTE Cat.1模塊產(chǎn)品[EB/OL]. （2016-03-11）. http：//tech.huanqiu.com/original/2016-03/8692142.html.