NB—IoT的產生背景、標準發展以及特性和業務研究

戴國華 余駿華

【摘 要】

介紹了NB-IoT的產生背景以及物聯網通信技術的分類，并介紹了3GPP相關標準發展過程、最新狀態及計劃凍結的時間；同時對NB-IoT的特性進行了介紹和分析，包括增強覆蓋能力、低復雜度、低功耗、時延低敏感、移動性等；最后基于NB-IoT的特性，探討了基于NB-IoT的不同物聯網業務類型，并介紹了NB-IoT的業界發展情況。

【關鍵詞】

窄帶物聯網 標準 物聯網

1 引言

在西班牙巴塞羅那舉行的2016年世界移動通信大會（MWC2016）上，物聯網通信的新技術——NB-IoT（Narrowband Internet of Things，窄帶物聯網）頗受關注，成為會議的一大亮點。本文將探討NB-IoT的標準化進程、涉及的關鍵技術以及其發展情況，主要介紹NB-IoT的技術背景、3GPP標準凍結情況及相關工作組進展、低功耗/增強覆蓋/低成本等關鍵技術和特性，以及基于NB-IoT可能的物聯網業務、目前全球的實驗和商用情況等。

2 NB-IoT的產生背景

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（Low-Power Wide-Area Network，低功耗廣域網），典型的應用場景如智能抄表。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，且主要致力于在兩個方向上。

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，然而由于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，于是在2014年3月的GERAN #62會議上3GPP提出成立新的SI（Study Item，研究項目）“FS_IoT_LC”，研究演進GERAN系統和新接入系統的可行性，以支持更低復雜度、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后，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，在之后的版本演進中，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正是源于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絡側同步更新支持相關演進技術。

3 NB-IoT的標準情況

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TR（Technical Report，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WI（Work Item，工作項目），通過工作項目輸出TS（Technical Specification，技術標準）。NB-IoT的制定過程也是如此，如圖1所示。

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），NB-CIoT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：前者對于LTE而言相當于提出了一種全新的空口技術，意味著與舊版LTE網絡存在兼容問題，在網絡側理論上改動較大；而后者傾向和現有LTE網絡盡量兼容。NB-CIoT在增強室內覆蓋、支持巨量低速率終端、減少終端復雜度、降低功耗和時延、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想的指標要求，最關鍵的是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低但還是會高于GSM模塊。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。

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，最后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。

4 NB-IoT的特性

3GPP NB-IoT工作項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、低時延敏感、超低設備成本、低功耗和網絡架構優化等問題。由于NB-IoT標準還在制定中，很多提案仍在討論和提交，不同場景下的仿真結果也尚未總結，如Guard-band和In-band部署方式下的覆蓋指標。本章節將主要基于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、窄帶、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（Stand-alone）、保護帶部署（Guard-band）、帶內部署（In-band），如圖2所示。

Stand-alone模式：可以利用單獨的頻帶，適合用于GSM頻段的重耕；

Guard-band模式：可以利用LTE系統中邊緣無用頻帶；

In-band模式：可以利用LTE載波中間的任何資源塊。

◆RF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層處理基于已有的LTE流程和協議，物理層進行相關優化。

◆設計單獨的同步信號。

圖2 NB-IoT的3種不同部署方式

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速率預估的范圍為下行小于250kbps，上行小于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。終端模塊的成本對于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模塊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為實現覆蓋增強采用了重傳（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，由于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。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。

表3 異常報告業務場景、保證99%可靠性、不同耦合耗損

環境下的時延

處理時間 發送報告無頭壓縮

（100 byte負荷） 發送報告有頭壓縮

（65 byte負荷）

耦合耗損/dB 耦合耗損/dB

144 154 164 144 154 164

Tsync/ms 500 500 1125 500 500 1125

TPSI/ms 550 550 550 550 550 550

TPRACH/ms 142 142 142 142 142 142

T上行分配/ms 908 921 976 908 921 976

T上行數據/ms 152 549 2755 93 382 1964

T上行Ack/ms 933 393 632 958 540 154

T上行分配/ms 908 921 976 908 921 976

T上行數據/ms 152 549 2755 93 382 1964

總時間/ms 4236 4525 9911 4152 4338 7851

（3）不支持連接態的移動性管理

NB-IoT最初就被設想為適用于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復雜度、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，終端仍舊注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閑模式下的睡眠周期，減少接收單元不必要的啟動，相對于PSM，大幅度提升了下行可達性。PSM和eDRX節電機制如圖3所示：

圖3 PSM和eDRX節電機制

NB-IoT目標是對于典型的低速率、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 集成PA的電池壽命估算

電池壽命/年

報文大小/

報告間隔 耦合耗損

=144dB 耦合耗損

=154dB 耦合耗損

=164dB

50字節/2小時 22.4 11.0 2.5

200字節/2小時 18.2 5.9 1.5

50字節/1天 36.0 31.6 17.5

200字節/1天 34.9 26.2 12.8

5 基于NB-IoT的業務

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；同時由于對于移動性支持較差，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，并且業務對時延低敏感，可以考慮的業務類型如下：

◆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），周期多以年、月為單位。

◆自主周期報告業務類型。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），周期多以天、小時為單位。

◆網絡指令業務類型。如開啟/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），周期多以天、小時為單位。

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

華為已與全球多家運營商在中國、德國、西班牙、阿聯酋等國共同完成了基于NB-IoT技術智能水表、智能停車、智能垃圾箱業務的功能驗證。其中沃達豐和華為于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移動網絡中，發送NB-IoT消息給水表中的物聯網模塊，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于商用網絡的智能停車實驗網絡。由于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，差異應該并不大。

6 結束語

NB-IoT是技術演進和市場競爭的綜合產物，由于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，并就此開啟萬物互連的新領域、新時代。

參考文獻：

[1] 3GPP TR 23.720. Study on architecture enhancements for Cellular Internet of Things （Release 13）[S]. 2016

[2] 3GPP TR 23.770. Study on system impacts of extended Discontinuous Reception （DRX） cycle for power consumption optimization （Release 13）[S]. 2015.

[3] 3GPP TR 36.802. Narrowband Internet of Things （NB-IoT）；Technical Report for BS and UE radio transmission and reception （Release 13）[S]. 2016.

[4] 3GPP TR 36.888. Study on provision of low-cost Machine-Type Communications （MTC） User Equipments （UEs） based on LTE （Release 12）[S]. 2013.

[5] 3GPP TR 37.869. Study on Enhancements to Machine-Type Communications （MTC） and other Mobile Data Applications； Radio Access Network （RAN） aspects （Release 12）[S]. 2013.

[6] 3GPP TR 45.820. Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput Internet of Things （CIoT） （Release 13）[S]. 2015 .

[7] Errison. Cellular networks for Massive IoT—enabling low power wide area applications[EB/OL]. （2016-01-06）. http：//www.ericsson.com/tw/news/160106-cellular-networks-massive-iot_244039856_c？tagsFilter=Machine-to-machine.

[8] Kevin FLYNN. All roads lead to IoT， from GERAN to RAN[EB/OL]. （2016-01-25）. http：//www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1762-iot_geran.

[9] 李承峯，馬進國. 新增Cat.M/NB-IoT規格 LTE R13版強化MTC技術[EB/OL]. [2016-03-31]. http：//www.mem.com.tw/article_content.asp？sn=1603020015&page=2.

[10] Nokia. LTE-M—Optimizing LTE for the Internet of Things White Paper[EB/OL]. [2016-03-29]. http：//networks.nokia.com/file/34496/lte-m-optimizing-lte-for-the-internet-of-things.

[11] Ericsson， Nokia Networks. RP-141660 Further LTE Physical Layer Enhancements for MTC[EB/OL]. [2016-03-29]. ftp：//ftp.3gpp.org/tsg_ran/TSG_RAN/TSGR_65/Docs/RP-141660.zip.

[12] Qualcomm Incorporated. RP-151621 New Work Item： NarrowBand IOT （NB-IoT）[EB/OL]. [2016-03-29]. ftp：//ftp.3gpp.org/tsg_ran/TSG_RAN/TSGR_69/Docs/RP-151621.zip.

[13] RP-152284. Revised Work Item： Narrowband IoT （NB-IoT）[EB/OL]. [2016-03-29]. ftp：//ftp.3gpp.org/tsg_ran/TSG_RAN/TSGR_70/Docs/RP-152284.zip. ★