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新一代蜂窝物联网热点技术对比解析

发布日期:2017-06-12  浏览次数:136    分享到:
核心提示: 1 引言  随着互联网、移动互联网的飞速发展,物联网迎来爆发期。由此带来海量化、多样性的连接需求,也推动了一个由蜂窝技…
      1 引言
 
  随着互联网、移动互联网的飞速发展,物联网迎来爆发期。由此带来海量化、多样性的连接需求,也推动了一个由蜂窝技术实现联网、由万物组成的全新智能生态系统的出现。基于LTE技术的物联网是全新的物联网技术,为物联网的应用带来诸多优势,包括广泛深化的网络覆盖、可预见的服务质量,高可靠、稳定的端到端安全性和全球标准支持的无缝互操作性,将为物联网带来更多机会。
 
  2 eMTC和NB-IoT的标准形成过程
 
  LTE已形成完整的物联网标准序列,可满足覆盖数据率、成本、耗电量从高到低的各种物联网需求。
 
  3GPP一直将物联网作为LTE的重要演进方向。在LTE的第一个版本R8中,除了有满足宽带多媒体应用的Cat3、Cat4、Cat5等终端等级外,也有上行峰值速率仅有5Mbit/s的终端等级Cat1,可用于物联网等“低速率”应用。在LTE发展初期,Cat1并没有被业界所关注,随着可穿戴设备的逐渐普及,才逐渐被业界重视。由于Cat1终端需要使用2根天线,对体积敏感度极高的可穿戴设备来说仍然“要求过高”,因此在实际商用中一般只配备1根天线。
 
  在R12/R13中,3GPP多次针对物联网做进一步优化。首先是在R12中增加了新终端等级Cat0,放弃了对MIMO的支持,简化为半双工,峰值速率降低为1Mbit/s,终端复杂度降低为普通LTE终端的40%,初步达到了物联网的成本要求。Cat0终端的信道带宽降至1.4MHz,但射频的接收带宽仍为20MHz。于是,3GPP在R13中又新增Cat M1等级的终端,信道带宽和射频接收带宽均为1.4MHz,终端复杂度进一步降低。因此业界普遍认为Cat0是个过渡版本,Cat M1才是真正适用于物联网的终端类型。Cat M1对应的LTE物联网技术也被称为增强型机器类型通信(eMTC)。
 
  3GPP在R13中同时新增面向远程抄表等更低速率、低成本、长电池寿命等物联网应用的新型终端类型(Cat NB-1),接收带宽仅200kHz的“窄带物联网”(NB-IoT)标准。NB-IoT采用更窄的带宽,上行3.75kHz的单子载波(SingleTone)传输方式,扩展DRX周期等特性,进一步降低功耗,提升覆盖。
 
  3 eMTC和NB-IoT的技术对比
 
  典型的LTE物联网终端类型包括Cat4、Cat1、Cat0、CatM1和NB-IoT,这5种终端类型可以覆盖数据率、成本、耗电量从高到低的各种物联网需求,形成完整的产品序列,对ZigBee、Wi-Fi等现有物联网技术形成有效的竞争。各种LTE物联网技术对比情况如表1所示。
 
  表1 各种LTE物联网技术对比
 
  eMTC是在既有LTE技术与架构上进行优化。采用LTE带内部署方式,支持TDD和FDD两种方式。eMTC和LTE在同一频段内协同工作,由基站统一进行资源分配,共用部分控制信道。因此,运营商可以在已有的LTE频段内直接部署eMTC,无需再分配单独的频谱。
 
  NB-IoT是针对物联网特性的全新设计。有LTE带内、保护带和独立部署3种方式,目前只支持FDD方式。NB-IoT更为独立,拥有一套完整的实现方案。NB-IoT采用LTE带内、保护带部署方式时可以和LTE共用频谱,采用独立部署方式时,需要单独的频谱资源。3GPP会在后续版本中对NB-IoT继续进行功能增强和优化工作,主要内容包括支持定位(E-CID、OTDOA/UTDOA)、支持多播(SC-PTM模式)、Non-Anchor PRB增强、移动性、业务连续性、低功率类型UE和TDD方式。
 
  4 eMTC和NB-IoT产业链发展情况
 
  随着移动物联网的发展,全球主流的移动系统、终端芯片等厂家都加快了eMTC和NB-IoT研发,积极开展窄带物联网的产业布局。
 
  NB-IoT和eMTC标准已经在2016年Q3到Q4全面冻结。由于物联网技术方案相对简单,产业化进程将缩短,技术门槛也相应降低。目前,国际主流的系统厂家和芯片公司纷纷投入NB-IoT和eMTC产品的研发。整体来看,NB-IoT的产业化进度略快。
 
  eMTC和NB-IoT可以很大程度上复用现有LTE的网络基础设施,通过少量设备投资,网络就可对未来NB-IoT和eMTC完成支持,并不需要重建一张新网。
 
  对于大多数在网系统设备而言,无线侧通过升级基站的方式即可支持eMTC和NB-IoT。传统核心网可以直接支持eMTC,如要支持NB-IoT功能,则需要对核心网进行一定的升级。核心网升级支持NB-IoT功能的方案有两种:一种是控制面优化方案,一种是用户面优化方案。控制面优化方案利用控制面(包含在NAS消息中)传输小数据包,不需建立空口和核心网的数据连接(用户面承载),但需要引入新功能实体C-SGN。用户面优化方案在用户面传输小数据包,空口和核心网需要为小数据业务建立数据承载,但无需引入新的功能实体。目前来看,运营商比较倾向于控制面优化的方案。
 
  5 eMTC和NB-IoT的市场应用
 
  物联网的应用场景可以大致分为3类,一是以车联网为代表的监控类业务,传输速率10Mbit/s左右,代表技术是LTE-V;二是以穿戴类为代表的交互协同类业务,传输速率小于1Mbit/s,代表技术有eMTC、LTE Cat1等;三是以远程抄表为代表的数据采集类业务,传输速率小于100Kbit/s,代表技术有NB-IoT、Lora和SigFox等。
 
  eMTC和NB-IoT二者均可用于面向低功耗广覆盖的场景,但是从表1可以看到,eMTC和NB-IoT在数据速率、覆盖能力、耗电等方面还是有差异的,因此两者的应用场景既有重合也有差异。NB-IoT的优势在低吞吐量的应用场景下将成本和功耗缩减至最低、覆盖能力强,因此NB-IoT最典型的应用场景是远程抄表类业务、公共设施监控、智能停车等。eMTC的优势是速率较高、支持移动性、支持VoLTE语音等,因此eMTC典型的应用场景是物流、可穿戴设备等。
 
  在全球来看,欧洲和中国会优先部署NB-IoT网络,美国运营商更倾向于eMTC技术。
 
  德国电信将于2017年在全欧洲推出NB-IoT网络,首先计划第二季度在德国推出,其次将扩大到荷兰、奥地利、克罗地亚、希腊、匈牙利、波兰和斯洛伐克等国。沃达丰也计划于2017年上半年在德国、爱尔兰、荷兰、西班牙、澳大利亚等国家部署NB-IoT网络。预计到2020年,沃达丰所有的LTE基站都将支持NB-IoT,其中85%的基站可以通过软件升级的方式实现。
 
  2017年初,在西班牙巴塞罗那举办的MWC 2017上,AT&T(美国和墨西哥)、KPN(荷兰)、KDDI(日本)、NTT DoCoMo(日本)、Orange、Telefonica、Telstra、TELUS和Verizon等联合宣布支持LTE-M全球部署。
 
  2016年下半年至今,中国移动、中国电信、中国联通先后在福州、鹰潭、深圳、杭州、无锡、唐山等多个城市启动了NB-IoT网络建设和应用示范。其中,江西省鹰潭市政府按照“智慧新城”规划,与中国移动、中国电信、华为、中兴等公司合作率先实现NB-IoT全域覆盖,积极打造产业链和营造生态体系,开展多项智慧新城应用试点,在国内外产生了广泛的影响。
 
  相信在不远的将来,基于NB-IoT和eMTC等蜂窝物联网热点技术的设备和应用将陆续走进人们的生活,并悄然改变人们的生活方式。更多物联网资讯请关注中科物联网

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