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NB-IoT(Niubility Internet of Thing),开扒这牛掰的物联网技术...


NB-IoT,Niubility Internet of Thing,即牛掰的物联网技术。


关于物联网,我们可以从这2款很有趣的应用说起...

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这不是在播限制级。这是Nake Labs推出的3D健身镜,这款智能通过3D扫描全身来跟踪您的体型变化。

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这款名为Naked(***)的智能健身镜通过对身体的扫描建立3D模型,记录体型变化,并向手机同步APP发送数据,分析您的健身效果。

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还有亚马逊那个邪恶的“一键下单”按钮...

这个东西叫Dash Button,就是一个可贴在家里的塑料按钮。比如在洗衣机上贴一个,发现洗衣液用完了,按下按钮就下单了,然后快递就嗖嗖来了... 剁手党直呼受不了...

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以上2个物联网应用,都是采用的WiFi通信技术。

物联网的无线通信技术很多,主要分为两类:一类是Zigbee、WiFi、蓝牙、Z-wave等短距离通信技术;另一类是LPWAN(low-power Wide-Area Network,低功耗广域网),即广域网通信技术。

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LPWA又可分为两类:一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术;另一类是工作于授权频谱下,3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术,比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。

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一、NB-IoT以及其标准化进展


1、RAN方面

2014年5月,华为收购了Nuel公司,开始和沃达丰进行窄带蜂窝物联技术的研究,提出了窄带技术NB M2M。2015年5月,华为、沃达丰联合高通共同制定了相关的上下行技术标准,融合NB OFDMA形成了NB-CIoT。


NB-CIoT提出了全新的空口技术,相对来说在现有LTE网络上改动较大,但NB-CIoT是提出的6大Clean Slate技术中,唯一一个满足在TSG GERAN #67会议中提出的5 大目标(提升室内覆盖性能、支持大规模设备连接、减小设备复杂性、减小功耗和时延)的蜂窝物联网技术,特别是NB-CIoT的通信模块成本低于GSM模块和NB-LTE模块。


此时,爱立信和诺基亚联合推出窄带蜂窝技术NB-LTE,与NB-CIoT的定位较为相似,但NB-LTE更倾向于与现有LTE兼容,其主要优势在于容易部署。2015年7月,爱立信和华为分别向3GPP提交标准提案。最终,在2015年9月的RAN #69会议上经过激烈讨论后协商统一,由3GPP在Rel-13版本中将两种技术融合形成了NB-IoT标准,其演进过程如图2所示。

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图2  NB-IoT技术演进路线

NB-IoT从窄带技术演变为3GPP的正式标准,相关厂商、运营商积极的推动和市场真实存在的需求是两个不可忽略的因素。


3GPP的通信技术标准主要可分为Core Part(主体功能)、性能标准及RF一致性测试标准等。其中,主体功能标准指的是协议的具体内容,包括信令协议、网络接入等,主要与开发相关;性能标准主要是各个子技术领域的性能,跟测试强相关;一致性测试标准,主要包括一些流程及功能的测试标准。


图3 是NB-IoT和eMTC标准冻结时间点,可以看到在截止2016年9月,eMTC及NB-IoT的主体功能标准、无线性能标准已经冻结。预计一致性测试标准将分别在2016年12月冻结。

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图3  NB-IoT与eMTC无线标准冻结时间点

2、SA/CT 方面


从Rel-12开始,3GPP逐步在研究MTC通信增强的核心网架构,至Rel-13开始重点研究NB-IoT及DECOR/eDECOR相关技术。3GPP SA工作组标准化路线如图4所示。

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图4  3GPP SA工作组标准化路线


3GPP核心网侧与NB-IoT相关的主体标准大部分处于stage2(业务与系统架构),预计2016下半年至2017年初启动stage3(核心网与终端)的相关工作,当前进展如图5所示。

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为了满足海量碎片化、低成本、低速率、低功耗的NB-IoT物联网应用,核心网方面主要考虑了以下方面的问题。


(1)高效地支持非频繁小包传送

面向NB-IoT进一步提高对非频繁小包传送的处理效率。由于NB-IoT终端的数量可能呈指数型增长,但每个终端的数据量及通信周期都比较低,而以现有的EPS核心网(基于S1接口)去处理此类业务,其效率将非常低且有过载的风险,因此,需要最小化整个EPS系统的信令开销,尤其是空口部分(如:RRC连接的建立和释放),此外,还需要加强EPS系统安全流程(此部分是由SA WG出)。


目前有两种优化方向,一种是基于控制面的优化方案,即通过NAS过程来传送小包;另外一种是基于用户面的优化方案,即通过RRC suspend 态在UE 和RAN节点同时缓存用户的上下文,以减少信令的交互。以上两种优化方案在TS23.401 Rel-14版本中均已加入,方案一作为必选方案,而方案二为可选方案。目前,3GPP倾向于采用基于控制的优化方案,此部分标准在CT(核心网与终端)的主体工作目前还在进行当中。


(2)使用小包传送高效地支持跟踪装置

3GPP没有专门定义此类业务的业务模型,目前还处于研究状态,预计在Rel-14版本中解决,其业务模型属于MAR(移动终端周期性上报)业务模型的变种,需要在定位、移动性、传输效率等方面有进一步的增强和优化。


(3)高效的寻呼区域管理

针对海量静止或限制移动性的终端,由于空口资源稀缺、核心网接口资源有限等原因,3GPP SA2目前还在进行寻呼优化的讨论,预计将在Rel-14中完善此部分功能。寻呼优化的主要思路是考虑仅在用户上一次接入的eNB 或小区内进行寻呼而非整个TA(初步假设,NB-IoT小区的TA code与现有eNB小区的TA code 是不同的),以节省空口及核心网的相关资源。


在同样的覆盖区域,NB-IoT 的设备是海量的,远多于传统的蜂窝终端设备。运营商在窄带频谱下运营,有可能并不能提供足够的寻呼所需资源、UE的标识(S-TMSI,IMSI)。与传统蜂窝相比,由于小数据包的消息量限制,单次寻呼消息中要包含以上标识是极为受限的;另外一方面,覆盖增强是标准中强制要求的,因此,寻呼消息可能要占用更长时间(重复发送相同的寻呼消息的间隔周期更长)。


大部分NB-IoT设备被认为是静止或很少移动的,因此可以对其寻呼范围进行限制,不需要在其所属的整个TA进行寻呼,这样可以减少对寻呼资源的消耗。但是,当UE 进入IDLE模式时,eNB上报给MME的上一次为NB-IoT UE服务的小区信息可能是不准确的(甚至静止的用户也存在这种可能)。这是因为在UE 静止的情况下,用户的主服小区的改变可能由各种原因引起,如射频负载条件改变、邻小区的射频条件改变(类似建筑物的阻挡,导致UE接入其他基站)。


(4)DECOR/eDECOR

现网部署时,核心网可能会存在多个NB-IoT的DCN(Dedicated Core Network)。根据TSG RAN侧TS23.236 的输出,NB-IoT DCN可能会同时连接到E-UTRAN和NB-IoT的RAN节点,可以根据用户类型采取两种不同方案为其选择合适的DCN。一种是重定向方案,参考TR23.707 DECOR功能;另一种是UE辅助,参考TR23.711中的eDECOR。从目前协议的进展来看,由于重定向流程会导致UE与RAN及网络侧之间产生额外的信令交互,所以DECOR部署的可能性较小,可能会作为过渡方案;而eDECOR由于对UE有影响,目前还处于初期研究阶段,将在Rel-14后期逐步完善,未来随着虚拟化网络的部署,有望被广泛采用。


(5)支持non-IP 数据类型

在M2M应用中,非I 数据使用是常见的,如6LowPAN、MQTT-S等。当此类应用部署在NB-IoT 网络时,应用服务器AS或业务能力服务器SCS与用户间的non-IP数据需要通过网络进行传送,有两种方案可供选择,一种是通过non-IP专属的PDN点对点隧道方式通过SGi接口进行传送,另外一种是通过SCEF进行传递。目前,由于CSGN与SCEF之间的T6a接口还处于初步研究阶段,而通过SGi接口传送non-IP数据可以使C-SGN统一数据出口,便于未来面向NB-IoT类业务进行计费点选择及计费模式设计,因此,SGi方式可能会被运营商优先采用。


(6)支持SMS

部分已有M2M业务是采用SMS支持的,为了能够全面的覆盖此类业务,在部署NB-IoT后,需要考虑两个问题:①是否保留联合附着以获取短信传递能力或者只进行PS 的附着;②是否会存在只使用SMS进行信息传递而无需建立任何PDN连接的终端及其解决方案。在Rel-14中会进一步完善NBIoT核心网支持SMS的解决方案,但运营商现网部署时可以根据实际需求考虑是否部署SMS功能,例如仅部署IP 及non-IP数据承载方式,主要是考虑到支持SMS功能需C-SGN与短信中心之间开通SGd接口,且需对现网短信中心进行升级改造,对CSGN也有相关功能要求。


(7)授权用户支持覆盖增强(CE)技术

对于传播环境较差的用户,例如地下管道内的设备,需要很强的穿透性能,此时需要使用CE技术以获得更好的穿透效果。但CE技术的使用,需要网络侧提供额外的资源。因此,应该对用户进行认证,对可使用CE技术的用户加以限制,以保证只有签约并得到CE授权的用户方可享受此特性,实现差异化的服务。


(8)OverLoad控制

关于减少核心网过载的风险的议题,3GPP发起了多项研究,提出了包括接入等级划分、基于eNB辅助的(在eNB侧进行拒绝、延迟、队列)等多种方案,而在TS23.401中,针对NB-IoT设备采用的拥塞控制方案是基于EPS系统原有backoff timer机制的升级,采用离散化的方式对NB-IoT设备并发请求进行处理来实现过载控制。


(9)头压缩增强

由于NB-IoT大部分应用场景使用的都是小数据包且通信频率很低,例如周期性MAR(Mobile Autonomous Reporting)和NC(Network Command)使用20~200 byte/30min或更长时间间隔的数据传输。考虑到IP 及传输层的头开销,如20 byte的IPv4 、40 byte的IPv6、8 byte 的UDP、20 byte的TCP、12 byte的RTP,为了更高效地支持海量NB-IoT/eMTC类的终端,采用头压缩增强技术势在必行。


由于非频繁的数据传输及移动性,eNB和UE中保留的头压缩上下文可能会被重置(例如,当UE进入IDLE模式或切换eNB时),如果频繁发送数据或移动,将导致数据包产生全量头开销或额外开销。此时,头压缩将是高效支持IP类小包业务的重要保障。因此,当采用基于控制面优化的小包传输的方案时,头压缩功能需要支持NB-IoT终端用户从连接态至IDLE态的转换及移动性管理。另外需注意,当non-IP类业务场景发生时,必须要将IP头压缩功能关闭,故网络侧还需要根据不同的情况来决定是否启用头压缩功能。


二、LTE-M、EC-GSM和NB-IoT

万物互联是大趋势,是发展的必然,各种物联网技术也是梭镖林立。

面对各种兴起的物联网技术,3GPP主要有三种标准:LTE-M、EC-GSM和NB-IoT,分别基于LTE演进、GSM演进和Clean Slate技术。

●LTE-M

LTE-M,即LTE-Machine-to-Machine,是基于LTE演进的物联网技术,在R12中叫Low-Cost MTC,在R13中被称为LTE enhanced MTC (eMTC),旨在基于现有的LTE载波满足物联网设备需求。

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知道LTE UE categories的朋友并不会陌生。为了适应物联网应用场景,3GPP在R11中定义了最低速率的UE设备为UE Cat-1,其上行速率为5Mbps,下行速率为10Mbps。为了进一步适应于物联网传感器的低功耗和低速率需求,到了R12,3GPP又定义了更低成本、更低功耗的Cat-0,其上下行速率为1Mbps。

●EC-GSM

EC-GSM,即扩展覆盖GSM技术(Extended Coverage-GSM)。

各种LPWA技术的兴起,传统GPRS应用于物联网的劣势凸显。2014年3月,3GPP GERAN #62会议“Cellular System Support for Ultra Low Complexity and Low Throughput Internet of Things”研究项目提出,将窄带(200 kHz)物联网技术迁移到GSM上,寻求比传统GPRS高20dB的更广的覆盖范围,并提出了5大目标:提升室内覆盖性能、支持大规模设备连接、减小设备复杂性、减小功耗和时延。2015年,TSG GERAN #67会议报告表示,EC-GSM已满足5大目标。

GERAN(GSM EDGE Radio Access Network)是GSM/EDGE 无线通信网络(Radio Access Network)的缩写。GERAN由3GPP主导,主要制定GSM标准。由于早期的蜂窝物联网技术是基于GSM的,所以一些物联网立项都是GERAN进行的。

随着技术的发展,蜂窝物联网通信需要进行重新定义,我们形象的叫做“clean-slate”方案,类似于“打扫干净屋子再请客”的说法,这就出现了NB-IoT。由于NB-IoT技术并不基于GSM,是一种clean-slate方案,所以,蜂窝物联网的工作内容转移至RAN组。GERAN将继续研究EC-GSM,直到R13 NB-IoT标准冻结。

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●NB-IoT
2015年8月,3GPP RAN开始立项研究窄带无线接入全新的空口技术,称为Clean Slate CIoT,这一Clean Slate方案覆盖了NB-CIoT。

NB-CIoT是由华为、高通和Neul联合提出,NB-LTE是由爱立信、诺基亚等厂家提出。

NB-CIoT提出了全新的空口技术,相对来说在现有LTE网络上改动较大,但NB-CIoT是提出的6大Clean Slate技术中,唯一一个满足在TSG GERAN #67会议中提出的5大目标(提升室内覆盖性能、支持大规模设备连接、减小设备复杂性、减小功耗和时延)的蜂窝物联网技术,特别是NB-CIoT的通信模块成本低于GSM模块和NB-LTE模块。

NB-LTE更倾向于与现有LTE兼容,其主要优势在于容易部署。

最终,在2015年9月的RAN #69会议上经过激烈撕逼后协商统一,NB-IoT可认为是NB-CIoT和NB-LTE的融合。

这里引用一段3GPP RAN会议报告关于蜂窝物联网技术的描述:

物联网(Internet of Thing, IoT)是未来重要技术,3GPP在R12/R13虽然也有MTC(Machine Type Communication)相关技术,但其基本做法是在既有LTE技术与架构上进行优化,并非针对物联网特性进行全新的设计。 相对于MTC技术优化的做法,蜂窝物联网(Cellular Internet of Thing, CIoT)技术项目建议针对物联网特性全新设计,不一定要相容于既有的LTE技术框架。

为了简单了解物联网标准推进过程,我们举例摘要一下华为的2个提案:

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●RP-150709 : “Views on specification for a Cellular IoT system in RAN” , Huawei

Huawei认为,如上图所示,既有的移动通信技术如LTE较适用于如智慧城市等需要高速率的应用;一些低速的技术如WiFi等可应用于智慧家庭等;针对其它需要极低速、极低成本、 低功率的应用,如智能读表(Metering)、传感器追踪(****** Tracking) 等,这是CIoT技术特别适用的场景,终端数量上也是最多的。

目前推动CIoT有两大方向: 一个是基于GSM系统持续改进的技术,另一个就是建议全新的(Clean Slate)CIoT 技术设计。

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Huawei建议RAN1~RAN4 工作小组都应将CIoT 全新技术纳入工作项目,并尽快将其列为R13工作项目。

●RP-151359 : “NB-CIoT – Deployment Scenarios” , Huawei

这是华为提出的NB-CIoT的三个应用场景:

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上图中,左图是CIoT利用GSM载波的来部署,将原本提供GSM服务的部分载波移至给CIoT使用;

中间图的部署方式是CIoT与既有网络系统独立部署,各自使用独立的频谱,彼此不会互相干扰,是最简单的部署方式,但CIoT需要一段自己的频谱;

右图是将CIoT与既有的 LTE系统共存,利用LTE频谱边缘信号强度较弱的部分部署CIoT,优点是CIoT不需要一段自己的频谱,缺点是可能发生与LTE系统干扰问题,但是,若CIoT与LTE最旁边的子载波距离200KHz以上的话,CIoT与LTE的共存干扰可被有效控制。

关于NB-CIoT和NB-LTE的区别,上几张图,有兴趣的可以看看...

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物联网技术这么多,撕逼当然很惨烈,除了NB-CIoT和NB-LTE之撕,还有NB-IoT和LTE-M之撕,当然还有3GPP下的蜂窝物联网技术与其它LPWA技术之撕…

三、NB-IoT、LoRa使用频谱

在中国的低功耗广域网领域,NB-IoT和LoRa无疑是最为热门的两种低功耗广域网(LPWAN)技术。两者形成了两大技术阵营,一方是以华为为代表的NB-IoT,另一方是以中兴为代表的LoRa。毫无疑问,无线电频谱是一种国家资源,是一种有限的资源,不可以再生,只能合理地利用。下面就看看两种技术使用的频段。


NB-IoT频段
 

NB-IoT使用了授权频段,有三种部署方式:独立部署、保护带部署、带内部署。全球主流的频段是800MHz和900MHz。中国电信会把NB-IoT部署在800MHz频段上,而中国联通会选择900MHz来部署NB-IoT,中国移动则可能会重耕现有900MHz频段。
 

下面是来自网络的一些信息:

NB-IoT属于授权频段,如同2G/3G/4G一样,是专门规划的频段,频段干扰相对少。NB-IoT网络具有电信级网络的标准,可以提供更好的信号服务质量、安全性和认证等的网络标准。可与现有的蜂窝网络基站融合更有利于快速大规模部署。运营商有成熟的电信网络产业生态链和经验,可以更好地运营NB-IoT网络。
 

从目前来看,NB-IoT网络技术的只会由上面的网络运营商来部署,其他公司或组织不能自己来部署网络。要使用NB-IoT的网络必须要等运营商把NB-IoT网络铺好,其进度与发展取决于运营商基础网络的建设。
 

LoRa频段
 

LoRa使用的是免授权ISM频段,但各国或地区的ISM频段使用情况是不同的。下表是LoRa联盟规范里提到的部分使用的频段:

在中国市场,由中兴主导的中国LoRa应用联盟(CLAA)推荐使用了470-518MHz。而470-510MHz这个频段是无线电计量仪表使用频段。《微功率(短距离)无线电设备的技术要求》中提到:在满足传输数据时,其发射机工作时间不超过5 秒的条件下,470-510MHz频段可作为民用无线电计量仪表使用频段。使用频率是470-510MHz,630-787MHz。发射功率限值:50mW(e.r.p)。
 

由于LoRa是工作在免授权频段的,无需申请即可进行网络的建设,网络架构简单,运营成本也低。LoRa联盟正在全球大力推进标准化的LoRaWAN协议,使得符合LoRaWAN规范的设备可以互联互通。中国LoRa应用联盟在LoRa基础上做了改进优化,形成了新的网络接入规范。


NB-IoT、LoRa对比
 

NB-IoT工作在授权频段,设备需要入网许可,干扰相对会少。LoRa工作在免授权频段,免授权频段的设备种类相对多,难免会受到其他无线设备的干扰。LoRa的优势在于其专利技术,即使在复杂的环境中依然能保持较高的接受灵敏度,抗干扰能力强。
 

LoRa和和NB-IoT的数据速率是不同的,LoRa数据速率可达50kbps,NB-IoT可达200kbps。两种技术的数据速率不同实际上也形成了不同的市场细分应用,可根据实际项目需求选择适合的技术。
 

NB-IoT和LoRa各有千秋,各有自己的优势。需要根据实际的项目需求情况及自身情况合理选择适当的技术。

四、总结

有人说,NB-IoT标准的出现,将撕碎Sigfox和LoRa等技术,因为支持NB-IoT的运营商要比使用Sigfox和LoRa技术的运营商拥有更大的客户群规模。

Sigfox和LoRa等技术的粉丝们表示不以为然,他们认为,NB-IoT还未商用部署,未来好几年时间内技术成本仍会居高不下。这确实是个问题,我家电冰箱才花了699元,如果装一个20美元的通信模块,成了物联网智能冰箱,价格一下涨到730元,我一定不买了,别问我为什么?穷!

不过,据说通信模块可以降到5美元以下的,我们还是应该期待的。而且,不仅是智能家居(让WiFi去玩吧),物联网的应用场景相当广泛,比如,智能泊车、自行车联网防盗、车联网、智慧城市、智慧建筑、环境监控… 

最后,我们再向大家介绍其它几大物联网通信协议...
 


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