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恒扬科技

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2015-5-11
发表于 2017-2-13 09:39:18 |显示全部楼层
本帖最后由 老毛的通信员 于 2017-2-13 14:59 编辑

今日,来自鹰潭日报的一则“中国移动在鹰潭建成全国第一张地市级全域覆盖NB-IoT网络”的消息刷遍网络,截至1月22日鹰潭已完成覆盖市全域的NB-IoT网络的建设及开通,作为全国第一张地市级全域覆盖的NB-IoT网络,江西鹰潭已开通135个NB-IoT基站,在国内打响头炮。



据悉,中国移动还同步实现了NB-IoT业务终端与物联网业务平台的双向数据传输,这表明鹰潭的NB-IoT网络不仅建成了网络,而且还具备了业务的实用功能。


中国移动此前专门成立了中移物联网有限公司来发展IoT,目前针对NB-IoT与eMTC等不同的技术中国移动都有布局,并聚焦在智能连接、智能模组、智能硬件、开放平台、解决方案这五大业务方向上。

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在国内三家运营商中,中国移动IoT上相对走得更快,2016年底时中移物联网公司的模组销量已经超过一百万部。此前2016年11月份在乌镇举办的全球互联网大会上,中国移动也推出了面向物联网的芯片,这个芯片很适合物联网的工作场景,其体积小,对于复杂环境有很强应用性,同时,在智能家居、可穿戴、移动互联网领域以及安防、智能交通、智慧城市等方面,中移物联网公司也计划推出更多的产品。
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NB-IoT技术标准化及发展趋势研究

为助力运营商进行窄带物联网技术方案选择及业务模式开发,更好地把握未来技术演进方向,本文对当前NB-IoT蜂窝网络技术的标准化进展进行了总结,通过与其他LPWA技术进行对标,梳理了NB-IoT典型应用场景,并就NB-IoT未来的技术发展趋势及下一步研究方向进行分析和探讨。


关键词:NB-IoT;低功耗光域覆盖;eMTC;eDECOR;窄带物联网

引言


随着通信技术的不断发展,物联网将为个人、社会和行业提供高效链接,但这又不仅仅是简单的海量链接,更是办公、购物、医疗、教育、娱乐、交通、社交等多种垂直行业的价值环节和生产要素等资源高度融合的链接。


据思科年度可视化网络指数(VNI)预测报告统计,2015 年全球已实现网络互连的终端总数为160亿,但全世界仍有90%设备未被连接,随着物联网的飞速发展,全球IP流量将在未来4年中达到现在的3倍,到2020年,全世界将有260亿台联网设备,而其中仅物联网设备将会达到160亿台,并且超低流量、超低复杂度、超低功耗、低成本的物联网设备将占据物联网设备总量的90%以上。2015年,全球通信业对形成一个低功耗广域覆盖(LPWA)的物联网标准达成了共识,NB-IoT标准也被正式提上议事日程。


3GPP物联网相关标准化概述


随着物联网的快速发展和乐观的市场发展预期,物联网成为各个标准化组织的工作重点。物联网标准的制定是物联网发挥自身价值和优势的基础支撑,对整合不同的碎片化应用场景的共性特征,推动物联网产业的发展具有非常重要的意义。标准化工作是物联网产业竞争的制高点,只有统一了标准,不同的网络系统才能互联互通;也只有统一了标准,才能促成大规模的生产,从而降低单业务成本。


第三代合作伙伴(3GPP)各工作组对物联网的研究范围和重点各有不同,它们通过分工合作来实现对物联网技术的需求、功能、架构、安全、信令流程等的研究和标准制定。具体来说,SA1(业务与系统架构)工作组主要负责物联网业务需求和特性的分析,从而为其他各组奠定研究基础;SA2基于SA1提出的需求进行物联网总体网络优化方案的设计,包括基础网络架构、主要功能和基本流程等;SA3主要负责分析物联网通信潜在的安全威胁及安全需求,并提供可行的解决方案;CT(核心网与终端)工作组主要基于SA2的架构和功能设计,进行终端及核心网方面物联网各种优化技术的具体实现;TSG GERAN和TSG RAN中各工作组负责物联网通信在无线接入网络中的优化。


3GPP目前开展的物联网相关工作只关注基于蜂窝移动终端的场景,并不考虑无线传感器网络和移动通信网络混合组网的情况。3GPP Rel-13中物联网相关项目关系情况如图1所示。

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从图1可以看出,目前3GPP主要关注3 种基于蜂窝的物联网通信技术,分别是NB-IoT、eMTC(Cat.M)和EC-GSM。其中,EC-GSM是由于受到来自LoRa等技术的挑战,由3GPP GERAN在GSM的基础上,增加了省电模式(PSM)、增强型非连续接收(eDRX)、覆盖优化等新功能而形成的;而NB-IoT和eMTC则属于全新的RAT模式,可以基于现有的蜂窝移动通信的频谱在带内、带外、保护间隔内进行部署。


值得注意的是,以沃达丰、SK电讯等为代表的电信运营商均有准备在未来5~10年将GSM退网,以便将低频段让给NB- IoT和eMTC,从而满足未来物联网无线技术的大范围部署。


因此,EC-GSM仅有可能在对网络建设成本、网络演进等特殊考虑的情况下,在无法建设NB-IoT的场景中才会采用。而LTE-M方面,Cat.0因成本和功耗与Cat.1区别很小,且需要网络改造,目前被认为是过渡态,基本不会被规模商用。


其中,Cat.1 在R8中就已经定义,其优势是无需现网改造,搭载Cat.1的终端可直接使用,且单模Cat.1芯片及模块的价格相比LTE多模具备十分明显的优势。


在应用层面,Cat.1上/下行5/10 Mbit/s的峰值速率足以满足车载模块及小流量的视频应用;同时其价格相对便宜,在对物联网模块价格不太敏感的欧美地区,Cat.1还被应用在远程抄表应用中。


但由于LTE物联网终端研究趋向低成本、低功耗及强覆盖,3GPP于2014年9月成立了第一个Cat.M的工作组,开始了Cat.M的标准制定。截至2016年3月,Cat.M的核心标准已经冻结。


综上,未来运营商可能采用的主流的物联网通信技术将非NB-IoT和eMTC莫属,而由于NB-IoT在续航、覆盖等方面技术性能上更有优势,因此成为各方关注的焦点。


NB-IoT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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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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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。


NB-IoT技术应用场景及未来发展趋势


1、LPWA 技术对标分析


目前,低速率物联网无线通讯技术按照传输距离可以分为两类:一类是短距离的无线通讯技术,如Zigbee、Wi-Fi、蓝牙、Z-Wave等;另一类是覆盖范围相对较广的LPWA技术。其中,LPWA又可以分为两类:一类工作在非授权频谱,如LoRa、SigFox等;另一类工作在授权频谱,如NB-IoT、eMTC(Cat.M)、EC-GSM、Cat.1、Cat.0等。各LPWA 技术的覆盖范围及速率等特性如图6所示。


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根据前文分析,由于GSM存在频谱重耕的预期,而Cat.1和Cat.0模组成本相对偏高,因此,下文仅考虑NB-IoT和eMTC技术的对标。


由表1的对标分析可知,与采用非授权频谱的典型技术SigFox、LoRa相比,使用授权频谱的NB-IoT的覆盖能力最强,且使用授权频谱的网络安全性更强,蜂窝式部署更便于网络管理和大范围覆盖,因此,NB-IoT是海量物联网无线通讯的最佳选择。而eMTC虽然在覆盖能力和连接密度上稍逊于NBIoT,但其数据传输速率的峰值可以达到1 Mbit/s(通常为60~300 kbit/s),且延续了移动性管理能力和对语音的支持,所以更适合一些需要无缝覆盖的中等DOU(Dataflow Of Usage)类的应用。

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2、NB-IoT应用场景分析


根据前文对标分析,NB-IoT适用的典型业务场景可以总结为四类,每一类对应的业务模型如表2所示。

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3、NB-IoT 技术未来发展方向


从RAN方面来看,目前已冻结的3GPP Rel-13版本的NB-IoT技术不支持30 km/h以上的连接态切换,且在终端定位、MBMS、广深覆盖等方面还需要继续增强。


另外,从SA/CT方面来看,基于控制面优化的小包传输增强方案是目前3GPP的必选方案,而基于用户面优化的传输增强方案则是可选的,未来将进一步明确和细化两种方案的对比、选择以及如何配合并行部署。另外,跟踪装置类小包业务模型还在研究当中、增强的寻呼区域管理对附着和TAU等过程的影响、授权用户的CE技术应用等问题将在未来Rel-14版本中进行探讨和解决。



结语


物联网应用和手机终端最大的不同就是行业和领域的碎片化、需求的个性化,这直接导致了物联网不同类型的应用对蜂窝通信技术的要求不同,多种技术均有应用空间和存在的必要性。而NB-IoT作为一种电信级的覆盖技术,在低功耗、低成本、低速率、广覆盖等方面表现都很突出。目前,NB-IoT的核心标准刚刚落地,在运营商的大力推进和厂家的积极配合下,随着外场测试及试点部署的推进,相信NB-IoT的产业链将逐步走向成熟,助推运营商在整个物联网垂直行业更加快速、科学地发展。




请查看:《中国移动建成第一个全域覆盖的NB-IoT网络》。





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发表于 2017-2-13 10:27:06 |显示全部楼层
TDD不支持NB-IoT

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发表于 2017-2-13 10:45:35 |显示全部楼层
提示: 作者被禁止或删除 内容自动屏蔽

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2016-4-21
发表于 2017-2-13 11:21:28 |显示全部楼层
有吗?我们这儿最发达的地区都没有,可能在移动的职工家里有

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2015-10-28
发表于 2017-2-13 11:49:51 来自手机 |显示全部楼层
这装逼我给满分!骗不懂的人喔!

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2014-8-19
发表于 2017-2-13 13:19:55 |显示全部楼层
全国第一张地市级全域覆盖的NB-IoT网络在鹰潭顺利建成。
这坑挖的
小心蝎子,蛰一下很痛的

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2012-4-9
发表于 2017-2-13 16:13:28 |显示全部楼层
原来曹书记是干这个去了

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发表于 2017-2-14 08:28:14 |显示全部楼层
移动的TDD网络能支持NBIOT???

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发表于 2017-2-14 08:50:39 |显示全部楼层
水表的水流量传感器能否跟NBIOT模块一样几年不换电池???

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发表于 2017-2-14 08:52:27 |显示全部楼层
IC卡预付费水表,业主自己肉眼抄表,水表增加的IC卡和阅读器,比起NBIOT系统哪个贵?

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发表于 2017-2-14 09:20:48 |显示全部楼层
曹书记要把TDD废了吗?全部上FDD900?

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发表于 2017-2-16 11:13:55 |显示全部楼层
网有了,物联怎么实现?

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