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移动蜂窝物联网演进方案研究

2017/9/28    来源:公众号    作者:邢宇龙  张力方      
关键字:移动  物联网  
物联网应用中,低速率业务占比超过了50%。以NB-IoT和LTE-eMTC为代表的低功耗广域蜂窝技术在低功耗、广覆盖业务中扮演着重要角色。
    一 引言
 
    IoT的概念自1999年被学者提出以来,得到了世界各国科研界和产业界的广泛关注,是继计算机、互联网和移动通信网之后世界信息产业发展的第3次浪潮。进入新世纪后,物联网得到了快速发展,产业界更是提出了万物互联的设想,越来越多的物体将被连接到互联网,并最终实现到主控端、云端的连接。
 
    据IDC预测,到2020年,全球物联网连接将达到300亿;到2025年,全球物联网连接将达到700亿。巨量的物联网连接需求,对IoT的网络接入能力提出了更高的要求。目前的物联网业务以短距接入为主,占到市场一半以上的份额。随着低功耗广域(LPWA)技术的落地,将在部分场景中代替传统的短距接入技术。GSMA报告显示,2020年蜂窝物联网连接数将达到30亿,以NB-IoT和LTE-eMTC等为代表的广域蜂窝物联网接入技术由于采用授权频谱,具有干扰小、可靠性高等优势,将承接大量物联网接入业务。
 
    本文首先介绍物联网技术的演进方向,包括物联网接入技术的分类、演进、技术业务适应性以及NB-IoT和LTE-eMTC技术的标准化进程。然后从物联网演进架构、演进方案2个方面介绍中国联通物联网演进策略。最后给出中国联通蜂窝物联网部署方案,并对蜂窝物联网技术演进进行了总结。
 
    二 物联网技术演进
 
    1、物联网接入技术分类
 
    物联网无线接入技术种类众多,包括Zigbee、Wi-Fi、蓝牙、Z-wave等短距和长距无线通信技术。长距无线技术分为2类,包括工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术和工作于授权频谱下传统的2G/3G/4G蜂窝技术及其3GPP支持的LTE演进技术,如LTE eMTC、NB-IoT等。受业界青睐的LPWA既包括广域非授权频谱技术LoRa和Sigfox,也包括授权频谱的LTE-eMTC和NB-IoT等。
 
    物联网接入技术分类如图1所示。
 
    移动蜂窝物联网演进方案研究
 
    图1 物联网接入技术分类
 
    2、物联网接入技术演进
 
    物联网接入技术整体演进方向如图2所示。
 
    移动蜂窝物联网演进方案研究
 
    图2 物联网接入技术演进方向
 
    传统蜂窝网络演进方向为:
 
    a)大带宽、高速率应用场景。
 
    b)低时延、高可靠应用场景。
 
    c)低功耗大连接场景,代表技术有NB-IoT和LTE-eMTC等。
 
    短距接入技术朝着低功耗广覆盖方向演进,代表技术为802.11ah。
 
    新兴非授权频谱广域技术包括LoRa和Sigfox等。上述演进方向包含一个共振点,即LPWA。NBIoT、LTE-eMTC等蜂窝物联网技术最受全球运营商的青睐,已经成为运营商开展物联网业务的最佳切入点。
 
    3、物联网技术及业务适应性
 
    物联网业务多种多样,既有大带宽高速率业务应用,也有诸如抄表、农田环境监测等低功耗、大连接应用。针对差异化业务应用,出现了与之适应的物联网接入技术。如图2所示,针对无人驾驶等高可靠、超低时延业务,需要采用LTE 面向大带宽高速率演进的LTE-V等技术;对诸如视频监控、智能医疗等高QoS应用场景,仍需要传统3G/4G网络来承载;图2中金字塔下2层业务对终端成本和功耗敏感,需要用LPWA来承载。在LPWA中,运营商擅长的LTE-eMTC和NB-IoT在应用场景方面既有差异也有互补。LTE-eMTC可支持中低速率应用及LPWA业务,支持语音及移动性,适合如可穿戴、智能建筑、智能家居等应用;NB-IoT支持超低速率LPWA业务,极致深度覆盖,覆盖增强方面比eMTC多5 dB以上,更适合环境较为恶劣、多阻挡和屏蔽的远程抄表、城市公共设备监测等应用。
 
    4、标准化进展
 
    由于市场对物联网业务需求急迫,各运营商、设备厂商、芯片厂商纷纷积极推进窄带蜂窝物联网的标准化工作。
 
    NB-IoT 标准化进展(见图3):从2014年5月起,NB-IoT 经历了多次融合和更替。2016 年6 月16 日3GPP RAN 全会第72 次会议上,NB-IoT核心协议在RAN1、RAN2、RAN3 和RAN4 4个工作组均完成冻结。在R13标准中,NB作为一个全新标准的技术,其空口技术相比LTE进行了重新设计:180 kHz窄带系统和上行3.75 kHz的子载波间隔能有效提高网络覆盖,从而满足至少比GSM高20 dB以上的链路预算设计目标;UE仅支持半双工,且增加了PSM和eDRX功能,能有效降低终端功耗,节约终端成本。
 
    NB-IoT标准化进展
   
图3 NB-IoT标准化进展
 
    3GPP R14新增定位功能、SC-P2M下行广播功能、非连接态移动性增强功能,可以满足更多场景需要,提高网络可靠性。
 
    LTE-eMTC 标准化进展(见图4):为了满足MTC更低传输速率及更低功耗的需求,3GPP R12新增Cat0的UE传输等级,UE工作带宽为20 MHz,支持半双工,最大发射功率为23 dBm;3GPP R13的eMTC进一步简化终端功能,UE工作带宽为1.4 MHz,支持半双工,UE可使用更低发射功率20 dBm;3GPP R14阶段也将新增定位功能、SC-P2M 下行广播功能、异频测量功能等。LTE eMTC 相比NB-IoT能够提供更高的传输速率,拥有更丰富的应用场景,但受限于产业链,整体比NB要慢半年左右。
 
    LTE-eMTC标准化进展
  
    图4 LTE-eMTC标准化进展
 

责任编辑:李欢
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