NB-IoT终端标准化与测试进展

1、引言

自"智慧地球"提出以来，物联网的概念迅速在全球范围内被认可，成为新一轮科技革命与产业变革的核心驱动力之一。物联网不仅仅是简单的海量物体接入，更是办公，交通，医疗，娱乐等多种垂直行业价值链等资源要素的高度融和。据Gartner的2016年报告预测，到2020年全球联网设备数量将达到260亿台，其中物联网接入设备达到160亿台，其市场规模将达到1.9万亿美元。而其中低流量，低功耗，低成本的物联网设备将占据物联网设备总量的90%左右。2015年，全球通信产业对于低功耗广域覆盖（LPWA：Low Power Wide Area）的物联网场景达成共识，3GPP也正式启动NB-IoT的相关研究工作。

2、3GPP物联网标准化概述

在NB-IoT提出之前，业界已经启动了机器类通信的研究。而在物联网领域，低功耗，广覆盖，低成本，低速率的LPWAN技术将涵盖大部分物联网业务模型。因此面向LPWAN场景下的物联网接入技术成为蜂窝及非蜂窝物联通信重点关注领域。

在国际标准方面，3GPP一直努力推动相关机器类通信（MTC）技术的发展，且主要集中在两个方向上，如图1所示。

图1、3GPP Rel-13中IoT相关项目关系简图

一方面，在LTE及LTE-A演进阶段，3GPP定义了许多不同的终端类型，从而适应不同场景不同业务下的物联网终端需求。在Rel-8版本中，从速率的角度定义了Category1~5的终端类型。在之后的版本演进中，不仅制定了支持高带宽，高速率的Category6，Category9等终端类型，同时也定义了更低成本，支持更低功耗的Category0终端类型。但考虑到Category0技术需要对现有网络进行改造，升级成本与终端收益并不高，因此其被普遍商用的可能性不高，更多被认为是一种过渡。因此3GPP于2014年成立Cat.M工作组。目前Cat.M核心标准已经冻结。

另一方面3GPP基于窄带传输的思路，讨论其演进和全新接入技术的研究。长期以来，运营商的物联网业务主要依靠成本低廉的GPRS模块提供物联网设备间通信需求。但近几年由于LoRa，Sigfox等基于非蜂窝的新型物联网技术的出现，对于GPRS模块在成本，功耗和覆盖等方面有较大冲击。因此3GPP在GERAN #62会议上成立新的SI，希望可以支持更低成本，更低功耗，更强覆盖等特性。而NB-IoT正是基于第二种思路提出的一种新的传输方案。在时延不敏感，移动性需求不高的LPWAN场景下，NB-IoT技术在续航、覆盖方面的技术优势，无疑更得到各方关注。

3、NB-IoT标准化情况

3.1 国际标准化情况

2014年，3GPP在GERAN组"FS-IoT_LC"的SI项目中在初始阶段主要由3项技术被提出。分别是扩展覆盖GSM技术EC-GSM，由华为，高通主导的NB-CIoT，以及由爱立信，中兴主导的NB-LTE。

CIoT作为GERAN#62次会议立项的SI课题，主要针对蜂窝网络对面向物联网终端的技术演进。该立项课题得到华为、诺基亚、沃达丰、中国移动、Orange和Telecom Italy等公司支持。其主要研究目标有：

· 增强覆盖（相比传统GPRS覆盖增强20dB，MCL目标要求164dBm）

· 支持大量低速率终端设备接入

· 低成本设备

· 低功耗（电池寿命达10年）

· 支持上下行传输

· 尽量小的网络改动

该SI工作中，启动窄带蜂窝物联网研究，并最终形成了基于GSM的技术演进和全新的技术方案研究报告TR45.820。主要提及3项技术，分别为：扩展覆盖GSM技术EC-GSM，由华为，高通主导的NB-CIoT，以及由爱立信，中兴主导的NB-LTE。NB-CIoT提出了全新的空口技术，相对于现有LTE网络上改动较大。网络升级的代价带来NB-CIoT性能上的提高，可以全部满足TSG GERAN会议所提出的5项性能目标（提升室内覆盖，支持大规模设备连接，减小设备复杂度，减小功耗和时延）。而另一方面NB-LTE技术与NB-CIoT定位相似但更倾向于对兼容现有LTE网络，在部署上更简单。因此，在RAN#69次会议上，经过激烈讨论，各方最终达成一致，将NB-CIoT和NB-LTE两个技术方案进行融和形成NB-IoT，作为RAN工作组基于LTE的蜂窝物联网技术演进方案，正式进行立项。对NB-IoT的能力提出具体的指标要求：

· 深度覆盖，NB-IoT比现有GPRS网络提升20dB；

· 支持单用户上下行至少160bps，覆盖面积扩大100倍；

· 具备支撑海量连接能力，一个NB-IoT扇区可支持5万个连接；

· 更低功耗，5Wh的电池可供终端使用10年；

· 时延上更灵活，对某些应用，上行的时延可放宽到10s。

考虑到未来GSM退网，以及频谱资源等因素，EC-GSM方案作为Rel-13的GSM技术演