物联网(IoT)中低功率广域(LPWA)技术介绍

图4、ETSI的LTN例子

受新兴LPWA网络使用超窄带宽（例如SIGFOX，TELENSA）和正交序列扩频（OSSS）（例如LORa）调制技术这一事实的推动，LTN标准并不限于单一类别。只要终端设备，基站和网络服务器实现LTN规范描述的接口，它就可以为LPWA运营商提供灵活性，以便在SUB-GHZ ISM频段内设计和部署自己的专有UNB或OSSS调制方案 。这些规范建议中在上行链路使用BPSK调制方式，在下行链路中使用GFSK调制方式，来实现UNB。或者，可以使用任何OSSS调制方案来支持双向通信。数据加密以及用户认证过程被定义为LTN规范的一部分。

许多LPWA技术提供商，如SIGFOX，TELENSA和Semtech等，积极参与ETSI的标准化技术工作。

C. 3GPP
为了解决M2M和IoT市场，3GPP正在发展其现有的蜂窝标准，以降低复杂性和成本，提高覆盖范围和信号穿透率，并延长电池寿命。其多种许可解决方案，如机器类型通信（eMTC），扩展GSM的覆盖范围（EC-GSM）和窄带IoT（NB-IoT）的长期演进（LTE）增强功能提供了成本，覆盖率，数据速率和功耗标准，以满足物联网和M2M应用的不同需求。然而，所有这些标准的共同目标是最大限度地重新利用现有的蜂窝基础设施和拥有的无线电频谱。

1）机器类型通信（eMTC）的LTE增强版：传统的LTE终端设备提供高数据速率服务，它们的成本和功耗在几种MTC用例中是不可接受的。为了降低符合LTE系统要求的成本，3GPP将峰值数据速率从LTE类别1（ LTE Category 1）降低到LTE类别0（ LTE Category 0），然后降低到LTE类别M（ LTE Category M），即LTE演进过程的不同阶段。通过在0类中支持可选的半双工操作来实现进一步降低成本。这种选择降低了调制解调器和天线设计的复杂性。从0类（Category 0）到M1类（Category M1）（也称为eMTC），接收带宽从20 MHz下降到1.4 MHz，结合降低的传输功率将导致更具成本效益和低功耗的设计。

为了延长eMTC的电池使用寿命，3GPP采用了省电模式（PSM: Power Saving Mode）和扩展的不连续接收（eDRx： extended Discontinuous Reception）两个功能。它们使终端设备能够在深度睡眠模式下保持数小时甚至数天，而不会丢失其网络注册信息。终端设备可以避免长时间监控下行链路控制信道，以节省能源。下面描述的EC-GSM中也采用了相同的省电特性。

2）EC-GSM：全球移动通信系统（GSM）宣布在某些地区停用，移动网络运营商（MNO）可能希望延长其在少数市场中的运营。有了这个假设，3GPP正在提出扩展覆盖的GSM（EC-GSM：extended coverage GSM）标准，其目标是通过SUB-GHZ频带将GSM覆盖范围扩展到+ 20dB，从而在室内环境中更好地进行信号穿透。根据发射功率，目标是实现154dB-164dB范围内的链路预算。只要GSM网络的软件升级，传统GPRS频谱就可以打包定义的新的逻辑信道以适应EC-GSM设备需求。 EC-GSM利用重复的传输和信号处理技术来提高传统GPRS的覆盖和容量。两种调制技术即高斯最小偏移键控（GMSK）和8位相移键控（8PSK）提供了240kbps的峰值可变数据速率。该标准于2016年中期发布，旨在与基于传统的GSM解决方案相比，每个基站支持50k个设备，并且增强安全性和隐私功能。

3）NB-IoT：NB-IoT是一种窄带技术，可在2016年中期左右作为Release-13的一部分提供。NB-IoT旨在实现部署灵活性，延长电池寿命，降低设备成本和复杂性以及信号覆盖范围扩展。 NB-IoT与3G不兼容，但可与GSM，GPRS和LTE共存。只有在现有LTE基础设施之上进行软件升级才能支持NB-IoT。它可以部署在200 kHz的单个GSM载波内，在单个为180 kHz的LTE物理资源块（PRB）或LTE保护频带内部。与eMTC相比，NB-IoT通过降低数据速率和带宽要求（仅需180 kHz），简化协议设计和移动性支持，进一步降低了成本和能耗。此外，支持专用许可频谱中的独立部署。

NB-IoT旨在实现164 dB的覆盖范围，每个单元可以为高达50k个终端设备提供连接，并可通过添加更多的NB-IoT运营商来扩大容量。 NB-IoT在下行链路中使用正交FDMA（OFDMA）调制方式，而在上行链路中使用单载波频分多址（FDMA）调制方式（参见：http://www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1766-iot_progress）。对于多信道（multi-tone）下行通信，数据速率限制在250kbps，单信道（single-tone）上行通信的数据速率限制在20kbps。如文献"A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things (NB-IoT)"（参见：https://arxiv.org/abs/1606.04171）所强调的，对于164 dB的耦合损耗，基于NB-IoT的无线电平均可以在每天传输200字节的数据时实现10年的电池寿命。

在3GPP发布第13版（Release 13）规范之后，NB-IoT标准已在3GPP中得到批评。业界对这个规范的批评总结如下（参见：http://www.ingenu.com/portfolio/seven-nb-iot-surprises-you-need-to-know-about/）：

?由于下行链路容量有限，只有一半的消息在NB-IoT中被确认。这意味着无法实现需要确认IoT应用中所有上行链路数据流量，除非应用程序实现某种形式的可靠性机制。后者可能由于额外的处理而导致更高的应用复杂度和更高的能量消耗。

?在基于3GPP的解决方案中使用分组聚合（组合多个分组并将其按照单个更大的分组进行发送）提高了效率，但是以延迟敏感IoT应用可能不希望的额外延迟为代价。

?NB-IoT流量是最大的努力，因此在重语音/数据流量的时候，动态重新分配功能以减轻后一类流量的拥塞问题可能会影响NB-IoT的应用性能。此外，一旦部署NB-IoT设备可能会保持10-20年的时间，与传统手机（通常为2年）相比，设备升级周期要更高一个数量级。一些应用可能需要更长时间才能达到盈亏并提供投资回报。此外，如果新的小区世代相继出现，则可能存在关于所部署的小区的寿命的问题，例如，这种情况类似于一些运营商逐步淘汰其GSM网络以回收频谱用于LTE。这可能会使客户陷入困境，因为升级终端可能不是微不足道的或经济上可行的，这是一个值得讨论的问题。

?缺乏实际电池寿命和性能要求使得在现实世界中的商业部署难以实现。