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NB_IoT与LoRa技术详解与竞争态势分析.pdf
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NB_IoT与LoRa技术详解与竞争态势分析.pdf
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NB-IoT 与 LoRa 技术详解及竞争态势分析
“物联网”概念在 1999 年美国麻省理工学院首次被提出,狭义的物联网指的是“物
—物相连的互联网”,这里相连的主体既包括物品到物品,也包括物品到识别管理设备。
物联网是继互联网后对人类发展起到促进作用的重大技术创新。中国政府为此提出《物联
网 2020 行动计划》。
物联网技术主要体现在通讯和传感器两个方面。
物联网通信技术
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。
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。
一 NB-IoT 的标准及进展
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。
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。
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 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),2016
下半年至 2017 年初启动 stage3(核心网与终端)的相关工作。
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(DedicatedCore 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,
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