王康年，張洪德，張曉克

(陸軍工程大學(xué) 通信士官學(xué)校，重慶 400035)

0 引言

咨詢機構(gòu)IDC預(yù)測，截止到2020年，國際上物聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)規(guī)模將達1.7萬億美元[1]。同時，隨著工業(yè)4.0和智能制造等概念的加速演進，可以預(yù)見，僅制造業(yè)領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)市場即將達到2.5萬億美元。可見，物聯(lián)網(wǎng)的市場驅(qū)動力前所未有的強大。物聯(lián)網(wǎng)概念是 2005 年 11 月在信息社會世界峰會上正式提出[2]，由ITU國際電信聯(lián)盟在報告中進行了明確。對我國而言，物聯(lián)網(wǎng)的正式興起則是始于2009 年，經(jīng)過業(yè)界的共同努力，物聯(lián)網(wǎng)已成為我國五大新型戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。

在當前通信技術(shù)日益發(fā)展的今天，移動物聯(lián)網(wǎng)中的核心通信技術(shù)有諸多選項，但是由于物聯(lián)網(wǎng)和傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別，其對于通信技術(shù)有著特殊的需求，需要在眾多通信技術(shù)中擇優(yōu)按需選擇，已經(jīng)引起了廣大學(xué)者和產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注。

1 基于LTE的移動物聯(lián)網(wǎng)

1.1 移動物聯(lián)網(wǎng)的需求

物聯(lián)網(wǎng)，盡管不同國家的理解不甚相同，但普遍認為是由物與物互聯(lián)而組成的網(wǎng)絡(luò)，英文簡寫為IoT(Internet of Things)，屬于一種泛在網(wǎng)[3]。物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵較為豐富，通?？梢哉J為包含兩層，即互聯(lián)和交換?；ヂ?lián)指的是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)和核心是互聯(lián)網(wǎng)，IoT網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的基礎(chǔ)是互聯(lián)網(wǎng)。交換則指的是用戶通過互聯(lián)網(wǎng)與物體之間進行了信息傳輸和交換。綜合而言，IoT依托互聯(lián)網(wǎng)這一核心網(wǎng)絡(luò)，借助智能感知技術(shù)，實現(xiàn)了用戶、網(wǎng)絡(luò)和物體的一體化傳輸和交換，是一種集智能感知、目標識別、信息處理、信息交換的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)過目前的初級發(fā)展階段，雖然還未全面成熟，但是在諸多領(lǐng)域，包括智慧交通、智能電力、智慧環(huán)保等領(lǐng)域已經(jīng)取得了豐碩成果。

物聯(lián)網(wǎng)首要解決的問題從用戶端而言，即為互聯(lián)網(wǎng)的接入。當前，傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)接入通常分為兩大類，一是近距離無線接入技術(shù)，通常應(yīng)用在智能家居、工業(yè)數(shù)據(jù)采集和智能制造領(lǐng)域，具體實現(xiàn)包括ZigBee、WiFi、Bluetooth等；二是蜂窩移動通信技術(shù)，通常應(yīng)用于遠程控制和不易部署近距離無線接入設(shè)施的場合。前者覆蓋能力局限于小地域范圍，同時也依賴于回傳網(wǎng)絡(luò)；后者覆蓋范圍廣，并且具有一定的移動性，但是系統(tǒng)容量有限，通信成本較高[4]。

物聯(lián)網(wǎng)對于通信技術(shù)的特色需求在于：廣覆蓋、大容量、低功耗和低成本。針對這種需求，一類新型的低功耗廣域覆蓋 (Low Power Wide Area，LPWA)通信技術(shù)應(yīng)運而生，該類技術(shù)基于LTE實現(xiàn)，分為兩種，一是NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)，也稱為Cat-NB1；二是eMTC(enhanced Machine Type Communications)，也稱為Cat-M1。這兩種基于LTE的移動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)均可以滿足物聯(lián)網(wǎng)對通信越來越高的需求，即實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的泛在覆蓋，并提供給用戶高質(zhì)量的QoS保證，同時保證用戶應(yīng)用的端到端安全可靠，最終通過統(tǒng)一的國際標準規(guī)范實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)互通互操作。

1.2 基于LTE的移動物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

基于LTE的移動物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)可以分為三層，如圖1所示。

圖1 基于LTE的移動物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

感知層主要實現(xiàn)對現(xiàn)實世界的感知、識別、采集和控制，由各類終端組成，包括IoT智能終端、RFID讀寫器、感知終端及傳感器節(jié)點等[5]，各類終端的主要功能是感知數(shù)據(jù)并上報。網(wǎng)絡(luò)層則是提供物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸通道和通信服務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)層充當感知層和應(yīng)用層的中介，為上下兩層提供網(wǎng)絡(luò)接入和數(shù)據(jù)傳輸與交換服務(wù)。具體而言，主要是面向各類物聯(lián)網(wǎng)終端和傳感節(jié)點提供無線網(wǎng)絡(luò)的接入服務(wù)。在該層中，主要基于LTE網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)不同速率、時延和可靠性要求的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的匯聚、交換和傳輸。

應(yīng)用層則是直接面向各領(lǐng)域、各行業(yè)不同用戶的具體應(yīng)用，目前比較典型的應(yīng)用有可自動報警的智能安防、可實現(xiàn)遠程抄表的智能電力、可自動感知的智慧交通、具備自動灌溉功能的智慧農(nóng)業(yè)等。

2 基于LTE的移動物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)演進與比較

2.1 技術(shù)演進

LTE通信技術(shù)設(shè)計之初主要是為了解決移動寬帶業(yè)務(wù)，并沒有專門針對物聯(lián)網(wǎng)的考慮。LTE通信技術(shù)要滿足物聯(lián)網(wǎng)需求，必須具備三個條件：一是大規(guī)模連接，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接數(shù)量很多；二是網(wǎng)絡(luò)覆蓋增強；三是實現(xiàn)低功耗、低成本、低流量。

3GPP的Rel.10和Rel.11解決大規(guī)模連接問題。從Rel.12開始，3GPP主要著手解決低功耗、低成本、低流量問題，3GPP主要定義了PSM(Power Saving Mode)省電模式和LTE Cat 0。

PSM的啟動是在數(shù)據(jù)連接終止或周期性TAU完成后開始的。數(shù)據(jù)連接終止后，終端首先進入空閑模式，同時進入不連續(xù)接收(DRX)狀態(tài)，終端此時監(jiān)聽尋呼(Paging)。終端在DRX定時器超時后即進入PSM省電模式。終端在PSM省電模式下處于休眠模式，幾近關(guān)機狀態(tài)，從而大幅度省電，此時，終端不再監(jiān)聽尋呼，但仍然注冊在網(wǎng)絡(luò)中，因此，再發(fā)送數(shù)據(jù)時不需要重新連接或建立PDN連接。

LTE Cat 0模塊的復(fù)雜度有50%的降低，主要是降低模塊硬件復(fù)雜度、成本及功耗，當然犧牲了部分功能。LTE Cat 0采用半雙工模式，取消了全雙工，意味著終端無需同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，從而不需要雙工濾波器來防止收發(fā)信號間的干擾。LTE Cat 0的數(shù)據(jù)速率還降低為上下行僅1 Mbps，從而降低了模塊的處理和存儲能力，成本也得以降低。

Cat系列版本較多，其中業(yè)界普遍認為Cat 0是過渡版本，而真正適用于移動物聯(lián)網(wǎng)的則是Cat-M1。由于Cat-M1采用了LTE移動通信技術(shù)，通常又被稱為增強型機器類型通信eMTC。

3GPP在Rel.13中引入了LTE Cat-M1和LTE Cat-NB1。LTE Cat-M1更精簡、更低成本、更低功耗，帶寬從20 MHz降到1.4 MHz，終端發(fā)射功率更小，可達到20 dBm。LTE Cat-NB1，即NB-IoT，其帶寬僅為180 kHz，可以部署于空閑LTE資源塊、LTE載波之間的空閑頻譜(保護帶)或獨立部署(空閑的GSM載波)[6-7]。LTE Cat-NB1的最佳應(yīng)用就是面向遠程抄表等更低速率、低成本、長電池壽命的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，接收帶寬僅200 kHz、上行3.75 kHz的單子載波傳輸方式、擴展周期不連續(xù)接收 (enhanced Discontinuous Reception，eDRX)等特性，進一步降低了功耗，提升了覆蓋，最大可能地滿足了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求[8]。

2.2 Cat-M1和Cat-NB1的關(guān)鍵技術(shù)與比較

2.2.1 Cat-M1

在3GPP標準中，基于LTE的Cat系列定義了兩類終端類型。第一類是Cat 0終端類型，在3GPP R12中進行了定義，該類型終端的工作帶寬為20 MHz，并以半雙工的工作模式可提供23 dBm的最大發(fā)射功率，由于高工作帶寬，使得該類型終端的成本過高。第二類則是Cat-M1類型終端，在3GPP R13中進行了定義，是對Cat 0終端類型的簡化，為了降低射頻要求，節(jié)約終端成本，將工作帶寬從20 MHz降低到了1.4 MHz，并且該類型提供了2種省電模式，即PSM節(jié)能模式與eDRX接收技術(shù)，使得終端發(fā)射功率達到20 dBm，從而終端功耗大為降低。并且在3GPP R14中，進一步增加了定位功能、SC-P2M下行廣播功能以及異頻測量等功能[9-10]。

Cat-M1在四個方面體現(xiàn)出了獨特的差異化特點：一是數(shù)據(jù)傳輸速率高，相比Cat-NB1而言，所支持的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用更加豐富，其可支持的上下行最大峰值速率可達1 Mbps；二是高移動性，由于Cat-M1可支持連接態(tài)的移動性，使得智慧公交、智能電梯、智慧物流等領(lǐng)域用戶可以實現(xiàn)無縫切換，確保應(yīng)用的一致性和連續(xù)性；三是支持定位，基于TDD的Cat-M1可以在無需新增定位芯片的情況下實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)位置的定位，充分利用基站側(cè)的PRS位置測量信息，從而大大降低定位成本，促進倉庫監(jiān)管、物流跟蹤的定位需求場景的應(yīng)用普及；四是支持VoLTE語音，Cat-M1演進自LTE通信協(xié)議，其VoLTE語音技術(shù)可以方便地應(yīng)用到具有語音功能需求的穿戴設(shè)備等應(yīng)用場景中[11]。

2.2.2 Cat-NB1

Cat-NB1也是基于LTE通信協(xié)議，下行信道采用OFDMA技術(shù)，其子載波間隔為15 kHz；上行信道采用SC-FDMA技術(shù)，Single-Tone模式時子載波間隔為3.75 kHz或15 kHz，Multi-Tone模式時的子載波間隔為15 kHz[12-13]。Cat-NB1增強了小數(shù)據(jù)包發(fā)送功能，具備低功耗和大連接特性，其核心網(wǎng)的部署支持2種方式：獨立部署和升級部署。

Cat-NB1的工作方式目前僅支持FDD，蜂窩組網(wǎng)基于授權(quán)頻譜模式進行。單載波占用的頻率帶寬為200 kHz，實際占用的頻率帶寬僅為180 kHz，其中兩端各預(yù)留了10 kHz的保護頻譜間隔。Cat-NB1的部署方式有3種，即帶內(nèi)(In-band)部署、保護頻帶(Guard-band)部署或獨立載波(Stand-alone)部署。并且支持與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的共存，從而實現(xiàn)低成本的系統(tǒng)升級。3GPP對Cat-NB1正在持續(xù)進行功能增強和優(yōu)化，具體包括基于E-CID、OTDOA/UTDOA的定位功能，基于SC-PTM的多播功能，以及移動性、業(yè)務(wù)連續(xù)性支持，并優(yōu)化實現(xiàn)低功耗終端類型和TDD工作方式[8]。

Cat-NB1具備明顯的四大優(yōu)勢[14]：一是網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力強，在獨立部署模式下，其覆蓋能力與傳統(tǒng)GSM相比較，提升20 dB，最大空口路徑損耗可達164 dB，尤其適合無線信號微弱的地下車庫、地下管道等應(yīng)用場景；二是系統(tǒng)支持的容量大，可支撐海量節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)連接，僅單個扇區(qū)即可支持超過10萬個的用戶連接；三是終端能耗低，待機時間長，同Cat-M1類似，主要通過PSM節(jié)能模式與eDRX接收技術(shù)，達到超過10年的待機時長；四是終端模塊成本低，基帶復(fù)雜度低，使用180 kHz窄帶頻譜，并結(jié)合單天線和半雙工的工作模式降低了終端射頻的成本。

2.2.3 兩種技術(shù)的比較

Cat-NB1與Cat-M1的主要技術(shù)比較如表1所示。

從帶寬來看，Cat-NB1基于窄帶模式，Cat-M1則具有更高的帶寬；從工作模式上看，Cat-NB1基于FDD模式，Cat-M1則基于FDD模式和TDD模式，并可在LTE系統(tǒng)上軟件升級；從應(yīng)用上看，Cat-NB1專為成本高效、時延不敏感、低數(shù)據(jù)量、深度覆蓋用例的需求設(shè)計，Cat-M1則為滿足高可靠性、關(guān)鍵業(yè)務(wù)型和低延時用例的需求設(shè)計。

從技術(shù)的局限性來看，Cat-NB1與Cat-M1都有著各自的短板。Cat-NB1對數(shù)據(jù)速率支持較差，沒有語音通道，且移動性弱，在實測環(huán)境中，無法滿足超過30 km/h的速度。Cat-M1性能優(yōu)于Cat-NB1，導(dǎo)致芯片模組成本略高，且在小區(qū)容量上，沒有進行過定向優(yōu)化，難以滿足超大容量的連接需求[15]。

從表1可以發(fā)現(xiàn)，盡管eMTC和NB-IoT均適用于低功耗、廣域覆蓋的應(yīng)用需求，但是在數(shù)據(jù)傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力和功耗方面還是有差異的，兩者的應(yīng)用場景互為補充，共同支撐業(yè)務(wù)領(lǐng)域廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。其中Cat-NB1尤其適用于低吞吐量的應(yīng)用需求，比如智能電力、智慧停車等[8]，而Cat-M1則更加適用于高移動性、高數(shù)據(jù)速率和支撐VoLTE語音等功能需求的應(yīng)用場景。

表1 Cat-NB1與Cat-M1的主要技術(shù)比較

技術(shù)特征類型Cat?M1Cat?NB標準制式FDD/TDDFDD下行峰值速率1Mbps<250kbps下行峰值速率1Mbps<250kbps(MultiTone)20～40kbps(SingleTone)天線數(shù)量11延時ms級s級語音能力支持不支持雙工方式半雙工半雙工載波帶寬1．4MHz200kHz發(fā)射功率23/20dBm23dBm覆蓋155．7dB獨立部署可達164dB終端復(fù)雜度20%<15%

3 基于LTE的移動物聯(lián)網(wǎng)中的低功耗技術(shù)與比較

3.1 省電模式 (PSM)

用戶終端的PSM模式是在Rel.12中引入的。為了最大化用戶終端的停機時間，在執(zhí)行完周期性跟蹤區(qū)更新 (TAU)之后，在空閑時間的可配置窗口期間，始終保持可尋呼狀態(tài)。一旦空閑時間窗口結(jié)束，則設(shè)備進入休眠狀態(tài)，并且直到下一個周期性TAU才能繼續(xù)訪問。

在PSM模式中，用戶終端一旦接入PSM模式，將關(guān)閉接收機，不再接收空中接口的系統(tǒng)消息和尋呼消息，因此網(wǎng)絡(luò)側(cè)無法主動聯(lián)系用戶終端，只有等待用戶終端需要發(fā)送上行數(shù)據(jù)(MO data)或者需要執(zhí)行周期性位置更新(Periodic TAU)時，才會主動喚醒執(zhí)行上行業(yè)務(wù)流程[16]，如圖2所示。

圖2 省電模式PSM示意圖

PSM模式對于需要稀疏周期性報告的應(yīng)用場景特別適合，比如每天匯報數(shù)據(jù)一次的情形。從延時角度來看，PSM模式對于下行業(yè)務(wù)時延無要求的場景，比如智能水表的下行業(yè)務(wù)主要為參數(shù)位置、固件升級等，均可以等待用戶終端發(fā)送上行數(shù)據(jù)進入連接態(tài)后再發(fā)起，從而可以使用PSM進一步節(jié)省終端功耗。

3.2 擴展不連續(xù)接收(eDRX)

擴展不連續(xù)接收eDRX的核心思想在于，延長了原來DRX的時間，減少了終端的DRX次數(shù)和頻率，以達到省電的目的。DRX的最小間隔為2.56 s，這對于隔很長一段時間才發(fā)送數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說，過于頻繁。

在每個eDRX周期內(nèi)，有一個尋呼時間窗口(Paging Time Window，PTW)，用戶終端只在PTW內(nèi)按DRX周期監(jiān)聽尋呼信道，以便接收下行業(yè)務(wù)，PTW外的時間處于睡眠態(tài)，不監(jiān)聽尋呼信道，不能接收下行業(yè)務(wù)。如圖3所示，eDRX可工作于空閑模式和連接模式。

圖3 eDRX應(yīng)用示意圖

在連接模式下，eDRX把接收間隔擴展至10.24 s；在空閑模式下，eDRX將尋呼監(jiān)測和TAU(Tracking Area Update)更新間隔擴展至超過40 min[17]。在規(guī)范中定義設(shè)備可以請求的超幀的最大數(shù)量有所區(qū)別，對于Cat-M1而言，延長睡眠加起來約有40 min，而對于Cat-NB1來說，則將近約有3 h。

3.3 PSM和eDRZ技術(shù)的比較

PSM模式和eDRX模式之間的不同之處在于，用戶終端從休眠模式進入可接收模式這個時間間隔的長短。在PSM模式下，用戶終端需要首先從休眠模式進入激活模式，然后才進入空閑模式。在eDRX模式下，用戶終端本身就處于空閑模式，可以更快速地進入接收模式，無需額外信令[18]。

比如，某物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要終端每10 min要回應(yīng)一次，假如采用PSM模式，終端不得不每10 min終止PSM模式，并進行TAU，需經(jīng)歷這個過程后才能進入空閑模式。假如采用eDRX模式，用戶終端將會每10 min直接進入接收模式，這樣就可以更加省電，并且能夠減少信令負荷。從另一個角度來看，對于那些每天才發(fā)一次數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)用戶終端，采用PSM模式將會更加省電。因此，如何配置PSM和eDRX，需要根據(jù)實際應(yīng)用場景的不同需求來決定。

4 基于LTE的物聯(lián)網(wǎng)通信新技術(shù)的實現(xiàn)策略與應(yīng)用

4.1 實現(xiàn)策略

2016年全球標準化組織3GPP凍結(jié)了Rel.13中基于LTE的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標準[19]，即Cat-M1(eMTC)和Cat-NB1(NB-IoT)，前者指定在1.4 MHz窄帶中提供高達1 Mbps的可變速率，后者指定在200 kHz窄帶中提供小于100 kbps的速率，標準凍結(jié)后，提供基站、芯片、應(yīng)用服務(wù)的企業(yè)蓄勢待發(fā)，為其實現(xiàn)提供了廣泛的支持。

從具體實現(xiàn)上來看，Cat-M1和Cat-NB1可以很大程度上復(fù)用現(xiàn)有 LTE的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，只需要通過投資少量設(shè)備，就可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對未來Cat-M1和Cat-NB1的完全支持，該策略實現(xiàn)簡單，無需重建新的網(wǎng)絡(luò)。對于大多數(shù)在網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備而言，無線側(cè)通過升級基站的方式即可支持Cat-M1和Cat-NB1。對于傳統(tǒng)核心網(wǎng)而言，可以直接實現(xiàn)對Cat-M1的支持，如果要實現(xiàn)支持Cat-NB1的功能，則需要對核心網(wǎng)進行一定的升級。

Cat-NB1可通過核心網(wǎng)升級來實現(xiàn)，有兩種策略方案：即控制側(cè)優(yōu)化方案和用戶側(cè)優(yōu)化方案?？刂苽?cè)優(yōu)化方案，無需建立空口和核心網(wǎng)之間的連接，傳輸小數(shù)據(jù)包主要利用包含在NAS消息中的控制側(cè)，但該方式需要引入C-SGN新功能實體[8]。用戶側(cè)優(yōu)化方案中，空口和核心網(wǎng)需要為小數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)建立數(shù)據(jù)承載，傳輸小數(shù)據(jù)包主要在用戶側(cè)進行，但該方案無需引入新功能實體。從目前的應(yīng)用現(xiàn)狀來看，各大運營商比較傾向于控制側(cè)優(yōu)化方案。

4.2 應(yīng)用

根據(jù)第三方統(tǒng)計，到2025年，全球物聯(lián)網(wǎng)的終端連接將達到50億以上，這顯然是一個顛覆性的機會。而連接性基于LTE的蜂窩技術(shù)毫無疑問將是最主流的技術(shù)，主要就是Cat-M1和Cat-NB1。

從生產(chǎn)廠家角度來看，目前，國際主流的系統(tǒng)廠家和芯片公司紛紛投入Cat-M1和Cat-NB1 產(chǎn)品的研發(fā)。比如，高通為Cat-M1和Cat-NB1定制了多模多頻芯片MDM9206，該產(chǎn)品支持Cat-M1和Cat-NB1兩種模式，以及Cat-M1、Cat-NB1的全球所有頻段。

從運營商角度來看，歐洲同時兼顧Cat-M1和Cat-NB1，但Cat-NB1部署更快；北美主要側(cè)重于Cat-M1的部署。2017年2月底，AT&T、KPN、KDDI、NTT docomo、Orange、Telefonica、Telstra、Verizon等主流運營商在MWC2017會議上明確支持Cat-M1全球部署[1]。從我國運營商的部署來看，Cat-M1和Cat-NB1正在同時展開。因此，從運營商部署的角度來看，歐洲和我國優(yōu)先選擇NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，而美國則主要選擇Cat-M1技術(shù)。

5 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)和人們的生活息息相關(guān)，特別是智慧城市、遠程醫(yī)療、衛(wèi)生環(huán)保、智能制造等應(yīng)用領(lǐng)域，而基于LTE的移動IoT通信技術(shù)無疑已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得以推廣的重要技術(shù)支撐。相信在不遠的將來，基于Cat-M1和Cat-NB1的移動IoT應(yīng)用將得到最廣泛的發(fā)展。

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