趙子奇

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東廣州，510310）

0 引言

我國(guó)近年來出現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)，基于科技的進(jìn)步與社會(huì)的需求，物聯(lián)網(wǎng)以較快的速度實(shí)現(xiàn)發(fā)展。低速率物聯(lián)網(wǎng)蜂窩技術(shù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)和蜂窩技術(shù)實(shí)現(xiàn)連接。我國(guó)目前正在積極發(fā)展蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)了大量通信鐵塔，通信塔隨處可見。合理聯(lián)合物聯(lián)網(wǎng)與蜂窩通信技術(shù)，有效提升了物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行水平，節(jié)省了成本。

1 低速率物聯(lián)網(wǎng)蜂窩通信技術(shù)概念

物聯(lián)網(wǎng)基于互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)延伸和發(fā)展，在物品與物品交換的過程中對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的用戶信息擴(kuò)展交換。蜂窩通信技術(shù)以蜂窩無線網(wǎng)方式與用戶端、無線通道連接，使用戶達(dá)到通信的目的。而物聯(lián)網(wǎng)蜂窩通信技術(shù)有效結(jié)合了各種優(yōu)勢(shì)，提高了效率與節(jié)省了成本。

當(dāng)前低速率物聯(lián)網(wǎng)蜂窩通信技術(shù)不斷提高了發(fā)展水平。但Cat.1模塊不具備相對(duì)成熟的技術(shù)，導(dǎo)致不少生產(chǎn)商與研究人員都集中力量發(fā)展該模塊，保證了模塊與物聯(lián)網(wǎng)同步發(fā)展。目前物聯(lián)網(wǎng)通信備受關(guān)注，Cat.1和NB-LOT均在飛快發(fā)展。我國(guó)在發(fā)展低速率物聯(lián)網(wǎng)方面有良好的前景。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展

2.1 物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)分類

物聯(lián)網(wǎng)無線接入技術(shù)包含Zigbee、WiFi、藍(lán)牙等長(zhǎng)短距無線通信技術(shù)類型。物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)分類見圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)分類

2.2 物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)演進(jìn)

物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)綜合演進(jìn)方向見圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)演進(jìn)方向

傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)方向：（1）大寬帶、高速率應(yīng)用；（2）低時(shí)延、高可靠應(yīng)用；（3）低功耗大連接。

短距接入技術(shù)未來的發(fā)展特征為低功耗廣覆蓋。全新發(fā)展的非授權(quán)頻譜光與技術(shù)涉及LoRa和Sifox等。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及業(yè)務(wù)適應(yīng)性

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)有不同的類型，不僅涉及了大寬帶高速率業(yè)務(wù)，還包括部分低功耗、大連接業(yè)務(wù)。為了與差異化的業(yè)務(wù)有效適應(yīng)，隨之產(chǎn)生了物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)，見圖3。它主要處理超低時(shí)延、可靠的無人駕駛業(yè)務(wù)；通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)開展視頻監(jiān)控、智能醫(yī)療等；而LPWA具體處理終端成本與功耗敏感等工作。運(yùn)營(yíng)商互補(bǔ)設(shè)計(jì)LTE-eMTC與NB-IoT處理相關(guān)的業(yè)務(wù)。中低速應(yīng)用和LPWA業(yè)務(wù)由LTE-eMTC提供支持；NB-IoT促進(jìn)LPWA開展超低速率業(yè)務(wù)，形成全面覆蓋，有利于在屏蔽的遠(yuǎn)程抄表與惡劣的環(huán)境內(nèi)檢測(cè)公共設(shè)備的應(yīng)用。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展

基于市場(chǎng)發(fā)展過程對(duì)物聯(lián)網(wǎng)提出更高的要求。NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展由2014年5月開始，發(fā)生了數(shù)次融合與替換。在第73次工作會(huì)議上，NB-IoT在相應(yīng)工作組內(nèi)實(shí)現(xiàn)凍結(jié)。其中，對(duì)NB來講R13屬于一個(gè)最新標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，再次設(shè)計(jì)了空口技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)憑借窄帶系統(tǒng)與子載波間隔擴(kuò)大了覆蓋范圍，進(jìn)一步達(dá)到20dB的鏈路預(yù)算目標(biāo)；UE為半雙工提供支撐，避免低端增加功耗，節(jié)省了終端費(fèi)用。要想與低傳輸速率和功耗的要求相適應(yīng)，增加3GPPR12的傳動(dòng)級(jí)別，UE通過20MHz工作寬帶實(shí)現(xiàn)半雙工，從而簡(jiǎn)化處置終端功能。

3 低速率物聯(lián)網(wǎng)蜂窩通信技術(shù)的應(yīng)用展望

制定與完善LTEMTC標(biāo)準(zhǔn)的過程中，對(duì)低速率物聯(lián)網(wǎng)蜂窩通信技術(shù)水平不斷提升。其中，Cat.1的優(yōu)勢(shì)是不需要改造現(xiàn)網(wǎng)、直接使用、達(dá)到應(yīng)用車載模塊與小流量視頻的要求等，這也是Cat.1迅速發(fā)展的原因。需要強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)于NB-IoT與Cat.M兩種低速率物聯(lián)網(wǎng)蜂窩通信技術(shù)，為系統(tǒng)研究這部分不同，需深入對(duì)比Cat.M和NB-IoT。

3.1 技術(shù)背景

聯(lián)系LTE物聯(lián)網(wǎng)終端在發(fā)展中低成本、低功耗與強(qiáng)覆蓋等優(yōu)勢(shì)，2014年3GPP建立了首個(gè)Cat.M工作組，科學(xué)制定了標(biāo)準(zhǔn)，并選擇在R13版本實(shí)現(xiàn)凍結(jié)，這也是產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的結(jié)果。若3GPPLTEMTC演進(jìn)過程中Gat.M發(fā)揮了正規(guī)軍的作用，則NB-IoT是非常強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)象。演進(jìn)流程見圖3所示。

圖3 演進(jìn)圖

NB-IoT由窄帶技術(shù)逐步演化為正規(guī)軍，其中廠商的全面推動(dòng)與市場(chǎng)現(xiàn)實(shí)需求是至關(guān)重要的因素。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展與器件現(xiàn)狀

利用3GPP R13對(duì)NB-IoT和Cat.M科學(xué)定義，當(dāng)前均沒有徹底凍結(jié)。將通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)劃分為Core Part（主體功能）、性能標(biāo)準(zhǔn)和一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)等。其中協(xié)議的核心內(nèi)容為主體功能，包括了信令協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)接入，與開發(fā)業(yè)務(wù)存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性；性能標(biāo)準(zhǔn)是關(guān)系著各個(gè)子技術(shù)領(lǐng)域的性能；一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是檢測(cè)部分流程與功能的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在器件層方面，各芯片廠商結(jié)合決策層規(guī)劃Cat.Ml路標(biāo)方案。華為研發(fā)NB-IoT芯片速度較快，同時(shí)推進(jìn)產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 技術(shù)參數(shù)比較

Cat.M與NB-IoT兩種低功率蜂窩通信技術(shù)存在不同的技術(shù)參數(shù)，其中在帶寬、速率與覆蓋強(qiáng)度方面形成了顯著的差異。

系統(tǒng)帶寬中，Cat.M對(duì)應(yīng)1.4MHz，NB-IoT對(duì)應(yīng)200kHz。在每次傳輸中不同的寬帶形成不一樣的數(shù)據(jù)量，直接影響了網(wǎng)絡(luò)部署與選擇頻點(diǎn)的效率。

在傳輸速率中，Cat.M最大為1Mbps，NB-IoT小于250kbps，通常簡(jiǎn)化為200kbps。GSMA根據(jù)不同的預(yù)測(cè)速度，利用NB-IoT技術(shù)與M2M聯(lián)系，其與Cat.M技術(shù)形成1.5倍關(guān)系，二者憑借自身速率應(yīng)用于差異化的場(chǎng)景。

在覆蓋增強(qiáng)方面，NB-IoT的優(yōu)勢(shì)為窄帶，形成大量的覆蓋增益，通俗來講就是穿透的墻多一些。需要注意，NB-IoT在1GHz以下頻段部署提高了覆蓋水平。

在功耗方面，根據(jù)技術(shù)理論分析，NB-IoT降低了功耗，在既定的低頻率喚醒與電池容量環(huán)境下，NB-IoT增加了續(xù)航的時(shí)間。此外要高度重視移動(dòng)性與定位能力。無線資源管理RM對(duì)二者提出了不同的要求，Cat.M增強(qiáng)了移動(dòng)性，且不超過120km/h的前提下實(shí)現(xiàn)切換連接態(tài)自由；NB-IoT降低了移動(dòng)性，低于30km/h時(shí)與步行速度相似，故判斷其無法切換連接態(tài)，具有較強(qiáng)移動(dòng)性的物聯(lián)網(wǎng)不適合對(duì)其應(yīng)用。

3.4 應(yīng)用場(chǎng)景

由于上述不同技術(shù)參數(shù)的存在，導(dǎo)致Cat.M與NB-IoT出現(xiàn)巨大差異。

基于應(yīng)用速率角度分析，Cat.M屬于低速率應(yīng)用，NBIoT屬于超低速率應(yīng)用。比如可穿戴手表，NB-IoT憑借200kpbs不能快速瀏覽網(wǎng)頁(yè)，有必要借助CaT.M實(shí)現(xiàn)承載。

從覆蓋增強(qiáng)能力分析，在惡劣的環(huán)境、屏蔽的遠(yuǎn)程抄表、水管監(jiān)測(cè)中應(yīng)用。

關(guān)于移動(dòng)性，NB-IoT無法連接態(tài)切換，利用Cat.M的移動(dòng)特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)支付，以及穿戴設(shè)備等。而目前只能借助Cat.M應(yīng)用手表和定位項(xiàng)圈。

4 結(jié)束語

現(xiàn)代的時(shí)代是科技的時(shí)代?；ヂ?lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)與蜂窩通信已不是簡(jiǎn)單的概念，而逐步成為事實(shí)。我國(guó)在發(fā)展物流網(wǎng)與蜂窩技術(shù)的過程中，通過有機(jī)整合二者，最大程度節(jié)省了成本，提高了效率。如此不只推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展，方便了人們的日常生活，還對(duì)國(guó)家通信技術(shù)與物流的發(fā)展發(fā)揮了促進(jìn)功能。