低速率物联网蜂窝通信技术现状与展望

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低速率物联网

蜂窝通信技术现状与展望

□陈利欢 杭州涂鸦信息技术有限公司【摘要】 随着社会的进步以及科学技术的发展，移动终端不断普及，移动互联技术发展迅速，从人与人之间的交流，发展为人与物、物与物之间的信息交互。在整个物联网体系中，低速率物联网占据很大比重。低速率物联网低功耗、低成本，随着Cat.M 和 NB-lot 等系统的开发应用，进一步促进了低速率物联网的发展。低速率窄带通信技术的研发，解决了多终端通信、低能耗通信、远距离通信等问题。这一技术成为应用效率最高、传播范围最广、适应能力最强的通信技术。低速率物联网技术相关研究不断增多，使人们对其有了更深层次的了解。

【关键词】 低速率 物联网 蜂窝通信技术 现状 展望

引言：近年来，物联网在我国兴起，并且发展迅速，在社会发展中发挥重要的作用。基于互联网概念的物联网，使互联网的信息、用户交换，向物品与物品延伸。早期物联网被称为传感器，在中国1999 年首次提出。目前对物联网的定义，是利用一系列科技手段，结合互联网及AI技术，完成广泛互联和信息交互。蜂窝通信技术是通过无线通道，连接用户终端，采取蜂窝无线网的方式，用户可以互相通信。物联网和蜂窝技术的有机结合，形成低速率物联网的蜂窝技术，充分发挥各自的优势，在我国相应的通信铁搭等基础设施及移动终端越来越得到普及发展。物联网和蜂窝通信技术结合，可以有效降低成本，有效提高网络的运行效率。一、物联网应用向LTE MTC发展物联网是新一代的信息技术，进一步扩展了互联网的概念，连接物理设备和日常对象，嵌入网络连接、电子设备、其他硬件等，进行远程监控、通信、交互。随着相关器件、技术的发展，物联网变为现实。运营商关心的重点是基于蜂窝通信制式的物联网蜂窝。当前我国模块市场整体规模已超过3000万。全球蜂窝M2M模块从2015到2020年，增长至1.9亿。主要垂直应用市场包括移动支付、水电煤三表、环境远程监测、安防与智能交通等。国内外运营商将2G/3G网络上承载的物联网，向LTE MTC发展。很多运营商明确逐步关停了2G网络。有欧洲运营商以Cat.1为基础，开展远例如AT&T、 Verizon积极推动模块验证、程表计物联网业务。单模芯片，以Cat.1为基础。华为与沃达丰联合，进行NB-IoT试验。GSMA 发布的报告称，目前为止，4G 虽仍是中国移动通信的主导技术，占中国移动通信总量的 80%以上（不包括授权的移动物联网）。但随着 5G 的大幅增长，4G 的份额将在 2020 年达到峰值（82%）。预计在 2020 年，全球 70%的 5G 连接将来自于中国。2015年，LTE模块的发货量450万片，2020年增至4200万片。2017年起，普及速度最为迅速的是LTE Cat.1/Cat.M技术。MachinaResearch预测，LTE MTC到2023年可[2][1]能在所有物联网装置中，占到了10%。在物联网应用中，占据绝对主流的是低功耗低速率的物联网应用。物联网通信技术的发展趋势，就是低成本、低速率、低功耗[3]。未来物联网发展的技术主流，为NB-IoT、Cat.M、LTE Cat.1。二、低速率低功耗物联网技术演进制定LTE MTC标准，由3GPP牵头推进，从R8开始具体标准，逐渐在R12、 R13完善。许多大流量实时视频业务中，开始使用Cat.6以上的终端。在物联网业务中，目前占据比例较低[4]。在车载终端上，Cat.3/4运用的方式目前主要是4G多模方式。NB-IoT、Cat.M、LTE Cat.1，具有明显的成本、功耗优势，因此受到业界的普遍关注。Cat.1、LTE Cat.0需要经过网络改造，并且功耗、成本的区别比较小，被认为是过渡态，规模商用的可能性不大。在R8中已经定义Cat.1，当时Cat.1有望规模商用，因为Cat.1有无需对现网进行改造的优势。能够直接使用搭载Cat.1的终端。并且相比4G多模，单模Cat.1芯片及模块，具有经济优势。上/下行峰值速率可达5/10Mbps，价格相对有竞争力，可应用于小流量视频及车载模组等。对于欧美地区，对物联网模块价格不太敏感，远程抄表也使用Cat.1。Cat.1处于快速发展阶段，其产业链尚未成熟。高通、 Intel等相继推出了Cat.1多模芯片，采取软件裁剪的方式。GCT、Sequans、Altair等，也通过重新流片推出了Cat1芯片[5]。Cat.1的单模模块已经有国内模组厂商进行市场推广，且物联网通信技术受到广泛的关注，主要集中于NB-逐步开始规模化商用。IoT、Cat.M。争论的焦点就是如何发展。协同合作或者两者二选一。三、Cat.M与NB-IoT发展之争3.1技术背景研究LTE物联网的趋势是强覆盖、低功耗、低成本。第一个Cat.M工作组是3GPP成立的，早在2014年成立，并开始制定Cat.M的标准。随着产业链的发展，在R13版本中冻结。3GPP LTE MTC的演进，依据Cat.M不断发展。而其半路杀出一个强劲竞争对手，就是NB-IoT。华为公司在201438

Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.I年收购Nuel公司，与沃达丰合作，研究窄带蜂窝物联技术。提出NB M2M窄带技术[6]。华为、沃达丰与高通联合，与NB OFDMA融合制定上下行技术标准，形成NB-CIoT。同时，诺基亚、爱立信推出NB-LTE窄带蜂窝技术。此技术与NB-CIoT有相似的定位。华为、爱立信分别提交标准提案给3GPP。在R13版本中，3GPP融合两种技术，形成NB-IoT标准[7]。市场的需求，以及相关厂商的积极推动，促使窄带技术混战的NB-IoT成为3GPP标准的正式部分。3.2 标准进展与器件现状在3GPP R13中，有Cat.M、NB-IoT的相关定义。目前，通信技术标准包括一致性测试标准、性能标准、主体功能（Core Part）标准等。一致性测试标准，主要与流程/功能相关。性能标准与测试强相关，其性能相关的是各个子技术领域。主体功能标准主要与开发相关，比如网络接入、信令协议等，指的是协议的具体内容。Cat.M的主体功能标准，在2016年3月冻结。同年6月冻结NB-IoT主体功能标准。同年9月冻结性能标准。同年12月冻结一致性测试标准。冻结Core part主体功能后，与Cat.M相关的芯片厂商，开展预商用相关工作，研发推出测试版本。各大芯片厂商在基于Cat.M的路标计划中考虑，尚无测试版本Cat.M芯片和模块。华为NB-IoT芯片及模块研发有较快的进展速度，产品与标准同步推进，已推出第二代测试模块。2014年开始，华为投入NB-IoT芯片研发。2015年推出芯片原型产品，以预标准为基础。3GPP标准发布后的3个月，2016年华为推出业界首款商用NB-IoT芯片，商用芯片Boudica120。随后推出完全成熟的Boudica 150，支持3GPP R14，能够应用于更多的场景，实现更低的能耗。2019年迎来5G元年，进一步推动NB-IoT发展。3GPP组织正式明确，NB-IoT为5G的一[8]互联网+通信

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部分，与5G长期共存。2G 退网已经拉开帷幕，NB-IoT 也已成为 5G 标准。2019年华为公布NB-IoT芯片总发货量已经突破2000万。3.3技术参数NB-IoT与Cat.M都是低功耗蜂窝通信技术，但技术参数明显不同。在传输速率上，NB-IoT一般＜200kbps。Cat.M最大为1Mbps[9]。在系统带宽上，NB-IoT是200kHz。Cat.M为1.4 MHz。在功耗上，NB-IoT的续航时间，比Cat.M大约长一年。在覆盖增强上，NB-IoT比Cat.M多5dB+的覆盖增益，简单来说，就是可多穿透一堵墙。3.4 应用场景由于定位能力、覆盖增强能力、应用速率等的差异，NB-IoT、Cat.M存在应用差别。NB-IoT为超低速率应用。Cat.M为低速率应用。针对存在多阻挡及屏蔽的远程抄表领域，或者环境相对恶劣的智慧农业、城市公共设备中，NB-而在智慧物流、可穿戴设备等，需要Cat.M承载。IoT更适用[10]。3.5 网络部署及成本尚未完全冻结NB-IoT、Cat.M的标准，仍在讨论网络部署方案。基本确定依据现有LTE网络，可以Cat.M升级。NB-IoT和LTE机制存在较大差异，需新增信道板，硬件改动较大。但随着产品的规模、成熟度不断提升，业界普遍认为，相比Cat.M，NB-IoT可能会更加便宜。四、总结总之，物联网时代到来，NB-IoT与Cat.M应是互补并行的关系，其应用场景并不矛盾。如何选择和发展，也将逐渐明晰。相比手机终端，需求的多样化、场景的特定化都是物联网应用与之区分的主要差异点。因此，针对物联网的不同应用场景，可以选择不同的蜂窝通信技术。有必要存在多种技术。随着网络技术的发展，NB-IoT、Cat.M将进一步推动物联网行业的科学发展。参 考 文 献[1]邬世磊,尹林.NB-IoT低速率窄带物联网通信技术研究[J].信息通信,2018,(5):239-241. [2]佟冬.面向5G物联网的上行接入技术[J].科技传播,2020,12(17):141-142.

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陈利欢 出生年月：1986年1月 性别：男 民族：汉 籍贯：浙江省宁波余姚市 学历：大学本科 目前职称：助理工程师 主要研究方向：无线射频、蜂窝通信、智能家居WiFi/BLE/Zigbee 单位：杭州涂鸦信息技术有限公司

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