NB-IoT 的 “前世今生”

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作者:个推B2D研发工程师 海晏

根据《爱立信2018移动报告》(Ericsson Mobility Report,June 2018)的预测,蜂窝物联网设备连接数将在2023年达到35亿,年增长率达到30%。


图片来源:《爱立信2018移动报告》(Ericsson Mobility Report,June 2018)

报告中还强调了中国IoT产业的迅猛发展对上述数据产生的巨大影响:

文字节选于《爱立信2018移动报告》(Ericsson Mobility Report,June 2018)

IoT(Internet of Things,即所谓的物联网)可能早已为大家耳熟,无论是能打电话、看视频的智能手表,还是只有信用卡大小的树莓派,其实都是IoT设备。而在诸多的IoT技术之中,NB-IoT无疑是目前国内最受关注的一个,前有三大运营商积极建设基站、狂砸补贴,后有ofo、摩拜创新研发NB-IoT智能锁。

NB-IoT是何方神圣?

NB-IoT全称是NarrowBand IoT,也称窄带物联网,是由3GPP组织开发的为大范围蜂窝网与设备服务的低功耗广域网络(LPWAN)广播技术,其规范在3GPP Release 13中完全定型,并在Rel-14中做了部分增强(Rel-13 主要是对LTE的改进,并制定了一些物联网规范)。

其实在NB-IoT之前已经有了其他IoT技术的存在,曾几何时,我们也使用2/3G网络连接物联网设备,虽然现在看来2/3G网络频谱效率、吞吐率等不高,但是对于数据量极小(相对PC、智能手机以及可以打电话、看视频的智能手表来说)的物联网设备来说已经足够了。

随着时间的推移,人们对物联网设备的需求与落后的技术之间的矛盾越来越大:一方面考虑到IoT设备的数量,大量使用GPRS模块成本偏高;另一方面低电池容量的IoT设备也与GPRS的相对复杂的通信协议天生难以相容。此外,考虑到GPRS即将被“退群”,人民群众对新的物联网通信解决方案的需求也日渐高涨。

通信大厂之间的技术角逐

窥见这一技术空白的各通信大厂自然明争暗斗,各种标准不断被推出。2014年5月华为、Vodafone提出了NB M2M技术,而后又进化成NB-CIoT,2015年7月,Nokia、Ericsson、Intel提出了NB-LTE技术,随后3GPP在上述两者之上着手制定标准,并在2016年7月确定标准(在上文提及的Release13中),至此NB-IoT正式诞生。

出生于4G时代的NB-IoT复用了一系列LTE的设计,并与GSM、GPRS、LTE等技术良好兼容,它上下行共同使用180 kHz 的最小系统带宽,因此GSM运营商可以重耕GSM频段,将某一个GSM载波频段用于NB-IoT(带宽200 kHz,可以放一个NB-IoT总带宽加两个10 kHz的保护带),而LTE运营商则可以划分一个PRB(Physical Resource Blocks)给NB-IoT(具体部署方式有stand-alone、in-band、guard-band三种)。

NB-IoT与LTE的关系,该图来自《A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things (NB-IoT)》

为了降低NB-IoT模块的成本与能耗,NB-IoT在复用的同时也对LTE物理信道、UE (User Equipment,终端)处理流程、模块结构做了许多精简,减轻了设备制造复杂度,在降低成本的同时也减少了能耗。此外,NB-IoT的PSM(powersaving mode)和eDRX(echanced Discontinuous Reception)模式也是降低能耗的“秘密武器”,在PSM模式下,设备进入休眠状态不进行通信活动,该模式一般适用于通信频率低的设备;而在eDRX模式下,UE可以更快地进入接收模式,而不需要从休眠模式转换到激活模式,相比DRX模式接受间隔更长,在较高频率通信的设备上可以减少信令,更加省电。

为了增强覆盖率,NB-IoT增加重传减低数据速率,引入单个子载波NPUSCH(Narrowband Physical Uplink SharedChannel,窄带物理上行链路共享信道)传输和π/2-BPSK调制来维持接近0dB PAPR(Peak to Average Power Ratio,峰值平均比例)来减小PA(power amplifier,功率放大器)功率回退造成对覆盖的影响,一般来说,NB-IoT的MCL(maximumcoupling loss,最大耦合损耗)比LTE (Rel-12)高20db。

当然,上述这些也意味着NB-IoT的传输速率不高。但是正是基于这种通信模型,NB-IoT才得以在低成本的情况下,做到单个小区仅使用一个PRB支持上万台设备,而且NB-IoT本就不是为高频高实时需求的设备设计的,它的主要用途正是在低功耗、低成本、高覆盖、低移动性的设备上(关于低移动性这一点上,Rel-13中不支持漫游,Rel-14对移动性进行了增强,目前已经有厂商在进行漫游试验了,期待NB-IoT未来在这方面有所发展)。

NB-IoT发展的“内忧”和“外患”

虽然有各通信大厂的背书,但是NB-IoT在国内的发展却并不是一路绿灯。一方面,模组成本没有下降到预期的水平,智慧农业、智慧城市等对NB-IoT兴趣不足,使得模组出货量达不到预期,没有形成规模效应;另一方面,由于NB-IoT技术刚刚兴起,其相关的基础设施、产业链尚未完善,缺乏专业人才支持,也使得其制造成本难以快速压缩。

此外,作为一种蜂窝网络技术,NB-IoT的发展无疑需要运营商的支持。在国内三大运营商之中,中国电信无疑是表现最好的选手,目前中国电信在国内NB-IoT基站已达40万,已经实现“城乡全覆盖”,并且还有对外开放的Wing中国电信物联网开放平台,帮助开发者管理终端。相比之下,虽然中国联通声音较小,但也在去年5月宣布完成了30万个NB-IoT基站升级工作,并与阿里、腾讯、百度等三十多家战略合作伙伴成立了中国联通物联网产业联盟。与前两者相比,中国移动的位置则略显尴尬。由于中国移动之前并没有LTE FDD牌照,这意味着它要么在已分配的GSM频段上部署NB-IoT,要么等待NB-IoT支持TDD,要么等待FDD-LTE的牌照,不管从时间还是从成本上来说,中国移动都不占优势。不过好消息是,中国移动在去年4月份终于获得了FDD-LTE牌照,接下来将会大力发展建设物联网,努力追上其他运营商的步伐,同时对外开放OneNET——中国移动物联网开放平台。

虽然三大运营商的动作如此迅速,但是考虑到部分NB-IoT终端的工作环境,目前的NB-IoT网络覆盖率仍然不够。相对较低基站的数量与覆盖率也迫使终端必须抬高发射功率,导致超长电池寿命大打折扣。

运营商的角力对于消费者和厂家来说是一件好事,既能降低资费,又能多一些选择,提升消费体验,但是对于开发者来说绝非如此了:多个管理平台意味着必须考虑多种设备多种SDK的情况,有时候同一种设备同一种协议上层的API却不相同。当发生这种情况时,开发人员需要耗费更多的精力和时间。

除了需要面对“内忧”,NB-IoT 的“外患”也不少。当姗姗来迟的NB-IoT到来之时,LoRa和Sigfox技术已经攻占了大片城池:目前,有一百多个国家被LoRa网络覆盖,其中法国电信Orange已经宣布实现全法覆盖LoRa。而我国的北京、上海、广州、深圳、南京、苏州、杭州等地也有LoRa网络的覆盖,其中北京市六环以内已经实现了全覆盖,京杭大运河江苏段也实现全段覆盖;Sigfox在欧美地区同样兵强马壮,其在法国的覆盖率已达92%,在美国也已经覆盖一百多个城市。除此之外,NB-IoT也并不是物联网的唯一选择,有时候甚至不是最好的选择。比如能打电话、看视频的智能手表就更适用于使用LTE Cat M1 甚至 LTE Cat 1,而信用卡大小的的树莓派也未必会上NB-IoT,而更可能选择LoRa(毕竟企业自主组网更geek,还无需担忧网络覆盖与资费的问题)。

NB-IoT技术未来大有作为

那么刚出襁褓的NB-IoT该如何应对呢?其实不同的技术有不同的适用场景,比如NB-IoT简直就是为水表、电表行业量身打造的。通过NB-IoT模组,设备仅需在每天汇报数据时唤醒并与基站进行通信,其他大部分时间几乎没有电能消耗,在这种场景中,NB-IoT可以在保证电池寿命的前提下,妥善完成监控电量、水量的任务。切换到烟雾传感器、火警报警器等类似的场景,NB-IoT的优势也十分明显,而对于水文、空气监控来说,NB-IoT模组可以大部分时间休眠,当需要进行较实时的汇报与反馈时,eDRX与DRX模式的作用就显现了,工作在此模式时可以即时反馈变化情况,当不需要实时监控时,又可以切换回PSM,省电工作两不误。

除了上面的这些场景,智慧停车、智能门锁、路灯故障监控、二轮车标识定位、农牧业监控、资产管理等领域,NB-IoT也是大有作为。工信部也在去年发布了关于推进移动物联网(NB-IoT)建设发展的通知,要求加快推进移动物联网部署,构建NB-IoT网络基础设施。目前各种IoT技术百花齐放,在市场与政策的双重扶持下,NB-IoT未来的发展前景一片光明。

参考文献:

[1]Y.-P.Eric Wang, Xingqin Lin, Ansuman Adhikary, Asbjörn Grövlen, Yutao Sui, YufeiBlankenship, Johan Bergman, and Hazhir S. Razaghi,Ericsson Research, Ericsson AB,”A Primer on3GPP Narrowband Internet of Things (NB-IoT)”

[2]Ericsson,”EricssonMobility Report”,June 2016.

[3]A. Adhikary, X. Lin and Y.-P. E. Wang, “Performanceevaluation of NB-IoT coverage,” Submitted to IEEE Veh. Technol. Conf.(VTC),September 2016, Montréal, Canada.

[4]TR 36.888 v12.0.0, “Study on provision of low-costmachine-type communications (MTC) user equipments (UEs) based on LTE,”Jun.2013.

[5]Ericsson, “New WI proposal for L1/L2 eMTC and NB-IoT enhancements,” RP-160878, 3GPP TSG RAN Meeting #72, June2016.

[6]Vodafone, Huawei, and HiSilicon, “NB-IoT enhancementsWork Itemproposal,” RP-160813, 3GPP TSG RAN Meeting #72, June 2016.

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