近来,工信部正式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。NB-IoT建设被推进到国家政策层面,其今后的发展必将更加红火。同时它也是适应互联网+、中国制造2025以及欧洲工业4.0发展的一种联网新技术。

那么,我们不禁会问,NB-IoT相对于LoRa和SigFox这些私有协议又具有怎样的优势?目前全球的规划如何?芯片/模块以及研发测试支持又如何?日前,在“中国NB-IoT产业趋势和技术研讨会”上,来自深圳电信、华为和是德科技的发言人分别从运营商、芯片/模块和测试角度和我们分享了NB-IoT的规划和技术进展,以及所带来的设计挑战。

LoRa和SigFox不适合低功耗场景,NB-IoT才最适于“低频、小包、时延不敏感”物联网业务

2020年IoT总连接数将达到300亿,市场空间达到1.7万亿美元。亚太、北美、西欧市场空间大,总和超过80%。

对于运营商蜂窝物联网的分布情况,深圳电信的发言人表示,蜂窝物联网当中有5%用于高速率(10Mbps以上),比如视频监控、智慧医疗、智慧城市等),它们需要依靠3G/4G或WiFi网络来实现高速率数据传输。25%用于中速率(1~10Mbps),如智能家居、智能建筑、车联网、低端M2M汇聚等。其网络要求主要是中速率(1~10Mbps)、低功耗,可以通过2G网络或MTC/eMTC/LTE-V实现网络接入。另外70%用于低速率,如农林牧渔、传感、抄表、停车、物流监控、追踪业务等。其网络要求是低速率(~100kbps)、深度覆盖(20dB)、低功耗(10年)、低成本(低于5美元),比如NB-IoT、SigFox、LoRa以及ZigBee短距无线通信技术等。

他指出,在物联网当中,LoRa和SigFox不适合用于低功耗场景。其原因是LoRa类似于WiFi,安全性弱,美国公司独家垄断,网络安全无法保障。它使用公共频谱,任何厂商都可以使用,对于运营商没有明显优势,干扰问题难以解决。SigFox的策略是:先网络,后业务,快速跑马圈地建好网络再发展业务;大量融资(1.07亿欧元);先圈地(27个国家);使用100Hz超窄带技术。其技术先天缺陷是:可靠性低,无QOS;低容量可用,高容量不可用;覆盖差、时延高、速度低。

而对于2G/3G/4G技术来说,2G网络预期将普遍退网(CDMA至LTE);3G/4G模块贵(30美元以上);2G/3G/4G在覆盖和终端功耗上比NB都差。因此网络运营商需要有更优质的技术实现弯道超车。

NB-IoT在LPWA具备明显技术比较优势:NB-IoT是一种可与现有蜂窝网融合的低成本、高可靠性、高安全性的广域物联网;模块成本(5美元)相比LoRa(8美元)和SigFox(9美元)便宜很多。

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NB-IoT具有以下四大优势,适用于“低频、小包、时延不敏感”物联网业务。

● 广覆盖(20dB增益):窄带功率谱密度提升,重传次数,编码增益。

● 低功耗(10年电池寿命):简化协议,芯片功耗低,功放效率高,发射/接收时间短。

● 大连接(50k连接数/小区):频谱效率高,小包数据发送特性,终端极低激活比。

● 低成本(5美元模块成本):简化射频硬件,简化协议降低成本,减小基带复杂度。

NB-IoT网络频谱部署方案有以下四种:Standalone(NB-IoT可在L800/L900上部署)、LTE Guard Band(LTE 10M带宽+支持,5M及以下保护带不足以支持)(NB-IoT可在L800上部署)、In-Band(NB-IoT可在L800上部署)、LTE重耕方案(根据C网用户情况确定L800带宽)。中国电信主要是采用第三种方式(In-Band),即在800MHz当中划出一块区域用作NB-IoT,这样可以降低场地部署成本,并快速高效适应到商用阶段。

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世界各地都在推进NB-IoT部署,华为新一代芯片有望年底推出

华为公司发言人同样指出,NB-IoT是LPWA(低功耗/广覆盖)市场的主流技术,其原因是:它有运营商的支持,全球已有超过30家运营商已经确认会部署NB-IoT网络(全球覆盖,全球漫游);强大的生态链支持,在芯片侧,华为海思、高通、英特尔都有计划研发制造NB-IoT芯片,很多厂商也都会生产相应模块,预计量产之后,模块价格约为5美元;全球标准化授权频段(运营商保证高可靠性传输)。

华为于去年9月推出了业界首款NB-IoT芯片Boudica 120,12月份对其规模商用。目前市面上所有的NB-IoT都是基于这款芯片设计的。而到今年第四季度,将会有Boudica 150规模商用。新的芯片可提高更高性能、更低集成度、更多频谱适配以及更低功耗。

NB-IoT芯片/模块产业链日趋繁荣。产业巨头纷纷投入,芯片侧包括Qualcomm、Intel、SEQUANS、RDA和NORDIC,模块侧则有利尔达、u-blox和Telit等。

他指出,NB-IoT终端要大规模市场商用,就需要有很大的网络覆盖。2017年华为将在全球建成超过30张NB-IoT商用网络——占全球人口的32%,覆盖10%的国家。

同时,他透露,在欧洲,在德电、沃达丰等的引领下,NB-IoT在德国、荷兰、爱尔兰等国都在规模部署,具体应用包括智能农业、智能水务、智能停车、智能楼宇等。而在中国国内,则是有三大运营商牵头规模部署,中国联通在上海完成800+站点建设,覆盖外环内区域。上海联通2016年12月完成NB-IoT部署。中国电信计划2017年6月完成全国覆盖。具体应用包括智能停车、税务、燃气、共享单车等。在韩国,LGU+计划2017年4月完成NB-IoT全国覆盖,应用包括空气质量检测、智能家居设备等。

NB-IoT部署模式细化探讨

是德科技中国区无线市场经理朱小月表示,从技术角度说,没有哪一种技术能够满足物联网领域的所有应用。像现在很火的VR和车联网等等应用对数据速率和时延要求非常高,而对智慧路灯、智能抄表等应用则是数据速率要求没那么高——它们的主要挑战是在覆盖范围以及功耗。

因此,产业联盟推出了各种技术,比如LPWAN(低功耗广域网)技术。以智能水表为例,技术实现不难,即由传统水表+通信模块组成。发送的信息量很小:使用量+时间戳+水表ID。为了安全,在这种应用中不能使用交流供电方式,只能采用电池供电,所以设计必须低功耗。另外是覆盖深度问题,水表一般放在比较深的位置。

以往这种应用是通过部署专网解决,但是这需要购买大量基础设施布网,并且后续还需要部署大量人力物力进行维护。蜂窝网相对来说已非常成熟,安全性和标准流程都更加规范。以往运营商并不重视这块业务。而现在3GPP第13次会议提出了NB-IoT技术。它有以下几个特点:小区覆盖密度高、成本低(低于5美元)、使用寿命长(10年以上寿命)、覆盖深度深(链路预算多出大约20dB)。

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NB-IoT现在仅支持FDD双工模式,还没有计划支持TDD双工模式。要做到低功耗低成本,因此NB-IoT只支持半双工模式。不支持MIMO,信号带宽也很小(180kHz)。这样低的技术要求使工程师能在设计产品时把成本进一步降低。对于低功耗,3GPP也专门定义了eDRX等专门的工作模式。

朱经理对NB-IoT的三种部署模式做了更深入的探讨。Stand-alone:NB-IoT载波可直接替换GSM网络的载波,这对于没有LTE-FDD牌照的运营商来说很有必要。Guard band:LTE两个载波之间有保护边带,保护边带原来是用来防止干扰,现在NB-IoT由于很窄,可以利用保护边带来进行网络部署。In-band:将NB-IoT的信号嵌入到LTE信号当中,替换掉它的一个RB信号,这在处理上以及对干扰的影响都比较小,对于有FDD牌照的运营商是最优的一种部署模式。

NB-IoT的下行帧结构基本继承了LTE帧结构的参数。比如180kHz即12个15kHz子载波。因此,NB-IoT在和LTE一起部署时干扰比较小。从时域上看,一个NB-IoT帧包含10个子帧,每个子帧包含2个时隙,1个时隙0.5ms,相当于7个OFDM符号,这和LTE完全一致。其他信道也基本继承了LTE的配置,只是由于是窄带信号,会对某些参数进行修改。

NB-IoT的上行帧类似,也是基于SC-FDMA技术。为了适应不同的部署场景,它提出了single-tone和multi-tone这两种串行模式。比如对于信号比较弱或对用户密度要求比较高的场景,可以使用single-tone的模式。它指的是一个用户在发送信号时只占用一个子载波,这样可以使UE在发送串行信号时峰均比较低,对PA的要求也更低,进一步降低芯片/模块成本。子载波宽度可以使用0.5ms(15kHz)或2ms(3.75kHz,用于部署密度高的场景)。对于180kHz的总带宽来说,子载波宽度越小越能容纳更多用户数。multi-tone针对的是对数据量稍有要求的场景,可以使用3、6或12个子载波(15kHz)来传输数据。

此外,为了更好地支持NB-IoT终端,3GPP规定了3种不同覆盖等级,对应3种PRACH资源配置。比如对于水表部署在非常深的地下室里,基站传过来的信号比较弱。因此根据接收到的参考信号强度,用户可以知道所处覆盖环境的好坏。知道覆盖环境较差后,便可以选择最高等级的次数去重传,进而提高接收的信号质量。这使得覆盖范围能达到20dB的改进。

她表示,NB-IoT设备有关功耗和效率的测试挑战包括以下三个:将模块或终端设置到各种实际工作模式(IDLE、CONNECTED、PSM和eDRX)进行测试,并测试重传、数据发射或OTA更新等耗电活动的影响;在有大尖峰电流的情况下精确测试睡眠模式(即同时包含小信号和大信号的动态测量);表征包括老化效应在内的电池放电。

是德科技提供基站模拟器和功耗分析仪应对上述测试挑战。基站模拟器用来模拟基站,和模块/终端进行信令连接。连接之后控制其进入到重传、PSM、eDRX等工作模式。同时用功耗分析仪并行测试整体功耗情况。是德功耗分析仪与传统仪器的区别在于它能从nA到A级别动态无缝切换量程。另外,它本身没有内阻,但可以通过编程来输出电阻,模拟电池内阻或其他场景,满足电池供电场景下的测试所需。

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