低速率物联网蜂窝通信技术应用展望

2021-06-30赵子奇

电子测试 2021年5期

赵子奇

（广州杰赛科技股份有限公司，广东广州，510310）

0 引言

我国近年来出现了物联网，基于科技的进步与社会的需求，物联网以较快的速度实现发展。低速率物联网蜂窝技术对物联网和蜂窝技术实现连接。我国目前正在积极发展蜂窝移动通信网络，建设了大量通信铁塔，通信塔随处可见。合理联合物联网与蜂窝通信技术，有效提升了物联网的运行水平，节省了成本。

1 低速率物联网蜂窝通信技术概念

物联网基于互联网实现延伸和发展，在物品与物品交换的过程中对互联网的用户信息扩展交换。蜂窝通信技术以蜂窝无线网方式与用户端、无线通道连接，使用户达到通信的目的。而物联网蜂窝通信技术有效结合了各种优势，提高了效率与节省了成本。

当前低速率物联网蜂窝通信技术不断提高了发展水平。但Cat.1模块不具备相对成熟的技术，导致不少生产商与研究人员都集中力量发展该模块，保证了模块与物联网同步发展。目前物联网通信备受关注，Cat.1和NB-LOT均在飞快发展。我国在发展低速率物联网方面有良好的前景。

2 物联网技术发展

2.1 物联网接入技术分类

物联网无线接入技术包含Zigbee、WiFi、蓝牙等长短距无线通信技术类型。物联网接入技术分类见图1所示。

图1 物联网接入技术分类

2.2 物联网接入技术演进

物联网接入技术综合演进方向见图2所示。

图2 物联网接入技术演进方向

传统蜂窝网络演进方向：（1）大宽带、高速率应用；（2）低时延、高可靠应用；（3）低功耗大连接。

短距接入技术未来的发展特征为低功耗广覆盖。全新发展的非授权频谱光与技术涉及LoRa和Sifox等。

2.3 物联网技术及业务适应性

物联网业务有不同的类型，不仅涉及了大宽带高速率业务，还包括部分低功耗、大连接业务。为了与差异化的业务有效适应，随之产生了物联网接入技术，见图3。它主要处理超低时延、可靠的无人驾驶业务；通过3G/4G网络开展视频监控、智能医疗等；而LPWA具体处理终端成本与功耗敏感等工作。运营商互补设计LTE-eMTC与NB-IoT处理相关的业务。中低速应用和LPWA业务由LTE-eMTC提供支持；NB-IoT促进LPWA开展超低速率业务，形成全面覆盖，有利于在屏蔽的远程抄表与恶劣的环境内检测公共设备的应用。

2.4 标准化发展

基于市场发展过程对物联网提出更高的要求。NB-IoT标准化发展由2014年5月开始，发生了数次融合与替换。在第73次工作会议上，NB-IoT在相应工作组内实现冻结。其中，对NB来讲R13属于一个最新标准的技术，再次设计了空口技术；网络凭借窄带系统与子载波间隔扩大了覆盖范围，进一步达到20dB的链路预算目标；UE为半双工提供支撑，避免低端增加功耗，节省了终端费用。要想与低传输速率和功耗的要求相适应，增加3GPPR12的传动级别，UE通过20MHz工作宽带实现半双工，从而简化处置终端功能。

3 低速率物联网蜂窝通信技术的应用展望

制定与完善LTEMTC标准的过程中，对低速率物联网蜂窝通信技术水平不断提升。其中，Cat.1的优势是不需要改造现网、直接使用、达到应用车载模块与小流量视频的要求等，这也是Cat.1迅速发展的原因。需要强调的是，对于NB-IoT与Cat.M两种低速率物联网蜂窝通信技术，为系统研究这部分不同，需深入对比Cat.M和NB-IoT。

3.1 技术背景

联系LTE物联网终端在发展中低成本、低功耗与强覆盖等优势，2014年3GPP建立了首个Cat.M工作组，科学制定了标准，并选择在R13版本实现冻结，这也是产业链发展的结果。若3GPPLTEMTC演进过程中Gat.M发挥了正规军的作用，则NB-IoT是非常强劲的竞争对象。演进流程见图3所示。

图3 演进图

NB-IoT由窄带技术逐步演化为正规军，其中厂商的全面推动与市场现实需求是至关重要的因素。

3.2 标准进展与器件现状

利用3GPP R13对NB-IoT和Cat.M科学定义，当前均没有彻底冻结。将通信技术标准划分为Core Part（主体功能）、性能标准和一致性测试标准等。其中协议的核心内容为主体功能，包括了信令协议与网络接入，与开发业务存在较强的关联性；性能标准是关系着各个子技术领域的性能；一致性测试标准是检测部分流程与功能的相关标准。在器件层方面，各芯片厂商结合决策层规划Cat.Ml路标方案。华为研发NB-IoT芯片速度较快，同时推进产品与标准。

3.3 技术参数比较

Cat.M与NB-IoT两种低功率蜂窝通信技术存在不同的技术参数，其中在带宽、速率与覆盖强度方面形成了显著的差异。

系统带宽中，Cat.M对应1.4MHz，NB-IoT对应200kHz。在每次传输中不同的宽带形成不一样的数据量，直接影响了网络部署与选择频点的效率。

在传输速率中，Cat.M最大为1Mbps，NB-IoT小于250kbps，通常简化为200kbps。GSMA根据不同的预测速度，利用NB-IoT技术与M2M联系，其与Cat.M技术形成1.5倍关系，二者凭借自身速率应用于差异化的场景。

在覆盖增强方面，NB-IoT的优势为窄带，形成大量的覆盖增益，通俗来讲就是穿透的墙多一些。需要注意，NB-IoT在1GHz以下频段部署提高了覆盖水平。

在功耗方面，根据技术理论分析，NB-IoT降低了功耗，在既定的低频率唤醒与电池容量环境下，NB-IoT增加了续航的时间。此外要高度重视移动性与定位能力。无线资源管理RM对二者提出了不同的要求，Cat.M增强了移动性，且不超过120km/h的前提下实现切换连接态自由；NB-IoT降低了移动性，低于30km/h时与步行速度相似，故判断其无法切换连接态，具有较强移动性的物联网不适合对其应用。