基于LTE的移動物聯網通信新技術發展綜述

王康年，張洪德，張曉克

(陸軍工程大學 通信士官學校，重慶 400035)

0 引言

咨詢機構IDC預測，截止到2020年，國際上物聯網的商業規模將達1.7萬億美元[1]。同時，隨著工業4.0和智能制造等概念的加速演進，可以預見，僅制造業領域的物聯網市場即將達到2.5萬億美元。可見，物聯網的市場驅動力前所未有的強大。物聯網概念是 2005 年 11 月在信息社會世界峰會上正式提出[2]，由ITU國際電信聯盟在報告中進行了明確。對我國而言，物聯網的正式興起則是始于2009 年，經過業界的共同努力，物聯網已成為我國五大新型戰略性產業之一。

在當前通信技術日益發展的今天，移動物聯網中的核心通信技術有諸多選項，但是由于物聯網和傳統通信網絡的區別，其對于通信技術有著特殊的需求，需要在眾多通信技術中擇優按需選擇，已經引起了廣大學者和產業界的極大關注。

1 基于LTE的移動物聯網

1.1 移動物聯網的需求

物聯網，盡管不同國家的理解不甚相同，但普遍認為是由物與物互聯而組成的網絡，英文簡寫為IoT(Internet of Things)，屬于一種泛在網[3]。物聯網的內涵較為豐富，通常可以認為包含兩層，即互聯和交換。互聯指的是物聯網的基礎和核心是互聯網，IoT網絡發展的基礎是互聯網。交換則指的是用戶通過互聯網與物體之間進行了信息傳輸和交換。綜合而言，IoT依托互聯網這一核心網絡，借助智能感知技術，實現了用戶、網絡和物體的一體化傳輸和交換，是一種集智能感知、目標識別、信息處理、信息交換的新型網絡技術。物聯網經過目前的初級發展階段，雖然還未全面成熟，但是在諸多領域，包括智慧交通、智能電力、智慧環保等領域已經取得了豐碩成果。

物聯網首要解決的問題從用戶端而言，即為互聯網的接入。當前，傳統物聯網接入通常分為兩大類，一是近距離無線接入技術，通常應用在智能家居、工業數據采集和智能制造領域，具體實現包括ZigBee、WiFi、Bluetooth等；二是蜂窩移動通信技術，通常應用于遠程控制和不易部署近距離無線接入設施的場合。前者覆蓋能力局限于小地域范圍，同時也依賴于回傳網絡；后者覆蓋范圍廣，并且具有一定的移動性，但是系統容量有限，通信成本較高[4]。

物聯網對于通信技術的特色需求在于：廣覆蓋、大容量、低功耗和低成本。針對這種需求，一類新型的低功耗廣域覆蓋 (Low Power Wide Area，LPWA)通信技術應運而生，該類技術基于LTE實現，分為兩種，一是NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)，也稱為Cat-NB1；二是eMTC(enhanced Machine Type Communications)，也稱為Cat-M1。這兩種基于LTE的移動物聯網技術均可以滿足物聯網對通信越來越高的需求，即實現無線網絡的泛在覆蓋，并提供給用戶高質量的QoS保證，同時保證用戶應用的端到端安全可靠，最終通過統一的國際標準規范實現物聯網的互聯互通互操作。

1.2 基于LTE的移動物聯網系統架構

基于LTE的移動物聯網體系架構可以分為三層，如圖1所示。

圖1 基于LTE的移動物聯網系統架構

感知層主要實現對現實世界的感知、識別、采集和控制，由各類終端組成，包括IoT智能終端、RFID讀寫器、感知終端及傳感器節點等[5]，各類終端的主要功能是感知數據并上報。網絡層則是提供物聯網數據傳輸通道和通信服務。

網絡層充當感知層和應用層的中介，為上下兩層提供網絡接入和數據傳輸與交換服務。具體而言，主要是面向各類物聯網終端和傳感節點提供無線網絡的接入服務。在該層中，主要基于LTE網絡實現不同速率、時延和可靠性要求的物聯網業務數據的匯聚、交換和傳輸。

應用層則是直接面向各領域、各行業不同用戶的具體應用，目前比較典型的應用有可自動報警的智能安防、可實現遠程抄表的智能電力、可自動感知的智慧交通、具備自動灌溉功能的智慧農業等。

2 基于LTE的移動物聯網通信技術演進與比較

2.1 技術演進

LTE通信技術設計之初主要是為了解決移動寬帶業務，并沒有專門針對物聯網的考慮。LTE通信技術要滿足物聯網需求，必須具備三個條件：一是大規模連接，物聯網設備連接數量很多；二是網絡覆蓋增強；三是實現低功耗、低成本、低流量。

3GPP的Rel.10和Rel.11解決大規模連接問題。從Rel.12開始，3GPP主要著手解決低功耗、低成本、低流量問題，3GPP主要定義了PSM(Power Saving Mode)省電模式和LTE Cat 0。

PSM的啟動是在數據連接終止或周期性TAU完成后開始的。數據連接終止后，終端首先進入空閑模式，同時進入不連續接收(DRX)狀態，終端此時監聽尋呼(Paging)。終端在DRX定時器超時后即進入PSM省電模式。終端在PSM省電模式下處于休眠模式，幾近關機狀態，從而大幅度省電，此時，終端不再監聽尋呼，但仍然注冊在網絡中，因此，再發送數據時不需要重新連接或建立PDN連接。

LTE Cat 0模塊的復雜度有50%的降低，主要是降低模塊硬件復雜度、成本及功耗，當然犧牲了部分功能。LTE Cat 0采用半雙工模式，取消了全雙工，意味著終端無需同時接收和發送數據，從而不需要雙工濾波器來防止收發信號間的干擾。LTE Cat 0的數據速率還降低為上下行僅1 Mbps，從而降低了模塊的處理和存儲能力，成本也得以降低。

Cat系列版本較多，其中業界普遍認為Cat 0是過渡版本，而真正適用于移動物聯網的則是Cat-M1。由于Cat-M1采用了LTE移動通信技術，通常又被稱為增強型機器類型通信eMTC。

3GPP在Rel.13中引入了LTE Cat-M1和LTE Cat-NB1。LTE Cat-M1更精簡、更低成本、更低功耗，帶寬從20 MHz降到1.4 MHz，終端發射功率更小，可達到20 dBm。LTE Cat-NB1，即NB-IoT，其帶寬僅為180 kHz，可以部署于空閑LTE資源塊、LTE載波之間的空閑頻譜(保護帶)或獨立部署(空閑的GSM載波)[6-7]。LTE Cat-NB1的最佳應用就是面向遠程抄表等更低速率、低成本、長電池壽命的物聯網應用，接收帶寬僅200 kHz、上行3.75 kHz的單子載波傳輸方式、擴展周期不連續接收 (enhanced Discontinuous Reception，eDRX)等特性，進一步降低了功耗，提升了覆蓋，最大可能地滿足了物聯網應用需求[8]。

2.2 Cat-M1和Cat-NB1的關鍵技術與比較

2.2.1 Cat-M1

在3GPP標準中，基于LTE的Cat系列定義了兩類終端類型。第一類是Cat 0終端類型，在3GPP R12中進行了定義，該類型終端的工作帶寬為20 MHz，并以半雙工的工作模式可提供23 dBm的最大發射功率，由于高工作帶寬，使得該類型終端的成本過高。第二類則是Cat-M1類型終端，在3GPP R13中進行了定義，是對Cat 0終端類型的簡化，為了降低射頻要求，節約終端成本，將工作帶寬從20 MHz降低到了1.4 MHz，并且該類型提供了2種省電模式，即PSM節能模式與eDRX接收技術，使得終端發射功率達到20 dBm，從而終端功耗大為降低。并且在3GPP R14中，進一步增加了定位功能、SC-P2M下行廣播功能以及異頻測量等功能[9-10]。

Cat-M1在四個方面體現出了獨特的差異化特點：一是數據傳輸速率高，相比Cat-NB1而言，所支持的物聯網應用更加豐富，其可支持的上下行最大峰值速率可達1 Mbps；二是高移動性，由于Cat-M1可支持連接態的移動性，使得智慧公交、智能電梯、智慧物流等領域用戶可以實現無縫切換，確保應用的一致性和連續性；三是支持定位，基于TDD的Cat-M1可以在無需新增定位芯片的情況下實現基于網絡位置的定位，充分利用基站側的PRS位置測量信息，從而大大降低定位成本，促進倉庫監管、物流跟蹤的定位需求場景的應用普及；四是支持VoLTE語音，Cat-M1演進自LTE通信協議，其VoLTE語音技術可以方便地應用到具有語音功能需求的穿戴設備等應用場景中[11]。

2.2.2 Cat-NB1

Cat-NB1也是基于LTE通信協議，下行信道采用OFDMA技術，其子載波間隔為15 kHz；上行信道采用SC-FDMA技術，Single-Tone模式時子載波間隔為3.75 kHz或15 kHz，Multi-Tone模式時的子載波間隔為15 kHz[12-13]。Cat-NB1增強了小數據包發送功能，具備低功耗和大連接特性，其核心網的部署支持2種方式：獨立部署和升級部署。

Cat-NB1的工作方式目前僅支持FDD，蜂窩組網基于授權頻譜模式進行。單載波占用的頻率帶寬為200 kHz，實際占用的頻率帶寬僅為180 kHz，其中兩端各預留了10 kHz的保護頻譜間隔。Cat-NB1的部署方式有3種，即帶內(In-band)部署、保護頻帶(Guard-band)部署或獨立載波(Stand-alone)部署。并且支持與現有網絡的共存，從而實現低成本的系統升級。3GPP對Cat-NB1正在持續進行功能增強和優化，具體包括基于E-CID、OTDOA/UTDOA的定位功能，基于SC-PTM的多播功能，以及移動性、業務連續性支持，并優化實現低功耗終端類型和TDD工作方式[8]。

Cat-NB1具備明顯的四大優勢[14]：一是網絡覆蓋能力強，在獨立部署模式下，其覆蓋能力與傳統GSM相比較，提升20 dB，最大空口路徑損耗可達164 dB，尤其適合無線信號微弱的地下車庫、地下管道等應用場景；二是系統支持的容量大，可支撐海量節點的網絡連接，僅單個扇區即可支持超過10萬個的用戶連接；三是終端能耗低，待機時間長，同Cat-M1類似，主要通過PSM節能模式與eDRX接收技術，達到超過10年的待機時長；四是終端模塊成本低，基帶復雜度低，使用180 kHz窄帶頻譜，并結合單天線和半雙工的工作模式降低了終端射頻的成本。

2.2.3 兩種技術的比較

Cat-NB1與Cat-M1的主要技術比較如表1所示。

從帶寬來看，Cat-NB1基于窄帶模式，Cat-M1則具有更高的帶寬；從工作模式上看，Cat-NB1基于FDD模式，Cat-M1則基于FDD模式和TDD模式，并可在LTE系統上軟件升級；從應用上看，Cat-NB1專為成本高效、時延不敏感、低數據量、深度覆蓋用例的需求設計，Cat-M1則為滿足高可靠性、關鍵業務型和低延時用例的需求設計。

從技術的局限性來看，Cat-NB1與Cat-M1都有著各自的短板。Cat-NB1對數據速率支持較差，沒有語音通道，且移動性弱，在實測環境中，無法滿足超過30 km/h的速度。Cat-M1性能優于Cat-NB1，導致芯片模組成本略高，且在小區容量上，沒有進行過定向優化，難以滿足超大容量的連接需求[15]。

從表1可以發現，盡管eMTC和NB-IoT均適用于低功耗、廣域覆蓋的應用需求，但是在數據傳輸速率、網絡覆蓋能力和功耗方面還是有差異的，兩者的應用場景互為補充，共同支撐業務領域廣泛的物聯網應用。其中Cat-NB1尤其適用于低吞吐量的應用需求，比如智能電力、智慧停車等[8]，而Cat-M1則更加適用于高移動性、高數據速率和支撐VoLTE語音等功能需求的應用場景。

表1 Cat-NB1與Cat-M1的主要技術比較

技術特征類型Cat?M1Cat?NB標準制式FDD/TDDFDD下行峰值速率1Mbps<250kbps下行峰值速率1Mbps<250kbps(MultiTone)20～40kbps(SingleTone)天線數量11延時ms級s級語音能力支持不支持雙工方式半雙工半雙工載波帶寬1．4MHz200kHz發射功率23/20dBm23dBm覆蓋155．7dB獨立部署可達164dB終端復雜度20%<15%

3 基于LTE的移動物聯網中的低功耗技術與比較

3.1 省電模式 (PSM)

用戶終端的PSM模式是在Rel.12中引入的。為了最大化用戶終端的停機時間，在執行完周期性跟蹤區更新 (TAU)之后，在空閑時間的可配置窗口期間，始終保持可尋呼狀態。一旦空閑時間窗口結束，則設備進入休眠狀態，并且直到下一個周期性TAU才能繼續訪問。

在PSM模式中，用戶終端一旦接入PSM模式，將關閉接收機，不再接收空中接口的系統消息和尋呼消息，因此網絡側無法主動聯系用戶終端，只有等待用戶終端需要發送上行數據(MO data)或者需要執行周期性位置更新(Periodic TAU)時，才會主動喚醒執行上行業務流程[16]，如圖2所示。

圖2 省電模式PSM示意圖

PSM模式對于需要稀疏周期性報告的應用場景特別適合，比如每天匯報數據一次的情形。從延時角度來看，PSM模式對于下行業務時延無要求的場景，比如智能水表的下行業務主要為參數位置、固件升級等，均可以等待用戶終端發送上行數據進入連接態后再發起，從而可以使用PSM進一步節省終端功耗。

3.2 擴展不連續接收(eDRX)

擴展不連續接收eDRX的核心思想在于，延長了原來DRX的時間，減少了終端的DRX次數和頻率，以達到省電的目的。DRX的最小間隔為2.56 s，這對于隔很長一段時間才發送數據的物聯網設備來說，過于頻繁。

在每個eDRX周期內，有一個尋呼時間窗口(Paging Time Window，PTW)，用戶終端只在PTW內按DRX周期監聽尋呼信道，以便接收下行業務，PTW外的時間處于睡眠態，不監聽尋呼信道，不能接收下行業務。如圖3所示，eDRX可工作于空閑模式和連接模式。

圖3 eDRX應用示意圖

在連接模式下，eDRX把接收間隔擴展至10.24 s；在空閑模式下，eDRX將尋呼監測和TAU(Tracking Area Update)更新間隔擴展至超過40 min[17]。在規范中定義設備可以請求的超幀的最大數量有所區別，對于Cat-M1而言，延長睡眠加起來約有40 min，而對于Cat-NB1來說，則將近約有3 h。

3.3 PSM和eDRZ技術的比較

PSM模式和eDRX模式之間的不同之處在于，用戶終端從休眠模式進入可接收模式這個時間間隔的長短。在PSM模式下，用戶終端需要首先從休眠模式進入激活模式，然后才進入空閑模式。在eDRX模式下，用戶終端本身就處于空閑模式，可以更快速地進入接收模式，無需額外信令[18]。

比如，某物聯網應用需要終端每10 min要回應一次，假如采用PSM模式，終端不得不每10 min終止PSM模式，并進行TAU，需經歷這個過程后才能進入空閑模式。假如采用eDRX模式，用戶終端將會每10 min直接進入接收模式，這樣就可以更加省電，并且能夠減少信令負荷。從另一個角度來看，對于那些每天才發一次數據的物聯網用戶終端，采用PSM模式將會更加省電。因此，如何配置PSM和eDRX，需要根據實際應用場景的不同需求來決定。

4 基于LTE的物聯網通信新技術的實現策略與應用

4.1 實現策略

2016年全球標準化組織3GPP凍結了Rel.13中基于LTE的物聯網技術標準[19]，即Cat-M1(eMTC)和Cat-NB1(NB-IoT)，前者指定在1.4 MHz窄帶中提供高達1 Mbps的可變速率，后者指定在200 kHz窄帶中提供小于100 kbps的速率，標準凍結后，提供基站、芯片、應用服務的企業蓄勢待發，為其實現提供了廣泛的支持。

從具體實現上來看，Cat-M1和Cat-NB1可以很大程度上復用現有 LTE的網絡基礎設施，只需要通過投資少量設備，就可以實現網絡對未來Cat-M1和Cat-NB1的完全支持，該策略實現簡單，無需重建新的網絡。對于大多數在網系統設備而言，無線側通過升級基站的方式即可支持Cat-M1和Cat-NB1。對于傳統核心網而言，可以直接實現對Cat-M1的支持，如果要實現支持Cat-NB1的功能，則需要對核心網進行一定的升級。

Cat-NB1可通過核心網升級來實現，有兩種策略方案：即控制側優化方案和用戶側優化方案。控制側優化方案，無需建立空口和核心網之間的連接，傳輸小數據包主要利用包含在NAS消息中的控制側，但該方式需要引入C-SGN新功能實體[8]。用戶側優化方案中，空口和核心網需要為小數據業務建立數據承載，傳輸小數據包主要在用戶側進行，但該方案無需引入新功能實體。從目前的應用現狀來看，各大運營商比較傾向于控制側優化方案。

4.2 應用

根據第三方統計，到2025年，全球物聯網的終端連接將達到50億以上，這顯然是一個顛覆性的機會。而連接性基于LTE的蜂窩技術毫無疑問將是最主流的技術，主要就是Cat-M1和Cat-NB1。

從生產廠家角度來看，目前，國際主流的系統廠家和芯片公司紛紛投入Cat-M1和Cat-NB1 產品的研發。比如，高通為Cat-M1和Cat-NB1定制了多模多頻芯片MDM9206，該產品支持Cat-M1和Cat-NB1兩種模式，以及Cat-M1、Cat-NB1的全球所有頻段。

從運營商角度來看，歐洲同時兼顧Cat-M1和Cat-NB1，但Cat-NB1部署更快；北美主要側重于Cat-M1的部署。2017年2月底，AT&T、KPN、KDDI、NTT docomo、Orange、Telefonica、Telstra、Verizon等主流運營商在MWC2017會議上明確支持Cat-M1全球部署[1]。從我國運營商的部署來看，Cat-M1和Cat-NB1正在同時展開。因此，從運營商部署的角度來看，歐洲和我國優先選擇NB-IoT網絡，而美國則主要選擇Cat-M1技術。

5 結束語

物聯網和人們的生活息息相關，特別是智慧城市、遠程醫療、衛生環保、智能制造等應用領域，而基于LTE的移動IoT通信技術無疑已經成為物聯網技術得以推廣的重要技術支撐。相信在不遠的將來，基于Cat-M1和Cat-NB1的移動IoT應用將得到最廣泛的發展。

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