窄帶物聯網標準化概述和性能測試

物聯網世界發展迅速，其組件規模已經從2006年的20億發展到了2020年預計300億數量。目前，物聯網技術和應用在實現產品追蹤、固定資產管理、提高生產管理效率、節約成本甚至保障人員安全等方面都做出了重大的貢獻，已經被視為國家經濟增長的穩定動力之一。

傳統的物聯網設備通常采用工作在非授權頻段的短程無線電技術，比如Wifi、Zigbee和藍牙技術，這些設備往往受到局域、短程通信的限制。針對這種限制，適用于廣域、遠程通信的低功率廣域網(LPWAN)應運而生，它具備低功耗、低速率、低成本、廣覆蓋等特征。LPWAN有兩個技術分支，一個分支采用非授權頻段，如SigFox和LoRa；另一個分支采用授權頻段，如蜂窩物聯網技術。3GPP工作組針對蜂窩物聯網提出了兩項基于LTE的物聯網通信技術，分別為eMTC（enhanced Machine Type Communications）和NB-IoT。基于蜂窩窄帶物聯網NB-IoT作為LPWAN的一項典型技術，與傳統物聯網傳輸技術相比，改變了通過中繼網關收集信息再反饋給基站的復雜網絡部署，解決了多網絡組網、高成本、大容量電池等諸多問題，構建于蜂窩網絡上，只消耗180kHz的帶寬，可直接部署于2G、3G及4G網絡。

NB-IoT技術的推廣實施涉及到芯片、模組、終端、電信運營商、應用等全產業鏈的協作。在現階段，芯片、模組等環節對NB-IoT產業化進程起著更加重要的作用。目前，全球已有101家運營商部署了NB-IoT，行業已發布50款NB-IoT模組，其應用方向主要分為消費性物聯網（智能穿戴設備）、工業物聯網、生產和消費混合性物聯網（車聯網與智能家居）、物聯網綜合集成應用平臺（智慧城市）等。我國三大電信運營商均在加速推進物聯網建設和發展，中國電信于2018年末成立了中國電信天翼物聯技術有限公司，中國移動成立了移遠通信股份有限公司，都旨在優先部署NB-IoT、擴大網絡規模、搶占市場先機。

NB-IoT在現階段的發展同樣面臨幾大問題：首先，雖然鼓勵物聯網行業發展的相關政策不斷推出，但目前NB-IoT還沒有進入大規模商用階段，普及程度仍較低；NB-IoT行業上下游還未進入大規模量產階段，芯片、模組的成本相對較高，有待大規模量產并進一步降低價格；對于NB-IoT頂層設計來說，更為重要的是NB-IoT領域的技術標準有待進一步完善，相關芯片、模組、終端產品的測試標準有待完善和推出，以便對產品和相關系統的穩定性、安全性進行測評。

NB-IoT標準化現狀

國際標準化現狀

NB-IoT標準主要包含核心標準、一致性測試標準和性能標準。核心標準規范了信令協議、網絡接入等協議內容，一致性測試標準是射頻、協議、RRM的測試標準，性能標準則規定了具體垂直應用領域的性能和測試規范。

NB-IoT核心標準的標準化進程經歷了業界多方漫長的合作和探討。2013年，華為首先聯合業內廠商發起了名為LTE-M(LTE for Machine to Ma?chine)的窄帶物聯網研究。LTE-M提供了兩種技術方案：分別為基于GSM演化的eMTC技術和基于FDMA、GMSK調制的全新NB-M2M技術。2014年，由華為、中國移動、沃達豐、諾基亞等主導的SI課題“Cellular System Support for UltraLow ComplexityandLow ThroughputInternetof Things”在3GPP GERAN組正式立項，SI課題將LTE-M正式命名為Cellular IoT，即CIoT。2015年，高通聯合華為又進一步推出一種上行鏈路采用FDMA多址、下行鏈路采用OFDM多址的融合技術方案，即為NB-CIoT（Narrow Band Cellular IoT）。NB-CIoT可以支持海量低速率終端接入、增強覆蓋、降低終端成本和復雜度、實現低功耗（電池壽命達10年）和低時延、支持上下行傳輸，但NB-CIoT作為一種全新技術，與傳統的LTE技術架構仍然需要考慮網絡兼容問題。2015年8月，愛立信、中興主導在GERAN SI階段末次會議中提出了NB-LTE（Narrow Band LTE）技術。NB-LTE與NB-CIoT相似，但更傾向與傳統LTE兼容，更易于實現部署。NB-LTE采用了LTE實體層和絕大部分LTE上層網絡，減少了設備的升級更新，并沿用LTE原有網絡架構，能夠實現快速部署。2015年9月，業界各方在3GPP RAN全會最終達成一致，將NB-LTE和NB-CIoT兩種方案整合成為最終形式的NB-IoT方案，并將其確立為窄帶蜂窩物聯網的唯一標準。2016年6月，NB-IoT核心標準正式在3GPP R13凍結。NB-IoT采用180kHz窄帶系統和3.75kHz子載波間隔，能夠實現比現有GPRS網絡提升20dB的深度覆蓋、每個扇區具備支持5萬個以上的海量連接能力、實現更靈活時延。

NB-IoT一致性測試標準由3GPP RAN5工作組制定，NB-IoT性能標準由3Gpp RAN4工作組制定。RAN5的終端一致性測試子工作組（NB_IoTUEConTest）根據運營商和終端廠商溝通情況，將相關測試優先級分為兩個階段。隨著3GPP持續推進NB-IoT一致性標準和性能標準，GCF（Global Certification Forum）作為運營商和終端制造商共同成立的組織，目前正積極地參與NB-IoT儀表、終端的互操作，一致性測試標準化推進工作，并分別針對NB-IoT射頻、協議、RRM等成立了WI-259、WI-257、WI-258工作組。

國內標準化現狀

據中國信息通信研究院2018年調研數據顯示，未來幾年我國物聯網行業年均增速可達30%左右，NB-IoT相關的物聯網平臺、傳感器、芯片等產業鏈上下游將充分受益。但NB-IoT作為通信行業新興應用，在國內也同時面臨著打造規范化的行業標準、營造健康產業生態的嚴峻挑戰。目前，中國電信終端產業協會（TAF）及中國通信標準化協會（CCSA）正全力主導推動我國的NB-IoT行業標準化工作。

CCSA的TC5WG9從2016年開始專門負責我國NB-IoT的行業標準制定工作，其工作方向主要集中在3GPP的基礎上，對面向物聯網行業的NBIoT接入技術和測試方法開展研究。目前，CCSA在工信部研究院和三大運營商的主導下，主要完成了如下行業標準的制定工作：《面向物聯網的蜂窩窄帶接入（NB-IoT）無線網總體技術要求》《面向物聯網的蜂窩窄帶接入（NB-IoT）核心網總體技術要求》《面向物聯網的蜂窩窄帶接入（NB-IoT）核心網設備技術要求》《面向物聯網的蜂窩窄帶接入（NB-IoT）終端設備技術要求》《面向物聯網的蜂窩窄帶接入（NB-IoT）安全技術要求》《面向物聯網的蜂窩窄帶接入（NB-IoT）基站設備技術要求》《面向物聯網的蜂窩窄帶接入（NB-IoT）核心網設備測試方法》《面向物聯網的蜂窩窄帶接入（NB-IoT）基站設備測試方法》《面向物聯網的蜂窩窄帶接入（NB-IoT）終端設備測試方法》。

TAF專注于融合NB-IoT與具體的垂直行業應用，完善相關標準體系及內容。TAF針對物聯網產業界在模組形態開發、指令集應用五花八門的現狀，首先推出了物聯網模塊協會標準，主要包括：《面向窄帶物聯網（NB-IoT）的終端模組總體規范》《面向窄帶物聯網（NB-IoT）的終端模組規范BAND3和BAND5和BAND8》《NB-IoT設備互聯互通測試方法》《NB-IoT終端及模組功耗測試》。

縱觀國內外NB-IoT標準化進展，在NB-IoT核心標準已經成熟凍結的前提下，運營商、制造商、行業組織均及時響應3GPP的基礎架構，持續推動一致性和性能標準的完善。對于協議、射頻、RRM等一致性測試標準研究，企業和行業基本可以采用依據3GPP提供的傳統LTE通信的測試架構開展研究。然而，對于NB-IoT性能測試方法及標準的研究工作，在把握總體的性能測試思路的基礎上，往往需要結合具體垂直行業細分應用展開研究，例如智能城市、智慧醫療、智慧家居等不同應用領域對于關鍵評定性能的優先級需求都不盡相同。

NB-IoT性能測試

性能目標

評價NB-IoT的基礎性能指標通常包括覆蓋范圍、最小傳輸速率、服務時延、設備功耗（電池壽命）、系統容量、設備復雜度等。此外，考慮NB-IoT可以采用3種不同的頻率部署方式，其中Stand?alone獨立部署模式利用GERAN系統占用的資源替代當前一個或多個GSM載波，Guard-Band保護帶部署模式目前LTE載波保護帶上沒有使用的資源塊，帶內部署In-Band利用LTE載波內的資源塊，因此部署靈活性也是NB-IoT性能評價需要考量的指標。

NB-IoT性能評估嚴格意義上應該基于3GPP R13規定的相較GSM/GPRS有20dB覆蓋增強（即最大耦合損失164dB）的基礎展開工作，在此基礎上，進一步探索NB-IoT處于最優性能時的耦合損失、在其他不同耦合損失水平下的性能表現。NBIoT的實際性能與設備、基站的實際實施方案緊密相關。目前，基于3GPP R13凍結協議的NB-IoT性能評估規范和標準并沒有完全公開。

雖然3GPP 45.820技術報告（Cellular System SupportforUltralow Complexity and Low Throughput Internet of Things）和3GPP發布的相關文獻中提供了大量的測試案例和結果，但其中大部分并非完全根據3GPP R13協議而展開測試研究的。

目前NB-IoT性能測試現狀具體可以概括為：國際標準、行業標準在持續推進，但同時行業內的企業、科研院校等也開展大量的結合具體垂直應用的測試方法研究和測試案例分享。例如，荷蘭Holst Center針對NB-IoT和eMTC在智慧城市中的應用，采用無線NS-3仿真測試模型開展了NBIoT功耗、時延和可擴展性等性能評估研究；愛沙尼亞的Thomas Johann Seebeck Department of Electronics針對NB-IoT在健康醫療領域的應用，提出了融合單傳感節點和多傳感節點匯聚兩種不同基站通信方式的系統架構模型、通信模型，并采用蒙特卡羅仿真實現對有效吞吐量、蜂窩容量、時延等性能的評估。

性能評估方法

為了便于NB-IoT系統部署之前或過程中能夠精確評估系統性能參數，必須發展可靠、有效的專用工具。目前，行業內并沒有發展專門面向NBIoT的測試工具，測試評估工作往往借鑒傳統測試領域中比較高效的評估方法，具體包含模擬工具法（如Matlab、NS-3、OMNet++）、仿真工具法、試驗臺法、試驗區法等，每種評估方法都可以應用于具體場合。

參考傳統電信系統的性能評估方案，NB-IoT的性能評估可以采用分析模型或網絡評估系統兩種不同的方案。分析模型主要是對系統進行數學建模（如采用Markov鏈），使得研究者可以簡便地通過改變數學模型的不同參數以評估系統整體或局部的變化，這種方案尤其適用于基于簡單網絡協議的系統，但不適用于處理實際物理世界中的復雜部署問題。

網絡評估系統方案則可以模擬實際的系統行為，并提供可觀測的結果，該方案通常采用模擬工具、試驗臺或仿真工具等具體實現技術。采用模擬工具可以實現對高復雜度的應用場景進行建模，并觀測應用系統隨時間的演化情況，它是計算機對實際應用系統的復制化。試驗臺則一般用于對給定設備進行嚴格、透明測試，在NB-IoT應用中，試驗臺可以用于對投入量產前的系統關鍵部件進行測試。仿真工具主要是通過采用虛擬系統的方式評估實際的系統性能，具備可重復、可配置、易隔離和便于管理等特點，避免使用過度復雜的物理架構。網絡評估系統方案的每種實現技術都有其優缺點，而且相互之間并不互斥，在特定的應用場合都能實現最佳效果。