低速率物聯網 蜂窩通信技術現狀與展望

陳利歡

【摘要】? ? 隨著社會的進步以及科學技術的發展，移動終端不斷普及，移動互聯技術發展迅速，從人與人之間的交流，發展為人與物、物與物之間的信息交互。在整個物聯網體系中，低速率物聯網占據很大比重。低速率物聯網低功耗、低成本，隨著Cat.M 和 NB-lot 等系統的開發應用，進一步促進了低速率物聯網的發展。低速率窄帶通信技術的研發，解決了多終端通信、低能耗通信、遠距離通信等問題。這一技術成為應用效率最高、傳播范圍最廣、適應能力最強的通信技術。低速率物聯網技術相關研究不斷增多，使人們對其有了更深層次的了解。

【關鍵詞】? ? 低速率? ? 物聯網? ? 蜂窩通信技術? ? 現狀? ? 展望

引言：

近年來，物聯網在我國興起，并且發展迅速，在社會發展中發揮重要的作用。基于互聯網概念的物聯網，使互聯網的信息、用戶交換，向物品與物品延伸。早期物聯網被稱為傳感器，在中國1999 年首次提出。目前對物聯網的定義，是利用一系列科技手段，結合互聯網及AI技術，完成廣泛互聯和信息交互。

蜂窩通信技術是通過無線通道，連接用戶終端，采取蜂窩無線網的方式，用戶可以互相通信。物聯網和蜂窩技術的有機結合，形成低速率物聯網的蜂窩技術，充分發揮各自的優勢，在我國相應的通信鐵搭等基礎設施及移動終端越來越得到普及發展。物聯網和蜂窩通信技術結合，可以有效降低成本，有效提高網絡的運行效率。

一、物聯網應用向LTE MTC發展

物聯網是新一代的信息技術，進一步擴展了互聯網的概念，連接物理設備和日常對象，嵌入網絡連接、電子設備、其他硬件等，進行遠程監控、通信、交互。隨著相關器件、技術的發展，物聯網變為現實。運營商關心的重點是基于蜂窩通信制式的物聯網蜂窩[1]。當前我國模塊市場整體規模已超過3000萬。全球蜂窩M2M模塊從2015到2020年，增長至1.9億。主要垂直應用市場包括移動支付、水電煤三表、環境遠程監測、安防與智能交通等。國內外運營商將2G/3G網絡上承載的物聯網，向LTE MTC發展。很多運營商明確逐步關停了2G網絡。有歐洲運營商以Cat.1為基礎，開展遠程表計物聯網業務[2]。例如AT&T、 Verizon積極推動模塊驗證、單模芯片，以Cat.1為基礎。華為與沃達豐聯合，進行NB-IoT試驗。

GSMA 發布的報告稱，目前為止，4G 雖仍是中國移動通信的主導技術，占中國移動通信總量的 80%以上（不包括授權的移動物聯網）。但隨著 5G 的大幅增長，4G 的份額將在 2020 年達到峰值（82%）。預計在 2020 年，全球 70%的 5G 連接將來自于中國。

2015年，LTE模塊的發貨量450萬片，2020年增至4200萬片。2017年起，普及速度最為迅速的是LTE Cat.1/Cat.M技術。MachinaResearch預測，LTE MTC到2023年可能在所有物聯網裝置中，占到了10%。

在物聯網應用中，占據絕對主流的是低功耗低速率的物聯網應用。物聯網通信技術的發展趨勢，就是低成本、低速率、低功耗[3]。未來物聯網發展的技術主流，為NB-IoT、Cat.M、LTE Cat.1。

二、低速率低功耗物聯網技術演進

制定LTE MTC標準，由3GPP牽頭推進，從R8開始具體標準，逐漸在R12、 R13完善。許多大流量實時視頻業務中，開始使用Cat.6以上的終端。在物聯網業務中，目前占據比例較低[4]。在車載終端上，Cat.3/4運用的方式目前主要是4G多模方式。NB-IoT、Cat.M、LTE Cat.1，具有明顯的成本、功耗優勢，因此受到業界的普遍關注。

Cat.1、LTE Cat.0需要經過網絡改造，并且功耗、成本的區別比較小，被認為是過渡態，規模商用的可能性不大。在R8中已經定義Cat.1，當時Cat.1有望規模商用，因為Cat.1有無需對現網進行改造的優勢。能夠直接使用搭載Cat.1的終端。并且相比4G多模，單模Cat.1芯片及模塊，具有經濟優勢。上/下行峰值速率可達5/10Mbps，價格相對有競爭力，可應用于小流量視頻及車載模組等。對于歐美地區，對物聯網模塊價格不太敏感，遠程抄表也使用Cat.1。Cat.1處于快速發展階段，其產業鏈尚未成熟。高通、 Intel等相繼推出了Cat.1多模芯片，采取軟件裁剪的方式。GCT、Sequans、Altair等，也通過重新流片推出了Cat1芯片[5]。Cat.1的單模模塊已經有國內模組廠商進行市場推廣，且逐步開始規模化商用。

物聯網通信技術受到廣泛的關注，主要集中于NB-IoT、Cat.M。爭論的焦點就是如何發展。協同合作或者兩者二選一。

三、Cat.M與NB-IoT發展之爭

3.1技術背景

研究LTE物聯網的趨勢是強覆蓋、低功耗、低成本。第一個Cat.M工作組是3GPP成立的，早在2014年成立，并開始制定Cat.M的標準。隨著產業鏈的發展，在R13版本中凍結。3GPP LTE MTC的演進，依據Cat.M不斷發展。而其半路殺出一個強勁競爭對手，就是NB-IoT。華為公司在2014年收購Nuel公司，與沃達豐合作，研究窄帶蜂窩物聯技術。提出NB M2M窄帶技術[6]。

華為、沃達豐與高通聯合，與NB OFDMA融合制定上下行技術標準，形成NB-CIoT。同時，諾基亞、愛立信推出NB-LTE窄帶蜂窩技術。此技術與NB-CIoT有相似的定位。華為、愛立信分別提交標準提案給3GPP。在R13版本中，3GPP融合兩種技術，形成NB-IoT標準[7]。市場的需求，以及相關廠商的積極推動，促使窄帶技術混戰的NB-IoT成為3GPP標準的正式部分。

3.2 標準進展與器件現狀

在3GPP R13中，有Cat.M、NB-IoT的相關定義。目前，通信技術標準包括一致性測試標準、性能標準、主體功能（Core Part）標準等。一致性測試標準，主要與流程/功能相關。性能標準與測試強相關，其性能相關的是各個子技術領域[8]。

主體功能標準主要與開發相關，比如網絡接入、信令協議等，指的是協議的具體內容。Cat.M的主體功能標準，在2016年3月凍結。同年6月凍結NB-IoT主體功能標準。同年9月凍結性能標準。同年12月凍結一致性測試標準。凍結Core part主體功能后，與Cat.M相關的芯片廠商，開展預商用相關工作，研發推出測試版本。各大芯片廠商在基于Cat.M的路標計劃中考慮，尚無測試版本Cat.M芯片和模塊。

華為NB-IoT芯片及模塊研發有較快的進展速度，產品與標準同步推進，已推出第二代測試模塊。2014年開始，華為投入NB-IoT芯片研發。2015年推出芯片原型產品，以預標準為基礎。3GPP標準發布后的3個月，2016年華為推出業界首款商用NB-IoT芯片，商用芯片Boudica120。隨后推出完全成熟的Boudica 150，支持3GPP R14，能夠應用于更多的場景，實現更低的能耗。2019年迎來5G元年，進一步推動NB-IoT發展。3GPP組織正式明確，NB-IoT為5G的一部分，與5G長期共存。2G 退網已經拉開帷幕，NB-IoT 也已成為 5G 標準。2019年華為公布NB-IoT芯片總發貨量已經突破2000萬。

3.3技術參數

NB-IoT與Cat.M都是低功耗蜂窩通信技術，但技術參數明顯不同。在傳輸速率上，NB-IoT一般<200kbps。Cat.M最大為1Mbps[9]。在系統帶寬上，NB-IoT是200kHz。Cat.M為1.4 MHz。在功耗上，NB-IoT的續航時間，比Cat.M大約長一年。在覆蓋增強上，NB-IoT比Cat.M多5dB+的覆蓋增益，簡單來說，就是可多穿透一堵墻。

3.4 應用場景

由于定位能力、覆蓋增強能力、應用速率等的差異，NB-IoT、Cat.M存在應用差別。NB-IoT為超低速率應用。Cat.M為低速率應用。針對存在多阻擋及屏蔽的遠程抄表領域，或者環境相對惡劣的智慧農業、城市公共設備中，NB-IoT更適用[10]。而在智慧物流、可穿戴設備等，需要Cat.M承載。

3.5 網絡部署及成本

尚未完全凍結NB-IoT、Cat.M的標準，仍在討論網絡部署方案。基本確定依據現有LTE網絡，可以Cat.M升級。NB-IoT和LTE機制存在較大差異，需新增信道板，硬件改動較大。但隨著產品的規模、成熟度不斷提升，業界普遍認為，相比Cat.M，NB-IoT可能會更加便宜。

四、總結

總之，物聯網時代到來，NB-IoT與Cat.M應是互補并行的關系，其應用場景并不矛盾。如何選擇和發展，也將逐漸明晰。相比手機終端，需求的多樣化、場景的特定化都是物聯網應用與之區分的主要差異點。因此，針對物聯網的不同應用場景，可以選擇不同的蜂窩通信技術。有必要存在多種技術。隨著網絡技術的發展，NB-IoT、Cat.M將進一步推動物聯網行業的科學發展。

參? 考? 文? 獻

[1]鄔世磊，尹林.NB-IoT低速率窄帶物聯網通信技術研究[J].信息通信，2018，（5）：239-241.

[2]佟冬.面向5G物聯網的上行接入技術[J].科技傳播，2020，12（17）：141-142.

[3]趙海軍.NB-IoT低速率窄帶物聯網通信技術現狀及發展趨勢[J].數字通信世界，2018，（7）：163.

[4]張志峰.NB-IoT低速率窄帶物聯網通信技術現狀與發展研究[J].無線互聯科技，2018，15（12）：12-13.

[5]曾忠誠.基于蜂窩的窄帶物聯網（NB—IoT）技術性能及應用[J].信息記錄材料，2018，19（5）：44-45.

[6]仇勇，楊錫繼，郝雋， 等.蜂窩物聯網NB-IoT的關鍵技術與組網實踐[J].江蘇通信，2018，34（5）：36-42，52.

[7]田成立，趙強.NB-IoT低速率窄帶物聯網通信技術現狀及發展趨勢[J].中國新通信，2018，（4）：121.

[8]阮翠玲.NB-IoT低速率窄帶物聯網通信技術現狀及未來發展趨勢[J].計算機產品與流通，2018，000 （002）：P.81-81.

[9]趙智佩，余震虹，殷宇辰.基于ARM9的NB-IoT電容電池信息監測終端設計與實現[J].傳感器與微系統，2020，39（4）：83-85，91.

[10]劉栩宏，李毅.探究NB-IoT低速率窄帶物聯網通信技術現狀及發展前景[J].中國新通信，2020，22（16）：22.