NBIoT与LoRa关键技术详解及竞争态势分析.doc
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1、NB-IoT与LoRa技术详解及竞争态势分析 一项创新技术浮现,必然要与老式技术进行搏杀,也许是鱼死网破两败俱伤、也许是互相妥协和平共处、也许是多方投降一方独大。NB-IoT与LoRa技术究竟有何区别呢?让咱们一起来详谈。 “物联网”概念在1999年美国麻省理工学院初次被提出,狭义物联网指是“物物相连互联网”,这里相连主体既涉及物品到物品,也涉及物品到辨认管理设备。物联网是继互联网后对人类发展起到增进作用重大技术创新。中华人民共和国政府为此提出物联网行动筹划。物联网技术重要体当前通讯和传感器两个方面。物联网通信技术物联网无线通信技术诸多,重要分为两类:一类是Zigbee、WiFi、蓝牙、Z-w
2、ave等短距离通信技术;另一类是LPWAN(low-power Wide-Area Network,低功耗广域网),即广域网通信技术。LPWA又可分为两类:一类是工作于未授权频谱LoRa、SigFox等技术;另一类是工作于授权频谱下,3GPP支持2/3/4G蜂窝通信技术,例如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。NB-IoT原则及进展-RAN方面5月,华为收购了Nuel公司,开始和沃达丰进行窄带蜂窝物联技术研究,提出了窄带技术NB M2M。5月,华为、沃达丰联合高通共同制定了有关上下行技术原则,融合NB OFDMA形成了NB-CIoT。NB-CIoT提出了全新空口技术,相对来说在既
3、有LTE网络上改动较大,但NB-CIoT是提出6大Clean Slate技术中,唯一一种满足在TSG GERAN #67会议中提出5大目的(提高室内覆盖性能、支持大规模设备连接、减小设备复杂性、减小功耗和时延)蜂窝物联网技术,特别是NB-CIoT通信模块成本低于GSM模块和NB-LTE模块。此时,爱立信和诺基亚联合推出窄带蜂窝技术NB-LTE,与NB-CIoT定位较为相似,但NB-LTE更倾向于与既有LTE兼容,其重要优势在于容易布置。7月,爱立信和华为分别向3GPP提交原则提案。最后,在9月RAN #69会议上通过激烈讨论后协商统一,由3GPP在Rel-13版本中将两种技术融合形成了NB-I
4、oT原则。NB-IoT从窄带技术演变为3GPP正式原则,有关厂商、运营商积极推动和市场真实存在需求是两个不可忽视因素。3GPP通信技术原则重要可分为Core Part(主体功能)、性能原则及RF一致性测试原则等。其中,主体功能原则指是合同详细内容,涉及信令合同、网络接入等,重要与开发有关;性能原则重要是各个子技术领域性能,跟测试强有关;一致性测试原则,重要涉及某些流程及功能测试原则。NB-IoT原则及进展-SA/CT方面从Rel-12开始,3GPP逐渐在研究MTC通信增强核心网架构,至Rel-13开始重点研究NB-IoT及DECOR/eDECOR有关技术。3GPP核心网侧与NB-IoT有关主体
5、原则大某些处在stage2(业务与系统架构),下半年至初启动stage3(核心网与终端)有关工作。为了满足海量碎片化、低成本、低速率、低功耗NB-IoT物联网应用,核心网方面重要考虑了如下方面问题。(1)高效地支持非频繁小包传送面向NB-IoT进一步提高对非频繁小包传送解决效率。由于NB-IoT终端数量也许呈指数型增长,但每个终端数据量及通信周期都比较低,而以既有EPS核心网(基于S1接口)去解决此类业务,其效率将非常低且有过载风险,因而,需要最小化整个EPS系统信令开销,特别是空口某些(如:RRC连接建立和释放),此外,还需要加强EPS系统安全流程(此某些是由SA WG出)。当前有两种优化方
6、向,一种是基于控制面优化方案,即通过NAS过程来传送小包;此外一种是基于顾客面优化方案,即通过RRC suspend 态在UE 和RAN节点同步缓存顾客上下文,以减少信令交互。以上两种优化方案在TS23.401 Rel-14版本中均已加入,方案一作为必选方案,而方案二为可选方案。当前,3GPP倾向于采用基于控制优化方案,此某些原则在CT(核心网与终端)主体工作当前还在进行当中。(2)使用小包传送高效地支持跟踪装置3GPP没有专门定义此类业务业务模型,当前还处在研究状态,预测在Rel-14版本中解决,其业务模型属于MAR(移动终端周期性上报)业务模型变种,需要在定位、移动性、传播效率等方面有进一
7、步增强和优化。(3)高效寻呼区域管理针对海量静止或限制移动性终端,由于空口资源稀缺、核心网接口资源有限等因素,3GPP SA2当前还在进行寻呼优化讨论,预测将在Rel-14中完善此某些功能。寻呼优化重要思路是考虑仅在顾客上一次接入eNB 或社区内进行寻呼而非整个TA(初步假设,NB-IoT社区TA code与既有eNB社区TA code 是不同),以节约空口及核心网有关资源。在同样覆盖区域,NB-IoT 设备是海量,远多于老式蜂窝终端设备。运营商在窄带频谱下运营,有也许并不能提供足够寻呼所需资源、UE标记(S-TMSI,IMSI)。与老式蜂窝相比,由于小数据包消息量限制,单次寻呼消息中要包括以
8、上标记是极为受限;此外一方面,覆盖增强是原则中强制规定,因而,寻呼消息也许要占用更长时间(重复发送相似寻呼消息间隔周期更长)。大某些NB-IoT设备被以为是静止或很少移动,因而可以对其寻呼范畴进行限制,不需要在其所属整个TA进行寻呼,这样可以减少对寻呼资源消耗。但是,当UE 进入IDLE模式时,eNB上报给MME上一次为NB-IoT UE服务社区信息也许是不精确(甚至静止顾客也存在这种也许)。这是由于在UE 静止状况下,顾客主服社区变化也许由各种因素引起,如射频负载条件变化、邻社区射频条件变化(类似建筑物阻挡,导致UE接入其她基站)。(4)DECOR/eDECOR现网布置时,核心网也许会存在各
9、种NB-IoTDCN(DedicatedCore Network)。依照TSG RAN侧TS23.236输出,NB-IoT DCN也许会同步连接到E-UTRAN和NB-IoTRAN节点,可以依照顾客类型采用两种不同方案为其选取适当DCN。一种是重定向方案,参照TR23.707 DECOR功能;另一种是UE辅助,参照TR23.711中eDECOR。从当前合同进展来看,由于重定向流程会导致UE与RAN及网络侧之间产生额外信令交互,因此DECOR布置也许性较小,也许会作为过渡方案;而eDECOR由于对UE有影响,当前还处在初期研究阶段,将在Rel-14后期逐渐完善,将来随着虚拟化网络布置,有望被广泛
10、采用。(5)支持non-IP 数据类型在M2M应用中,非I 数据使用是常用,如6LowPAN、MQTT-S等。当此类应用布置在NB-IoT 网络时,应用服务器AS或业务能力服务器SCS与顾客间non-IP数据需要通过网络进行传送,有两种方案可供选取,一种是通过non-IP专属PDN点对点隧道方式通过SGi接口进行传送,此外一种是通过SCEF进行传递。当前,由于CSGN与SCEF之间T6a接口还处在初步研究阶段,而通过SGi接口传送non-IP数据可以使C-SGN统一数据出口,便于将来面向NB-IoT类业务进行计费点选取及计费模式设计,因而,SGi方式也许会被运营商优先采用。(6)支持SMS某些
11、已有M2M业务是采用SMS支持,为了可以全面覆盖此类业务,在布置NB-IoT后,需要考虑两个问题:与否保存联合附着以获取短信传递能力或者只进行PS 附着;与否会存在只使用SMS进行信息传递而无需建立任何PDN连接终端及其解决方案。在Rel-14中会进一步完善NBIoT核心网支持SMS解决方案,但运营商现网布置时可以依照实际需求考虑与否布置SMS功能,例如仅布置IP 及non-IP数据承载方式,重要是考虑到支持SMS功能需C-SGN与短信中心之间开通SGd接口,且需对现网短信中心进行升级改造,对CSGN也有有关功能规定。(7)授权顾客支持覆盖增强(CE)技术对于传播环境较差顾客,例如地下管道内设
12、备,需要很强穿透性能,此时需要使用CE技术以获得更好穿透效果。但CE技术使用,需要网络侧提供额外资源。因而,应当对顾客进行认证,对可使用CE技术顾客加以限制,以保证只有签约并得到CE授权顾客方可享有此特性,实现差别化服务。(8)OverLoad控制关于减少核心网过载风险议题,3GPP发起了多项研究,提出了涉及接入级别划分、基于eNB辅助(在eNB侧进行回绝、延迟、队列)等各种方案,而在TS23.401中,针对NB-IoT设备采用拥塞控制方案是基于EPS系统原有backoff timer机制升级,采用离散化方式对NB-IoT设备并发祈求进行解决来实现过载控制。(9)头压缩增强由于NB-IoT大某
13、些应用场景使用都是小数据包且通信频率很低,例如周期性MAR(Mobile Autonomous Reporting)和NC(Network Command)使用20200 byte/30min或更长时间间隔数据传播。考虑到IP 及传播层头开销,如20 byteIPv4 、40 byteIPv6、8 byte UDP、20 byteTCP、12 byteRTP,为了更高效地支持海量NB-IoT/eMTC类终端,采用头压缩增强技术势在必行。由于非频繁数据传播及移动性,eNB和UE中保存头压缩上下文也许会被重置(例如,当UE进入IDLE模式或切换eNB时),如果频繁发送数据或移动,将导致数据包产生全
14、量头开销或额外开销。此时,头压缩将是高效支持IP类小包业务重要保障。因而,当采用基于控制面优化小包传播方案时,头压缩功能需要支持NB-IoT终端顾客从连接态至IDLE态转换及移动性管理。此外需注意,当non-IP类业务场景发生时,必要要将IP头压缩功能关闭,故网络侧还需要依照不同状况来决定与否启用头压缩功能。LTE-M、EC-GSM和NB-IoT演进万物互联是大趋势,是发展必然,各种物联网技术也是梭镖林立。面对各种兴起物联网技术,3GPP重要有三种原则:LTE-M、EC-GSM和NB-IoT,分别基于LTE演进、GSM演进和Clean Slate技术。LTE-MLTE-M,即LTE-Machi
15、ne-to-Machine,是基于LTE演进物联网技术,在R12中叫Low-Cost MTC,在R13中被称为LTE enhanced MTC (eMTC),旨在基于既有LTE载波满足物联网设备需求。懂得LTE UE categories朋友并不会陌生。为了适应物联网应用场景,3GPP在R11中定义了最低速率UE设备为UE Cat-1,其上行速率为5Mbps,下行速率为10Mbps。为了进一步适应于物联网传感器低功耗和低速率需求,到了R12,3GPP又定义了更低成本、更低功耗Cat-0,其上下行速率为1Mbps。EC-GSMEC-GSM,即扩展覆盖GSM技术(Extended Coverage
16、-GSM)。各种LPWA技术兴起,老式GPRS应用于物联网劣势凸显。3月,3GPP GERAN#62会议“Cellular System Support for Ultra Low Complexityand Low Throughput Internet of Things”研究项目提出,将窄带(200kHz)物联网技术迁移到GSM上,谋求比老式GPRS高20dB更广覆盖范畴,并提出了5大目的:提高室内覆盖性能、支持大规模设备连接、减小设备复杂性、减小功耗和时延。,TSG GERAN #67会议报告表达,EC-GSM已满足5大目的。GERAN(GSM EDGE Radio Access Ne
17、twork)是GSM/EDGE 无线通信网络(Radio Access Network)缩写。GERAN由3GPP主导,重要制定GSM原则。由于初期蜂窝物联网技术是基于GSM,因此某些物联网立项都是GERAN进行。随着技术发展,蜂窝物联网通信需要进行重新定义,咱们形象做“clean-slate”方案,类似于“打扫干净屋子再请客”说法,这就浮现了NB-IoT。由于NB-IoT技术并不基于GSM,是一种clean-slate方案,因此,蜂窝物联网工作内容转移至RAN组。GERAN将继续研究EC-GSM,直到R13 NB-IoT原则冻结。NB-IoTNB-CIoT是由华为、高通和Neul联合提出,N
18、B-LTE是由爱立信、诺基亚等厂家提出。NB-CIoT提出了全新空口技术,相对来说在既有LTE网络上改动较大,但NB-CIoT是提出6大CleanSlate技术中,唯一一种满足在TSG GERAN #67会议中提出5大目的(提高室内覆盖性能、支持大规模设备连接、减小设备复杂性、减小功耗和时延)蜂窝物联网技术,特别是NB-CIoT通信模块成本低于GSM模块和NB-LTE模块。NB-LTE更倾向于与既有LTE兼容,其重要优势在于容易布置。最后,在9月RAN #69会议上通过激烈撕逼后协商统一,NB-IoT可以为是NB-CIoT和NB-LTE融合。这里引用一段3GPP RAN会议报告关于蜂窝物联网技
19、术描述:物联网(Internet of Thing,IoT)是将来重要技术,3GPP在R12/R13虽然也有MTC(Machine Type Communication)有关技术,但其基本做法是在既有LTE技术与架构上进行优化,并非针对物联网特性进行全新设计。相对于MTC技术优化做法,蜂窝物联网(Cellular Internetof Thing,CIoT)技术项目建议针对物联网特性全新设计,不一定要相容于既有LTE技术框架。NB-IoT商用后将面临激烈竞争一项创新技术浮现,必然要与老式技术进行搏杀,也许是鱼死网破两败俱伤、也许是互相妥协和平共处、也许是多方投降一方独大。NB-IoT、LoRa
20、使用频谱在中华人民共和国低功耗广域网领域,NB-IoT和LoRa无疑是最为热门两种低功耗广域网(LPWAN)技术。两者形成了两大技术阵营,一方是以华为为代表NB-IoT,另一方是以中兴为代表LoRa。毫无疑问,无线电频谱是一种国家资源,是一种有限资源,不可以再生,只能合理地运用。下面就看看两种技术使用频段。(1)NB-IoT频段NB-IoT使用了授权频段,有三种布置方式:独立布置、保护带布置、带内布置。全球主流频段是800MHz和900MHz。中华人民共和国电信会把NB-IoT布置在800MHz频段上,而中华人民共和国联通会选取900MHz来布置NB-IoT,中华人民共和国移动则也许会重耕既有
21、900MHz频段。NB-IoT属于授权频段,犹如2G/3G/4G同样,是专门规划频段,频段干扰相对少。NB-IoT网络具备电信级网络原则,可以提供更好信号服务质量、安全性和认证等网络原则。可与既有蜂窝网络基站融合更有助于迅速大规模布置。运营商有成熟电信网络产业生态链和经验,可以更好地运营NB-IoT网络。从当前来看,NB-IoT网络技术只会由上面网络运营商来布置,其她公司或组织不能自己来布置网络。要使用NB-IoT网络必要要等运营商把NB-IoT网络铺好,其进度与发展取决于运营商基本网络建设。(2)LoRa频段LoRa使用是免授权ISM频段,但各国或地区ISM频段使用状况是不同。下表是LoRa
22、联盟规范里提到某些使用频段:在中华人民共和国市场,由中兴主导中华人民共和国LoRa应用联盟(CLAA)推荐使用了470-518MHz。而470-510MHz这个频段是无线电计量仪表使用频段。微功率(短距离)无线电设备技术规定中提到:在满足传播数据时,其发射机工作时间不超过5 秒条件下,470510MHz频段可作为民用无线电计量仪表使用频段。使用频率是470-510MHz,630-787MHz。发射功率限值:50mW(e.r.p)。由于LoRa是工作在免授权频段,无需申请即可进行网络建设,网络架构简朴,运营成本也低。LoRa联盟正在全球大力推动原则化LoRaWAN合同,使得符合LoRaWAN规范
23、设备可以互联互通。中华人民共和国LoRa应用联盟在LoRa基本上做了改进优化,形成了新网络接入规范。NB-IoT和LORA通信距离通讯距离和通讯能力是无线通讯在同等功耗前提下最重要性能指标。(1)NB-IoT通信距离移动网络信号覆盖范畴取决于基站密度和链路预算。NB-IoT具备164dB链路预算,GPRS链路预算有144dB(TR 45.820),LTE是142.7dB(TR 36.888)。与GPRS和LTE相比,NB-IoT链路预算有20dB提高,开阔环境信号覆盖范畴可以增长七倍。20dB相称于信号穿透建筑外壁发生损失,NB-IoT室内环境信号覆盖相对要好。普通地,NB-IoT通信距离是1
24、5km。(2)LoRa通信距离LoRa以其独有专利技术提供了最大168dB链路预算和+20dBm功率输出。普通地,在都市中无线距离范畴是12公里,在郊区无线距离最高可达20km。(3)NB-IoT和LoRa中继在实际网络布置中,NB-IoT和LoRa无线网络信号都会存在覆盖不到地方,可称之为信号“盲区”,如果针对“盲区”通过多架设基站达到信号覆盖话,势必会导致网络建设成本较高。这就需要一种低成本“中继”产品,来拓展和延伸网络,来完毕“盲区”信号覆盖。据理解,中华人民共和国LoRa应用联盟(CLAA)使用了MCU和SX1278做了一种中继实现了“盲区”低成本信号覆盖。中华人民共和国物联网合伙组织
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