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低速率物联网 蜂窝通信技术现状与展望

2021-07-01陈利欢

中国新通信 2021年6期
关键词:展望物联网现状

陈利欢

【摘要】    随着社会的进步以及科学技术的发展,移动终端不断普及,移动互联技术发展迅速,从人与人之间的交流,发展为人与物、物与物之间的信息交互。在整个物联网体系中,低速率物联网占据很大比重。低速率物联网低功耗、低成本,随着Cat.M 和 NB-lot 等系统的开发应用,进一步促进了低速率物联网的发展。低速率窄带通信技术的研发,解决了多终端通信、低能耗通信、远距离通信等问题。这一技术成为应用效率最高、传播范围最广、适应能力最强的通信技术。低速率物联网技术相关研究不断增多,使人们对其有了更深层次的了解。

【关键词】    低速率    物联网    蜂窝通信技术    现状    展望

引言:

近年來,物联网在我国兴起,并且发展迅速,在社会发展中发挥重要的作用。基于互联网概念的物联网,使互联网的信息、用户交换,向物品与物品延伸。早期物联网被称为传感器,在中国1999 年首次提出。目前对物联网的定义,是利用一系列科技手段,结合互联网及AI技术,完成广泛互联和信息交互。

蜂窝通信技术是通过无线通道,连接用户终端,采取蜂窝无线网的方式,用户可以互相通信。物联网和蜂窝技术的有机结合,形成低速率物联网的蜂窝技术,充分发挥各自的优势,在我国相应的通信铁搭等基础设施及移动终端越来越得到普及发展。物联网和蜂窝通信技术结合,可以有效降低成本,有效提高网络的运行效率。

一、物联网应用向LTE MTC发展

物联网是新一代的信息技术,进一步扩展了互联网的概念,连接物理设备和日常对象,嵌入网络连接、电子设备、其他硬件等,进行远程监控、通信、交互。随着相关器件、技术的发展,物联网变为现实。运营商关心的重点是基于蜂窝通信制式的物联网蜂窝[1]。当前我国模块市场整体规模已超过3000万。全球蜂窝M2M模块从2015到2020年,增长至1.9亿。主要垂直应用市场包括移动支付、水电煤三表、环境远程监测、安防与智能交通等。国内外运营商将2G/3G网络上承载的物联网,向LTE MTC发展。很多运营商明确逐步关停了2G网络。有欧洲运营商以Cat.1为基础,开展远程表计物联网业务[2]。例如AT&T、 Verizon积极推动模块验证、单模芯片,以Cat.1为基础。华为与沃达丰联合,进行NB-IoT试验。

GSMA 发布的报告称,目前为止,4G 虽仍是中国移动通信的主导技术,占中国移动通信总量的 80%以上(不包括授权的移动物联网)。但随着 5G 的大幅增长,4G 的份额将在 2020 年达到峰值(82%)。预计在 2020 年,全球 70%的 5G 连接将来自于中国。

2015年,LTE模块的发货量450万片,2020年增至4200万片。2017年起,普及速度最为迅速的是LTE Cat.1/Cat.M技术。MachinaResearch预测,LTE MTC到2023年可能在所有物联网装置中,占到了10%。

在物联网应用中,占据绝对主流的是低功耗低速率的物联网应用。物联网通信技术的发展趋势,就是低成本、低速率、低功耗[3]。未来物联网发展的技术主流,为NB-IoT、Cat.M、LTE Cat.1。

二、低速率低功耗物联网技术演进

制定LTE MTC标准,由3GPP牵头推进,从R8开始具体标准,逐渐在R12、 R13完善。许多大流量实时视频业务中,开始使用Cat.6以上的终端。在物联网业务中,目前占据比例较低[4]。在车载终端上,Cat.3/4运用的方式目前主要是4G多模方式。NB-IoT、Cat.M、LTE Cat.1,具有明显的成本、功耗优势,因此受到业界的普遍关注。

Cat.1、LTE Cat.0需要经过网络改造,并且功耗、成本的区别比较小,被认为是过渡态,规模商用的可能性不大。在R8中已经定义Cat.1,当时Cat.1有望规模商用,因为Cat.1有无需对现网进行改造的优势。能够直接使用搭载Cat.1的终端。并且相比4G多模,单模Cat.1芯片及模块,具有经济优势。上/下行峰值速率可达5/10Mbps,价格相对有竞争力,可应用于小流量视频及车载模组等。对于欧美地区,对物联网模块价格不太敏感,远程抄表也使用Cat.1。Cat.1处于快速发展阶段,其产业链尚未成熟。高通、 Intel等相继推出了Cat.1多模芯片,采取软件裁剪的方式。GCT、Sequans、Altair等,也通过重新流片推出了Cat1芯片[5]。Cat.1的单模模块已经有国内模组厂商进行市场推广,且逐步开始规模化商用。

物联网通信技术受到广泛的关注,主要集中于NB-IoT、Cat.M。争论的焦点就是如何发展。协同合作或者两者二选一。

三、Cat.M与NB-IoT发展之争

3.1技术背景

研究LTE物联网的趋势是强覆盖、低功耗、低成本。第一个Cat.M工作组是3GPP成立的,早在2014年成立,并开始制定Cat.M的标准。随着产业链的发展,在R13版本中冻结。3GPP LTE MTC的演进,依据Cat.M不断发展。而其半路杀出一个强劲竞争对手,就是NB-IoT。华为公司在2014年收购Nuel公司,与沃达丰合作,研究窄带蜂窝物联技术。提出NB M2M窄带技术[6]。

华为、沃达丰与高通联合,与NB OFDMA融合制定上下行技术标准,形成NB-CIoT。同时,诺基亚、爱立信推出NB-LTE窄带蜂窝技术。此技术与NB-CIoT有相似的定位。华为、爱立信分别提交标准提案给3GPP。在R13版本中,3GPP融合两种技术,形成NB-IoT标准[7]。市场的需求,以及相关厂商的积极推动,促使窄带技术混战的NB-IoT成为3GPP标准的正式部分。

3.2 标准进展与器件现状

在3GPP R13中,有Cat.M、NB-IoT的相关定义。目前,通信技术标准包括一致性测试标准、性能标准、主体功能(Core Part)标准等。一致性测试标准,主要与流程/功能相关。性能标准与测试强相关,其性能相关的是各个子技术领域[8]。

主体功能标准主要与开发相关,比如网络接入、信令协议等,指的是协议的具体内容。Cat.M的主体功能标准,在2016年3月冻结。同年6月冻结NB-IoT主体功能标准。同年9月冻结性能标准。同年12月冻结一致性测试标准。冻结Core part主体功能后,与Cat.M相关的芯片厂商,开展预商用相关工作,研发推出测试版本。各大芯片厂商在基于Cat.M的路标计划中考虑,尚无测试版本Cat.M芯片和模块。

华为NB-IoT芯片及模块研发有较快的进展速度,产品与标准同步推进,已推出第二代测试模块。2014年开始,华为投入NB-IoT芯片研发。2015年推出芯片原型产品,以预标准为基础。3GPP标准发布后的3个月,2016年华为推出业界首款商用NB-IoT芯片,商用芯片Boudica120。随后推出完全成熟的Boudica 150,支持3GPP R14,能够应用于更多的场景,实现更低的能耗。2019年迎来5G元年,进一步推动NB-IoT发展。3GPP组织正式明确,NB-IoT为5G的一部分,与5G长期共存。2G 退网已经拉开帷幕,NB-IoT 也已成为 5G 标准。2019年华为公布NB-IoT芯片总发货量已经突破2000万。

3.3技术参数

NB-IoT与Cat.M都是低功耗蜂窝通信技术,但技术参数明显不同。在传输速率上,NB-IoT一般<200kbps。Cat.M最大为1Mbps[9]。在系统带宽上,NB-IoT是200kHz。Cat.M为1.4 MHz。在功耗上,NB-IoT的续航时间,比Cat.M大约长一年。在覆盖增强上,NB-IoT比Cat.M多5dB+的覆盖增益,简单来说,就是可多穿透一堵墙。

3.4 应用场景

由于定位能力、覆盖增强能力、应用速率等的差异,NB-IoT、Cat.M存在应用差别。NB-IoT为超低速率应用。Cat.M为低速率应用。针对存在多阻挡及屏蔽的远程抄表领域,或者环境相对恶劣的智慧农业、城市公共设备中,NB-IoT更适用[10]。而在智慧物流、可穿戴设备等,需要Cat.M承载。

3.5 网络部署及成本

尚未完全冻结NB-IoT、Cat.M的标准,仍在讨论网络部署方案。基本确定依据现有LTE网络,可以Cat.M升级。NB-IoT和LTE机制存在较大差异,需新增信道板,硬件改动较大。但随着产品的规模、成熟度不断提升,业界普遍认为,相比Cat.M,NB-IoT可能会更加便宜。

四、总结

总之,物联网时代到来,NB-IoT与Cat.M应是互补并行的关系,其应用场景并不矛盾。如何选择和发展,也将逐渐明晰。相比手机终端,需求的多样化、场景的特定化都是物联网应用与之区分的主要差异点。因此,针对物联网的不同应用场景,可以选择不同的蜂窝通信技术。有必要存在多种技术。随着网络技术的发展,NB-IoT、Cat.M将进一步推动物联网行业的科学发展。

参  考  文  献

[1]邬世磊,尹林.NB-IoT低速率窄带物联网通信技术研究[J].信息通信,2018,(5):239-241.

[2]佟冬.面向5G物联网的上行接入技术[J].科技传播,2020,12(17):141-142.

[3]赵海军.NB-IoT低速率窄带物联网通信技术现状及发展趋势[J].数字通信世界,2018,(7):163.

[4]張志峰.NB-IoT低速率窄带物联网通信技术现状与发展研究[J].无线互联科技,2018,15(12):12-13.

[5]曾忠诚.基于蜂窝的窄带物联网(NB—IoT)技术性能及应用[J].信息记录材料,2018,19(5):44-45.

[6]仇勇,杨锡继,郝隽, 等.蜂窝物联网NB-IoT的关键技术与组网实践[J].江苏通信,2018,34(5):36-42,52.

[7]田成立,赵强.NB-IoT低速率窄带物联网通信技术现状及发展趋势[J].中国新通信,2018,(4):121.

[8]阮翠玲.NB-IoT低速率窄带物联网通信技术现状及未来发展趋势[J].计算机产品与流通,2018,000 (002):P.81-81.

[9]赵智佩,余震虹,殷宇辰.基于ARM9的NB-IoT电容电池信息监测终端设计与实现[J].传感器与微系统,2020,39(4):83-85,91.

[10]刘栩宏,李毅.探究NB-IoT低速率窄带物联网通信技术现状及发展前景[J].中国新通信,2020,22(16):22.

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