51学通信论坛2017新版

标题: 纵论物联网（三）：3GPP物联网技术 [打印本页]

作者: admin 时间: 2017-9-16 17:48
标题: 纵论物联网（三）：3GPP物联网技术
导语

随着物联网应用的发展，对于大范围组网的需求越来越多，LPWAN技术备受关注。前面的LPWAN技术文章介绍过，LPWAN技术可根据工作频段分为两类：一类是工作于未授权频段的无线技术，以LoRa、SigFox为代表；一类是工作于授权频段下的无线技术，以3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术为代表。

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本文重点介绍一下国际电联下的标准化组织3GPP为物联网应用推进的技术标准，其中最具知名度的技术就是NB-IoT了。3GPP是什么？

为了解决各国2G蜂窝通信系统互不兼容的问题，各国通信标准化组织在1998年12月成立了3GPP，最初成立的目标是实现由2G网络到3G网络的平滑过渡，保证未来技术的后向兼容性，支持系统间的漫游。

现在3GPP已经发展成为最具权威的国际移动通信标准制订机构，4G以及未来5G的通信标准都是由3GPP来制订。3GPP每一个标准规范都叫做一个Release，简称R-xx，xx是标准的数字编号，比如最早1999年的R99，之后的版本号是R4，R5，等等。

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3GPP与各种标准化组织的关系

GPRS是在GSM网络基础上发展起来的数据通信技术，用来解决2G网络中数据传输的业务需求。现在广泛应用于物联网项目中。不过由于GPRS的功耗较高、系统容量有限等缺点，所以业界一直寻求GPRS的低功耗低成本的替代方案，也就是LPWAN技术。前文介绍过的LoRa、SigFox都属于这类技术。
不过LoRa，SigFox都是公司提出的私有标准，3GPP作为国际性的标准化组织当然也没闲着，针对物联网的技术需求，3GPP也提出了一系列物联网技术标准，总的来说可以分为三类：

LTE-M（eMTC）

LTE-M，即LTE-Machine-to-Machine，是基于LTE演进的物联网技术。LTE-M在3GPP标准R12中叫低功耗MTC（Low-Cost MTC），其中MTC是Machine Type Communications的缩写。
在R13中LTE-M被称为 enhanced MTC ，也就是目前媒体在宣传的eMTC。旨在基于现有的LTE载波满足物联网设备需求。
为了适应物联网应用场景，3GPP在早期的LTE标准中，曾定义了最低速率的UE设备为Cat-1，这种设备不支持MIMO，使用单天线传输速率低，功耗也低，上行速率为5Mbps，下行速率为10Mbps。
为了进一步降低功耗并满足低速率需求，3GPP到了R12中又定义了更低成本、更低功耗的Cat-0，其上下行速率为1Mbps。
一般的LTE设备的信道带宽可以达到20MHz，对于低速率的IoT设备来说，完全不需要这么宽的工作带宽。在R13标准中制定了Cat-M1设备标准，最大工作带宽只有1.4MHz，所能支持的最大速率是1Mbps。下图可以看出LTE cat-M1与LTE cat-1、LTE cat-0的传输速率比较。

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各种物联网技术的速率比较

EC-GSM

3GPP下面有好几个技术规范组（TSG），比如TSG RAN是负责制订LTE标准的。另外还有一个专门负责GSM/EDGE标准的TSG GERAN。GERAN是GSM/EDGE Radio Access Network是缩写，意思是GSM/EDGE无线接入网络。基于GSM演进的物联网标准自然也由TSG GERAN来负责。

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3GPP组织结构

2014年3月，3GPP GERAN 提出，要将窄带（200 kHz）物联网技术迁移到GSM上，寻求比传统GPRS高20dB的更广的覆盖范围，并提出了5大目标：提升室内覆盖性能、支持大规模设备连接、减小设备复杂性、减小功耗和时延。这些目标也可以认为是LPWAN技术的共同追求。

2015年，TSG GERAN #67会议报告表示，制订的EC-GSM技术已满足5大目标。EC-GSM，即扩展覆盖GSM技术（Extended Coverage-GSM）。虽然标准化已经完成，但没有什么落地的应用。NB-IoT

3GPP在R12/R13在LTE标准中加入了MTC相关技术标准，但其本质是在既有LTE技术与架构上进行优化，并不是针对物联网全新设计。不同于MTC，蜂窝物联网(Cellular Internet of Thing, CIoT)项目建议针对物联网特性全新设计，不一定要兼容既有的LTE技术框架。
2015年8月，3GPP的TSG RAN开始立项研究窄带无线接入全新的空口技术，称为Clean Slate CIoT。Clean Slate的字面意思就是清白历史，意味着抛掉LTE技术的历史包袱，重新开始设计。

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在正式标准开始制订以前，企业早已动手开始设计新的空中接口，并形成了两个主要的技术提案：

最终，在2015年9月的RAN #69会议上经过激烈撕逼后协商统一，两大阵营相互妥协，最终版本的NB-IoT标准可认为是NB-CIoT和NB-LTE的融合。未来展望

今年不断有消息称，国内三大运营商有计划关掉2G网络或者重耕900M频段，将其用于NBIoT网络，估计国内物联网未来eMTC和NBIoT会成为主流技术。
但LoRa有先发优势，已经有成熟的商用项目。短期内估计NBIoT的芯片成本还降不下来，预计未来2~3年，多种LPWAN物联网技术会长期共存。

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