NB-IoT与LoRa技术详解及竞争态势分析

“物联网”概念在1999年美国麻省理工学院首次被提出,狭义的物联网指的是“物—物相连的互联网”,这里相连的主体既包括物品到物品,也包括物品到识别管理设备。物联网是继互联网后对人类发展起到促进作用的重大技术创新。中国政府为此提出《物联网2020行动计划》。

物联网通信技术

物联网的无线通信技术很多,主要分为两类:一类是Zigbee、WiFi、蓝牙、Z-wave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的LoRa、SigFox等技术;另一类是工作于授权频谱下,3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术,比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。

NB-IoT的标准及进展

RAN方面

2014年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的研究,提出了窄带技术NB M2M。2015年5月,华为、沃达丰联合高通共同制定了相关的上下行技术标准,融合NB OFDMA形成了NB-CIoT。

NB-CIoT提出了全新的空口技术,相对来说在现有LTE网络上改动较大,但NB-CIoT是提出的6大Clean Slate技术中,唯一一个满足在TSG GERAN #67会议中提出的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)的蜂窝物联网技术,特别是NB-CIoT的通信模块成本低于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的定位较为相似,但NB-LTE更倾向于与现有LTE兼容,其主要优势在于容易部署。2015年7月,爱立信和华为分别向3GPP提交标准提案。最终,在2015年9月的RAN #69会议上经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-IoT标准。

NB-IoT从窄带技术演变为3GPP的正式标准,相关厂商、运营商积极的推动和市场真实存在的需求是两个不可忽略的因素。

3GPP的通信技术标准主要可分为Core Part(主体功能)、性能标准及RF一致性测试标准等。其中,主体功能标准指的是协议的具体内容,包括信令协议、网络接入等,主要与开发相关;性能标准主要是各个子技术领域的性能,跟测试强相关;一致性测试标准,主要包括一些流程及功能的测试标准。

SA/CT方面

从Rel-12开始,3GPP逐步在研究MTC通信增强的核心网架构,至Rel-13开始重点研究NB-IoT及DECOR/eDECOR相关技术。

3GPP核心网侧与NB-IoT相关的主体标准大部分处于stage2(业务与系统架构),2016下半年至2017年初启动stage3(核心网与终端)的相关工作。

为了满足海量碎片化、低成本、低速率、低功耗的NB-IoT物联网应用,核心网方面主要考虑了以下方面的问题。

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的处理效率。由于NB-IoT终端的数量可能呈指数型增长,但每个终端的数据量及通信周期都比较低,而以现有的EPS核心网(基于S1接口)去处理此类业务,其效率将非常低且有过载的风险,因此,需要最小化整个EPS系统的信令开销,尤其是空口部分(如:RRC连接的建立和释放),此外,还需要加强EPS系统安全流程(此部分是由SA WG出)。

目前有两种优化方向,一种是基于控制面的优化方案,即通过NAS过程来传送小包;另外一种是基于用户面的优化方案,即通过RRC suspend 态在UE 和RAN节点同时缓存用户的上下文,以减少信令的交互。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。目前,3GPP倾向于采用基于控制的优化方案,此部分标准在CT(核心网与终端)的主体工作目前还在进行当中。

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的业务模型,目前还处于研究状态,预计在Rel-14版本中解决,其业务模型属于MAR(移动终端周期性上报)业务模型的变种,需要在定位、移动性、传输效率等方面有进一步的增强和优化。

高效的寻呼区域管理

针对海量静止或限制移动性的终端,由于空口资源稀缺、核心网接口资源有限等原因,3GPP SA2目前还在进行寻呼优化的讨论,预计将在Rel-14中完善此部分功能。寻呼优化的主要思路是考虑仅在用户上一次接入的eNB 或小区内进行寻呼而非整个TA(初步假设,NB-IoT小区的TA code与现有eNB小区的TA code 是不同的),以节省空口及核心网的相关资源。

在同样的覆盖区域,NB-IoT 的设备是海量的,远多于传统的蜂窝终端设备。运营商在窄带频谱下运营,有可能并不能提供足够的寻呼所需资源、UE的标识(S-TMSI,IMSI)。与传统蜂窝相比,由于小数据包的消息量限制,单次寻呼消息中要包含以上标识是极为受限的;另外一方面,覆盖增强是标准中强制要求的,因此,寻呼消息可能要占用更长时间(重复发送相同的寻呼消息的间隔周期更长)。

大部分NB-IoT设备被认为是静止或很少移动的,因此可以对其寻呼范围进行限制,不需要在其所属的整个TA进行寻呼,这样可以减少对寻呼资源的消耗。但是,当UE 进入IDLE模式时,eNB上报给MME的上一次为NB-IoT UE服务的小区信息可能是不准确的(甚至静止的用户也存在这种可能)。这是因为在UE 静止的情况下,用户的主服小区的改变可能由各种原因引起,如射频负载条件改变、邻小区的射频条件改变(类似建筑物的阻挡,导致UE接入其他基站)。

DECOR/eDECOR

现网部署时,核心网可能会存在多个NB-IoT的DCN(DedicatedCore Network)。根据TSG RAN侧TS23.236的输出,NB-IoT DCN可能会同时连接到E-UTRAN和NB-IoT的RAN节点,可以根据用户类型采取两种不同方案为其选择合适的DCN。一种是重定向方案,参考TR23.707 DECOR功能;另一种是UE辅助,参考TR23.711中的eDECOR。从目前协议的进展来看,由于重定向流程会导致UE与RAN及网络侧之间产生额外的信令交互,所以DECOR部署的可能性较小,可能会作为过渡方案;而eDECOR由于对UE有影响,目前还处于初期研究阶段,将在Rel-14后期逐步完善,未来随着虚拟化网络的部署,有望被广泛采用。

支持non-IP 数据类型

在M2M应用中,非I 数据使用是常见的,如6LowPAN、MQTT-S等。当此类应用部署在NB-IoT 网络时,应用服务器AS或业务能力服务器SCS与用户间的non-IP数据需要通过网络进行传送,有两种方案可供选择,一种是通过non-IP专属的PDN点对点隧道方式通过SGi接口进行传送,另外一种是通过SCEF进行传递。目前,由于CSGN与SCEF之间的T6a接口还处于初步研究阶段,而通过SGi接口传送non-IP数据可以使C-SGN统一数据出口,便于未来面向NB-IoT类业务进行计费点选择及计费模式设计,因此,SGi方式可能会被运营商优先采用。

支持SMS

部分已有M2M业务是采用SMS支持的,为了能够全面的覆盖此类业务,在部署NB-IoT后,需要考虑两个问题:①是否保留联合附着以获取短信传递能力或者只进行PS 的附着;②是否会存在只使用SMS进行信息传递而无需建立任何PDN连接的终端及其解决方案。在Rel-14中会进一步完善NBIoT核心网支持SMS的解决方案,但运营商现网部署时可以根据实际需求考虑是否部署SMS功能,例如仅部署IP 及non-IP数据承载方式,主要是考虑到支持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也有相关功能要求。

授权用户支持覆盖增强(CE)技术

对于传播环境较差的用户,例如地下管道内的设备,需要很强的穿透性能,此时需要使用CE技术以获得更好的穿透效果。但CE技术的使用,需要网络侧提供额外的资源。因此,应该对用户进行认证,对可使用CE技术的用户加以限制,以保证只有签约并得到CE授权的用户方可享受此特性,实现差异化的服务。

OverLoad控制

关于减少核心网过载的风险的议题,3GPP发起了多项研究,提出了包括接入等级划分、基于eNB辅助的(在eNB侧进行拒绝、延迟、队列)等多种方案,而在TS23.401中,针对NB-IoT设备采用的拥塞控制方案是基于EPS系统原有backoff timer机制的升级,采用离散化的方式对NB-IoT设备并发请求进行处理来实现过载控制。

头压缩增强

由于NB-IoT大部分应用场景使用的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20~200 byte/30min或更长时间间隔的数据传输。考虑到IP 及传输层的头开销,如20 byte的IPv4 、40 byte的IPv6、8 byte 的UDP、20 byte的TCP、12 byte的RTP,为了更高效地支持海量NB-IoT/eMTC类的终端,采用头压缩增强技术势在必行。

由于非频繁的数据传输及移动性,eNB和UE中保留的头压缩上下文可能会被重置(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类小包业务的重要保障。因此,当采用基于控制面优化的小包传输的方案时,头压缩功能需要支持NB-IoT终端用户从连接态至IDLE态的转换及移动性管理。另外需注意,当non-IP类业务场景发生时,必须要将IP头压缩功能关闭,故网络侧还需要根据不同的情况来决定是否启用头压缩功能。

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物联网IoT”2017年几个大事件

近年来,我国政府高度重视物联网发展,积极推进科技创新。物联网开始了迅猛发展,产业规模由2009年的1700多亿元增长到2015年的7500亿元,年均复合增长率超过30%。据工信部预测,到2020年,物联网产业规模将超过1.5万亿元。

NB-IoT规模商用首单落地:中国电信再拔头筹

8月29日,自去年六月份核心标准冻结之后,NB-IoT成为通信行业当下最大的热点,它将为物联网时代带来广覆盖、大连接、低功耗、低成本的网络解决方案。伴随着NB-IoT生态链的成熟,其规模商用也被提上日程。在NB-IoT产业推进上,中国电信无疑走在了前列。在率先建成全国性网络并发布资费政策之后,深圳电信公司宣布首单6000户的NB-IoT智能燃气表放号。根据规划6000户智能燃气表于9月初开始安装调测,10月交付居民使用。届时,中国电信将会成为了中国第一家推出NB-IoT商用服务的运营商。

国家电网天津公司开展NB-IOT试点工作

8月29日消息 近日,针对此类问题,国网天津市电力公司在2017年4G无线专网试点工作的基础上,联合信通、营销专业、通信设备(华为)和电表厂商(威胜、华立)创新采用窄带物联网(NB-IoT)技术在城南公司区域试点建设了2个470M物联网无线基站,部署了三项电能表进行了试验应用并取得了初步成效。

中国移动集采15万基站加码NB-IOT粤苏浙需求前三甲

8月28日,中国移动发布第三份物联网集采公告,这一次31个省市区分公司共集采14.6万个蜂窝物联网基站和79套蜂窝物联网无线网操作维护中心。其中,广东移动、江苏移动、浙江移动集采量占据前三甲,分别集采1.4万个、9853个和9477万个基站,总计3.3万个,占此次集采总量的22.8%。

摩拜启用全球首批开放式电子围栏

8月26日物联网产业百人会成立大会现场,摩拜表示已启用全球首批基于IoT技术的开放式共享单车电子围栏系统,全国已铺设超过4000个,其他共享单车企业亦可接入。

中国联通与荷兰KPN电信签署物联网合作协议

8月26日中国联通与荷兰KPN电信签署了在物联网领域的合作协议。根据协议,中国联通客户可以通过荷兰KPN及其漫游合作伙伴的网络在欧洲部署物联网业务。同时荷兰KPN的全球客户也将方便地在中国部署物联网产品。

深圳电信首单NB-IoT智能燃气表放号

8月23日,深圳电信公司宣布首单6000户的NB-IoT智能燃气表放号将部署在福田区上步村管道气升级改造。9月初6000户智能燃气表将开始安装调测,10月交付居民使用。届时,中国电信将会成为中国首家推出NB-IoT商用服务的运营商。

 

 

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NB-IoT商用之势磅礴:运营商携设备商推动产业链迅猛发展

随着前不久中国移动“一声吼”宣布启动NB-IoT集采,三大运营商在NB-IoT以及整个物联网规模商用进程上开始进一步提速。

一方面,作为实现万物互联愿景以及推动各行各业数字化转型的重要使能技术,以NB-IoT为代表的物联网技术为迫切需要进行战略转型的运营商开辟了新的市场蓝海;与此同时,在5G商用正式到来之前,物联网也将成为那些饥渴了许久的设备商们能够饱餐一顿的大蛋糕。

大T们的万物互联大蛋糕

在前不久工信部首次向国内三大运营商颁发物联网号段之后,也意味着国内物联网商用大幕正式开启。

而在NB-IoT商用进程方面,中国电信走在了众多大T的前列。在今年6月底宣布建成全球首个全覆盖的NB-IoT商用网络之后,中国电信又于7月份发布NB-IoT资费套餐;近日,中国电信又率先进行了NB-IoT商用放号,2017年8月23日,深圳电信宣布首单6000户的NB-IoT智能燃气表放号,根据规划6000户智能燃气表将于9月初开始安装调测,10月交付居民使用,届时中国电信又将成为中国第一家推出NB-IoT商用服务的运营商。

在近日举行的“中国联通物联网生态大会”上,中国联通表示将“坚定不移”推进NB-IoT网络建设,并正在快速推动eMTC落地商用。目前中国联通已在全国数十城市完成了NB-IoT试商用开通,全国300多城市具备快速接入NB-IoT网络的能力。

虽然在商用进程上不及中国电信跑的快,但财大气粗的中国移动在推进部署NB-IoT方面也绝不含糊。

前不久,中国移动正式启动NB-IoT集采。根据中国移动“蜂窝物联网工程无线和核心网设备设计与可研集采”透露的相关工程金额为395亿元。中国移动两年预计总体基站建设规模超过40万个,整体投资超过400亿元。其中2017年将新建14.5万站,投资规模100亿元左右。

而根据近日中国移动的官方消息显示,中国移动已于日前正式启动2017年蜂窝物联网无线主设备集中采购工作,本次集采按照省域范围进行招标,全国共计31个标包,本次蜂窝物联网主设备集采宏基站数量为146416个。

设备商垂涎欲滴

运营商在物联网商用进程方面的大提速、尤其是集采大蛋糕的陆续出炉,也让憋了许久的设备厂商垂涎欲滴、迫不及待地想吃上几口万物互联时代的大蛋糕。

其中,华为把物联网作为公司长期战略。在具体实践方面,华为长期与主流运营商合作开展标准研究,目前华为NB-IoT解决方案已成功应用于水务、路灯、停车、燃气等多个智慧城市领域。例如,华为携手上海联通试点了NB-IoT智慧停车,其在上海闵行区部署的智慧停车解决方案正是NB-IoT的典型应用。

近日,华为助力深圳移动实现物联网新技术NB-IoT的业务规模部署。在垂直行业合作方面,深圳移动联合华为在停车、抄表、路灯、工业等垂直行业深度合作,以物联网平台聚合行业合作伙伴,共同打造物联网生态环境。

对于电信设备市场的百年老店爱立信而言,以NB-IoT为代表的物联网市场也成为其扭转业绩持续下滑的一大关键。爱立信希望通过在物联网领域的专业能力帮助客户把握机遇,携手合作伙伴加速物联网在各行业的应用落地和广泛部署。

例如,爱立信携手中国移动,与阿斯利康、无锡高新区政府签署了健康物联网项目;在近日举行的中国电信2017天翼生态博览会上,爱立信首次推出基于蜂窝物联网的智能路灯解决方案,帮助市政部门实现路灯的智能管理,并大大降低能耗。此外,爱立信还推出了一体化物联网服务。

合力催熟产业链加速商用

运营商在NB-IoT以及整个物联网商用方面的提速,也需要整个产业链的全力支持才能真正落地。

当前,NB-IoT产业链已经逐渐成熟,但模块价格仍然偏高,这也成为大规模商用部署的主要制约因素。有业内人士指出,目前NB-IoT模块价格约为120元,下半年产业链支持程度高,但模块价格仍然偏高(约为70-100元)。

为此,包括中国移动、中国电信等在内的运营商正在携手产业链各方合力催熟NB-IoT产业链。在近日举行的“天翼物联产业联盟高峰论坛”上,中国电信公布12款物联网入库模块,充分展现了丰富的终端生态能力。同时,中国电信也宣布3亿元的补贴指向物联网,其中2亿元补贴终端模块,1亿元用于物联网项目。

中国移动借助基础通信套件,积极推进软硬件集成化,从而降低物联网应用开发成本和门槛。芯片领域,中兴微电子、紫光展锐、华为海思等分别发布了2017年下半年芯片计划。据悉,NB-IoT商用芯片在今年第三季度的大规模上市,将成为推动运营商NB-IoT大规模网络部署和商用的关键因素。模组方面,中国移动联合垂直行业、模组厂商首发了4款通用模组。

随着运营商在NB-IoT以及整个物联网规模商用进程上频频释放的积极信号,加上整个芯片相关技术的成熟,以及成本的降低,将进一步加快NB-IoT商用进程。

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低端科普:NBIOT与共享单车

首先回答一个问题,NBIOT是什么?

IOT是物联网Internet of Things的缩写,NBIOT莫非是牛逼物联网?非也。

基于蜂窝的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)正在成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络,只消耗大约180KHz的带宽,可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络,以降低部署成本、实现平滑升级。

简单的说,NBIOT是一种新型的网络规范,相对于现在通行的电信网络标准例如4G,它的主要特点体现在广覆盖、强连接、低功耗、低成本这四方面。因为这些优势,所以即将被广泛用于多种垂直行业,例如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业等。

那么现在我们来看看共享单车。仅考虑共享单车这个产品本身,它有哪些痛点呢?

还记得前阵子媒体上沸沸扬扬关于共享单车的各类负面新闻吗?除去国民素质这种老生常谈的因素,我们依然可以总结出共享单车产品本身的一些问题,这里以摩拜为例:

  1. 找不到车

    有几种可能性,第一是恶意用户把车藏起来了,比如搬进了小区花园或者地下室等地方,第二是正好停在了移动网络信号不能覆盖到的地方,无论哪种情况,都会导致用户通过app预约之后发现自行车并不在相应的位置,从而极大的影响用户体验。

  2. 开锁困难

    同样,在网络覆盖不好的地方,很可能导致手机app无法正常开锁。另一种情况,在天气严寒的地区,自行车内置的电池会因为温度降低影响使用寿命,从而导致网络通讯模块供电失败,也会影响正常开锁。

  3. 骑行吃力

    记得第一代摩拜上市的时候,很多人反应自行车骑起来特别吃力,极大的影响了用户的骑行体验。这其中原因是第一代摩拜在后轮的设计上采用了花鼓发电,以供内置的GPS模块和通讯模块的续航—简而言之,你在骑行的时候同时也在充当人力充电器,能不累吗?这种情况直到第二代摩拜上市之后才得到解决,因为供电模式改成了太阳能供电。

  4. 硬件成本过高

    由于一辆共享单车除了本身是一辆普通的自行车以外,还多了一系列的电路模块,其中包括上文提到的GPS模块、通讯模块、智能电子锁、骑行花鼓(太阳能充电板)以及锂电池等,这些都抬高了一辆单车的成本价格。据称,第一代摩拜单车的价格甚至高达2000-3000元。

那么NBIOT跟共享单车又有什么关系呢?当然有关系,且听我慢慢道来:

刚才说过了,共享单车为了实现在线定位以及网络通讯,车身自带了一些电路模组,这些因此而产生了一系列包括成本过高在内的问题。那么有没有办法更好的解决办法呢?当然有,答案就是NBIOT,我们来逐项看看NBIOT可以解决和优化哪些问题。

首先是网络通讯,自行车要保持在线,随时需要通过网络与APP以及云端保持联系,现在使用的方案是GPRS方式,而这还是第二代的通讯技术。在覆盖广度和深度上,跟NBIOT都有不小的差距。

其次是定位问题,目前只能依靠GPS芯片来实现精准定位,但这就带来了额外的成本问题以及方案复杂度问题,而NBIOT自带了网络定位功能,虽然精度稍稍有些损失,但也足够应对共享单车这种场景下的使用。

然后是功耗,因为要带动以上几个电路模块的使用,自行车必须要自身具备供电能力,要么通过人力发电要么通过太阳能供电,而这也会带来一系列的问题。但是NBIOT是天生的低功耗技术,理论上一节AA电池就可供芯片的10年使用寿命,也就是说假如车身内置几节AA电池,甚至可以实现几年内的无源供电。这才是最革命性的技术改变!

由此可见,网络、定位、功耗三大问题就像压在共享单车身上的三座技术大山,互相牵制互相影响,不仅提供了厂商的生成成本,而且还影响客户的使用体验,可以说是急需解决的重大问题了,而这一切都可以随着NBIOT技术的成熟以及最终实施普及而得到解决。

当然,这还需要一点点时间,NBIOT市场的实现需要芯片厂商、运营商以及类似于摩拜单车这样的应用方的多个利益方共同推动,同时它也还有eMTC/LoRa等同台竞技的对手需要战胜。但可以预见的是,在未来可见的1-2年时间内,最新款的共享单车就会逐渐携带着广覆盖、低功耗的NBIOT芯片面世了。

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