全新物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化型窄帶技術(shù)

　　全新LTE物聯(lián)網(wǎng)窄帶技術(shù)邁向窄帶5G之路，提出了四個(gè)主要領(lǐng)域的改進(jìn)來更好地支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用：降低復(fù)雜性、改進(jìn)電池續(xù)航、增強(qiáng)覆蓋和支持更高節(jié)點(diǎn)密度部署。

降低復(fù)雜性，支持更低成本設(shè)備

　　物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)散將為多種多樣的產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用帶來巨大優(yōu)勢。許多物聯(lián)網(wǎng)使用場景有潛力促成媲美當(dāng)今移動(dòng)寬帶服務(wù)（例如智能手機(jī)、平板電腦）的更高每連接平均收入(ARPC)，但大多數(shù)使用場景將需要成本更低的設(shè)備和訂閱來證明大規(guī)模部署是合理的。例如，智能手機(jī)的硬件和服務(wù)成本與每天提供幾次溫度測量值的簡單遠(yuǎn)程傳感器截然不同。為此，Cat-M1和Cat-NB1設(shè)備將在技術(shù)復(fù)雜度上進(jìn)行縮減以支持更低成本，同時(shí)仍滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求。圖7總結(jié)兩個(gè)全新LTE物聯(lián)網(wǎng)用戶設(shè)備類別的高級復(fù)雜性差異。

　　峰值數(shù)據(jù)速率：較之常規(guī)LTE設(shè)備（例如Cat-1），Cat-M1和Cat-NB1設(shè)備將降低峰值數(shù)據(jù)速率。Cat-M1有下行和上行方向最高1 MBps的有限吞吐量，同時(shí)Cat-NB1進(jìn)一步將峰值數(shù)據(jù)速率降至數(shù)十kbps。降低峰值數(shù)據(jù)速率，支持在設(shè)備硬件中節(jié)省處理和內(nèi)存。
　　帶寬：利用6至100個(gè)資源塊，LTE支持從1.4 MHz到20 MHz的可擴(kuò)展載波帶寬。對于LTE Cat-M1，設(shè)備帶寬限定為僅1.4 MHz（1.08 MHz外加用于帶內(nèi)6個(gè)RB的保護(hù)頻帶），支持更低數(shù)據(jù)速率。另一方面，Cat-NB1將設(shè)備帶寬進(jìn)一步降至200 kHz（180 kHz外加用于單個(gè)RB的保護(hù)頻帶）。Cat-M1帶寬降低，需要新控制信道（即M-PDCCH9）替代傳統(tǒng)控制信道（即PCFICH、PHICH、PDCCH10），后者在更窄帶寬中不再適合。同時(shí)對于Cat-NB1，引入一套新的NB-IoT同步、控制和數(shù)據(jù)信道適應(yīng)更窄帶寬。
　　接收天線：在LTE中引入面向多輸入多輸出(MIMO)和接收分集的多根天線提高頻譜效率。但對于LTE物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，高數(shù)據(jù)速率相對而言沒有需求，但降低復(fù)雜性很重要。對于Cat-M1和Cat-NB1，將接收射頻降為單根天線，簡化射頻前端。盡管由于缺少接收分集有一些射頻退化，但其他先進(jìn)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)能夠補(bǔ)償丟失的信號靈敏度。
　　雙工模式：由于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡皖l率和容遲性質(zhì)，LTE物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠通過僅支持半雙工通信降低復(fù)雜性，給定時(shí)間僅發(fā)送或接收路徑是活躍的。Cat-M1設(shè)備能夠支持半雙工FDD以及TDD，但Cat-NB1設(shè)備僅支持半雙工FDD。這讓設(shè)備實(shí)現(xiàn)更簡單的射頻交換而非更復(fù)雜和昂貴的全雙工。
　　發(fā)射功率：對于兩個(gè)全新LTE物聯(lián)網(wǎng)用戶設(shè)備類別 ，最大上行發(fā)射功率從LTE的23 dBm (200mW)降為20dBm (100mW)，支持集成功率放大器(PA)實(shí)現(xiàn)更低設(shè)備成本。
　　其他簡化：其他為了降低復(fù)雜度而簡化了的技術(shù)包括Cat-NB1的語音支持（VoLTE或電路交換）和移動(dòng)性（無鏈路測量或報(bào)告）。

提高功率效率，實(shí)現(xiàn)多年電池續(xù)航

　　許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都是電池供電，單次充電支持盡可能長的續(xù)航時(shí)間非常必要?，F(xiàn)場維護(hù)相關(guān)成本是很大的問題，尤其在大規(guī)模部署情況下更是如此。不僅定期維護(hù)計(jì)劃是營業(yè)費(fèi)用，而且實(shí)際上定位這些移動(dòng)設(shè)備（例如資產(chǎn)跟蹤器分布在全世界）也可能變成噩夢。因此，最大化電池續(xù)航已變成LTE物聯(lián)網(wǎng)最重要的改進(jìn)維度之一。除通過降低設(shè)備復(fù)雜性實(shí)現(xiàn)節(jié)電之外，已引入兩項(xiàng)全新低功耗增強(qiáng)特性：節(jié)電模式(PSM)和延長型非連續(xù)接收(eDRx兩項(xiàng)都適用于Cat-M1和Cat-NB1設(shè)備。
 
　　節(jié)電模式(PSM)：節(jié)電模式是讓設(shè)備跳過活躍數(shù)據(jù)傳輸之間的周期性尋呼監(jiān)測循環(huán)的全新低功耗模式，讓設(shè)備休眠更長時(shí)間。然而，當(dāng)節(jié)電模式激活時(shí)，設(shè)備變成無法訪問；因此，最好由設(shè)備發(fā)起網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)備端發(fā)起型應(yīng)用或預(yù)定應(yīng)用使用。此外，設(shè)備在節(jié)電模式期間仍保持網(wǎng)絡(luò)注冊，它支持更節(jié)能的低功耗模式進(jìn)/出，在每次節(jié)電模式退出活動(dòng)之后無需額外注冊/連接循環(huán)?？衫霉?jié)電模式的范例應(yīng)用包括定期向網(wǎng)絡(luò)推送數(shù)據(jù)的智能計(jì)量表、傳感器和任何物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。
　　延長型非連續(xù)接收(eDRx)：通過把連接模式中從網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)的最大時(shí)間延長到10.24秒并且把空閑模式中呼叫監(jiān)測和跟蹤區(qū)更新之間的時(shí)間延長到40+分鐘，eDRx優(yōu)化電池續(xù)航。它支持網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備同步休眠期，這樣設(shè)備能夠不用頻繁地檢查網(wǎng)絡(luò)消息。但是，這增加延遲，因此面向設(shè)備終結(jié)型應(yīng)用優(yōu)化eDRx。資產(chǎn)跟蹤和智能電網(wǎng)等使用場景能夠受益于通過更長eDRx周期而實(shí)現(xiàn)的更低功耗。

增強(qiáng)覆蓋，更好地支持挑戰(zhàn)性的位置部署

　　有許多物聯(lián)網(wǎng)使用場景能夠受益于更深網(wǎng)絡(luò)覆蓋，尤其對于在具挑戰(zhàn)性的位置部署的設(shè)備（例如公用事業(yè)計(jì)量表）更是如此。在許多使用場景中，權(quán)衡上行頻譜效率和延遲，能夠在無需提高輸出功率的情況下有效增強(qiáng)覆蓋，提高功率會消極影響設(shè)備電池續(xù)航。

　　冗余傳輸：在連續(xù)子幀（TTI綁定）中多次發(fā)射相同傳輸塊或在一段時(shí)間重復(fù)發(fā)送相同數(shù)據(jù)（重復(fù)傳輸），能夠顯著提高接收器（基站或設(shè)備）正確解碼被傳輸消息的概率。
　　功率譜密度(PSD)提升：服務(wù)基站能夠簡單地提高下行鏈路發(fā)射功率擴(kuò)大覆蓋面，同時(shí)設(shè)備也能夠在一些減少的帶寬上集中全部功率（例如在新的參數(shù)配置中，Cat-NB1能夠在3.75 kHz子載波間隔上發(fā)射，vs. 在Cat-M1和LTE中15 kHz），有效地提高發(fā)射功率密度。
　　單音上行： _同樣地，Cat-NB1設(shè)備能夠利用單音上行（3.75 kHz或15 kHz子載波間隔）進(jìn)一步擴(kuò)大覆蓋面， 平衡峰值數(shù)據(jù)速率（限定為數(shù)十kbps）。
　　更低階調(diào)制：使用QPSK而非16-QAM，信號與干擾加噪聲比(SINR)限值顯著降低，平衡調(diào)制效率（更少比特/符號）。

　　借助這些新的覆蓋增強(qiáng)特性，Cat-M1設(shè)備的鏈路預(yù)算提高到155.7dB，比常規(guī)LTE提高+15dB。對于Cat-NB1，進(jìn)一步提高到164dB。

優(yōu)化LTE核心網(wǎng)絡(luò)，更高效地支持物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

　　物聯(lián)網(wǎng)帶來海量聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，將突破現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)能力極限。完全不同于移動(dòng)寬帶服務(wù)，LTE物聯(lián)網(wǎng)流量僅占總體容量需求的一小部分，網(wǎng)絡(luò)容量不是支撐更多低端物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（例如計(jì)量表）的限制性因素，而是處理更多信令的能力。絕大部分物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備零星而非以大數(shù)據(jù)包形式傳輸少量數(shù)據(jù)；因此，LTE核心網(wǎng)也需要演進(jìn)，通過提供更高效的信令和資源管理，更好地支持物聯(lián)網(wǎng)流量特征。

　　更高效信令：新接入控制機(jī)制，例如擴(kuò)展型接入限制(EAB)防止設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)擁堵時(shí)生成接入請求，從而避免不必要的信令。網(wǎng)絡(luò)還能夠利用組尋呼和組消息與多個(gè)下行設(shè)備更高效地通信。
　　增強(qiáng)型資源管理：網(wǎng)絡(luò)能夠讓大量設(shè)備共享相同訂閱，這樣能夠整合資源與設(shè)備管理。例如，智慧城市中的一組水表可以集中配置、控制和計(jì)費(fèi)。
　　簡化型核心網(wǎng)絡(luò)(EPC-lite)：能夠面向物聯(lián)網(wǎng)流量優(yōu)化LTE核心網(wǎng)，支持更高效地使用資源并將移動(dòng)管理實(shí)體(MME)、服務(wù)網(wǎng)關(guān)(S-GW)和分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(P-GW)整合進(jìn)單個(gè)EPC-lite。這樣，通過利用現(xiàn)有LTE核心網(wǎng)支撐LTE物聯(lián)網(wǎng)，運(yùn)營商可以選擇進(jìn)行優(yōu)化，降低運(yùn)營支出(OPEX)或最小化資本支出(CAPEX)。

交付端到端LTE物聯(lián)網(wǎng)平臺

　　為了讓LTE物聯(lián)網(wǎng)取得成功，整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)都需要參與簡化LTE物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的總體部署與管理。在許多方面，該項(xiàng)工作已經(jīng)開始。硬件制造商通過交付認(rèn)證模塊加快設(shè)備開發(fā)，新的嵌入式SIM (eUICC)計(jì)劃勢頭大增，旨在支持更靈活地管理蜂窩服務(wù)。對于物聯(lián)網(wǎng)軟件開發(fā)，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化將確保數(shù)據(jù)傳輸效率和廠商間互操作性；例如，oneM2M正推動(dòng)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)更快產(chǎn)品上市和更可靠的端到端安全性。

5G路線圖將帶來甚至更多物聯(lián)網(wǎng)機(jī)會

　　5G將是連接新行業(yè)、支持新服務(wù)并營造新用戶體驗(yàn)的更強(qiáng)大統(tǒng)一連接平臺。物聯(lián)網(wǎng)將是5G不可或缺的一部分，提供4G LTE無法支持的新型物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和效率。目前5G愿景定義明確，2020年開始商用，它將進(jìn)一步增強(qiáng)移動(dòng)寬帶、更高效地支持大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)并且促成全新關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)。下面圖10展示新一代5G網(wǎng)絡(luò)ITU-RIMT-2020愿景。

向窄帶5G演進(jìn)NB-IoT

　　5G新平臺將在3GPP標(biāo)準(zhǔn)第15版和未來版本中進(jìn)行定義，但許多基礎(chǔ)技術(shù)已作為LTE升級專業(yè)版的一部分引入。NB-IoT將在3GPP第13版之外持續(xù)演進(jìn)，離窄帶5G支持大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)更近一步。第14版的一些提議增強(qiáng)特性將包括但不限于語音/移動(dòng)性、位置服務(wù)和面向更高效空口(OTA)固件更新的廣播支持。

為大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)帶來新功能

　　通過交付全新上行鏈路多址接入設(shè)計(jì)，稱為“資源擴(kuò)展多址接入”(RSMA)，5G將改進(jìn)LTE物聯(lián)網(wǎng)支持更高節(jié)點(diǎn)密度的能力。資源擴(kuò)展多址接入是異步、非正交和競爭式接入，將進(jìn)一步降低設(shè)備復(fù)雜性和減少信令開銷，因?yàn)樗С帧拔矬w”無需事先網(wǎng)絡(luò)調(diào)度即可傳輸。

　　為了面向物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將網(wǎng)絡(luò)覆蓋面擴(kuò)大到最極端的位置（例如超遠(yuǎn)距離、地下深處），5G將支持多跳網(wǎng)狀網(wǎng)，讓覆蓋范圍之外的設(shè)備直接連接可向接入網(wǎng)回傳數(shù)據(jù)的設(shè)備。這從根本上創(chuàng)建無邊緣網(wǎng)絡(luò)，在典型蜂窩接入（例如普通基站和小型基站）之外擴(kuò)大覆蓋面。更重要的是，5G核心網(wǎng)還將對接入覆蓋范圍內(nèi)的設(shè)備和那些對等連接網(wǎng)狀網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)支持的設(shè)備進(jìn)行廣域網(wǎng)(WAN)管理。

支持關(guān)鍵任務(wù)控制物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)

　　LTE物聯(lián)網(wǎng)高效地縮減，面向非頻繁和容遲通信進(jìn)行優(yōu)化；在滿足許多更低端物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（例如計(jì)量和傳感器）的同時(shí)，有一類物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要更高性能。例如關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)需要端到端延遲低至1毫秒、超高可靠性支持極低丟失率、通過多個(gè)鏈路支持容錯(cuò)和移動(dòng)性實(shí)現(xiàn)高可用性以及不容妥協(xié)的穩(wěn)健端到端安全性。5G關(guān)鍵任務(wù)控制設(shè)計(jì)考慮全部這些需求，無人機(jī)和工業(yè)機(jī)器人僅僅是驅(qū)動(dòng)這些極端需求（但并非全部服務(wù)同時(shí)需要）的幾個(gè)創(chuàng)新使用場景。

全新5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有其他優(yōu)勢

　　全新靈活5G網(wǎng)絡(luò)將提供卓越性能和效率，面向相同物理網(wǎng)絡(luò)中托管的廣泛服務(wù)（例如增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶、關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)和大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)）利用虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能創(chuàng)建優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)切片。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片能夠獨(dú)立配置，提供按照應(yīng)用需求優(yōu)化的端到端安全性。這對物聯(lián)網(wǎng)特別有利，因其多樣性需求可能決定相同網(wǎng)絡(luò)部署支持的不同使用場景要求大相徑庭的服務(wù)等級協(xié)議(SLA)。除支持更高效的資源配置和利用之外，增強(qiáng)型5G網(wǎng)絡(luò)還支持靈活的訂閱模式和動(dòng)態(tài)創(chuàng)建/控制服務(wù)。

總結(jié)

　　物聯(lián)網(wǎng)助力智能聯(lián)網(wǎng)設(shè)備大規(guī)模涌現(xiàn)，將在許多行業(yè)支持新服務(wù)和效率。物聯(lián)網(wǎng)將在未來數(shù)年改造企業(yè)、改變?nèi)祟惿罘绞讲⑶掖龠M(jìn)創(chuàng)新。蜂窩技術(shù)將在向廣泛的物體提供連接性方面發(fā)揮重要作用；LTE正演進(jìn)交付可擴(kuò)展的統(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)平臺，帶來超過非3GPPLPWA解決方案的巨大優(yōu)勢。它不僅通過既有全球網(wǎng)絡(luò)提供普適覆蓋，而且?guī)頍o與倫比的可靠性、安全性和性能水平，這是要求最高的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要的。

　　LTE升級專業(yè)版正交付全新LTE物聯(lián)網(wǎng)窄帶技術(shù)，將降低復(fù)雜性、延長電池續(xù)航、深化覆蓋并且支持高節(jié)點(diǎn)密度部署。在3GPP標(biāo)準(zhǔn)第13版中，LTE物聯(lián)網(wǎng)引入兩個(gè)全新用戶設(shè)備類別（Cat-M1和Cat-NB1），將縮減LTE以支持更高效的物聯(lián)網(wǎng)通信。Cat-M1將提供最廣泛的物聯(lián)網(wǎng)功能，支持更先進(jìn)的特性，例如移動(dòng)性和VoLTE，同時(shí)Cat-NB1面向容遲低吞吐量使用場景進(jìn)一步縮減以提供最低成本和功率。

　　在LTE物聯(lián)網(wǎng)窄帶技術(shù)之上構(gòu)建，5G將帶來更多物聯(lián)網(wǎng)機(jī)會。窄帶5G將借助新功能增強(qiáng)大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)，例如資源擴(kuò)展多址接入(RSMA)支持免許可傳輸和多跳網(wǎng)狀網(wǎng)進(jìn)一步擴(kuò)展覆蓋面。5G也將通過交付超低延遲通信支持關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)，提供顯著改善的系統(tǒng)可靠性、服務(wù)可用性和端到端安全性。全新靈活網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也將支持在下一代5G網(wǎng)絡(luò)上托管的全部服務(wù)具有卓越性能和效率。總之，連接物聯(lián)網(wǎng)將是5G下一個(gè)十年和未來更強(qiáng)大統(tǒng)一連接平臺不可或缺的一部分。