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一篇文章讲清NB-IoT技术

PART 1/“物网(物联网)”的差异化需求

一直以来,人们通过相应的终端(电脑、手机、平板等)使用网络服务,“个人”一直是网络的用户主体。个人对网络质量的要求“高”且“统一”:玩网络游戏必需要低时延,下载文件或看网络视频则期望高带宽,通话需要声音清晰,而接收的短信绝不能有遗漏。

对于移动通信网络,运营商们尽可能地维系着低时延、高带宽、广覆盖、随取随用的网络特性,以保证良好的用户体验,以及营造出丰富多姿的移动应用生态。

对于个人通信业务,虽然用户的要求很高,但整体上对网络质量的需求是一致的,运营商只需要建立一套网络质量标准体系来建设、优化网络,就能满足大多数人对连接的需要。

随着网络中用户终端(手机、PAD等)数量的增长逐渐趋缓,M2M应用成为了运营商网络业务的增长发力点,大量的M2M应用终端则成为了网络的用户。M2M应用终端(传感设备、智能终端),本质上就是物联网终端,它们通过装配无线通信模组和SIM卡,连接到运营商网络,从而构建出各类集中化、数字化的行业应用。

不同于个人通信业务,在物联网终端构建的行业应用中,各领域应用对信息采集、传递、计算的质量要求差异很大;系统和终端部署的环境也各不相同,特别是千差万别的工业环境;此外,企业在构建应用时,还需要考量技术限制(供电问题、终端体积等)和成本控制(包括建设成本和运营成本)。因此,千姿百态的行业应用具有“个性化”的一面,使得连接的需求朝着多样性的方向发展。

1、物联网业务需求的差异化,体现在两个方面

一方面,不同的终端和应用对网络特性有不同的要求。传统的网络特性包括:网络接入的距离、上下行的网络带宽、移动性的支持、还有数据收发的频率(或称为周期性)、以及安全性和数据传输质量(完整性、稳定性、时效性等)。

这几个方面可浓缩成三个方面,为“接入距离”、“网络特性”、“网络品质”。“接入距离”主要分为近距接入和远距接入两种。网络的“特性”和“品质”则是体现需求差异化的主要因素,例如传感器终端的“网络特性”可能是:只有向云端发送的“上行数据”,而没有接收的“下行数据”。

另一方面,网络还需要“照顾”原本不太被关注的终端特性,以适应各类的行业应用需求:对“能耗”和“成本”的控制。

(1)能耗

个人用户大多数时间都是处于宜居的环境中,智能终端常伴左右,并且在人类活动的环境中总能找到充电的“电源插头”,所以这些终端的生产厂家对电池的电量并不敏感。

而物联网终端的工作环境相比较个人终端的工作环境,则要复杂的多。有些物联网终端会部署在高温高压的工业环境中,有些则远离城市、放置在人迹罕至的边远地区,还有一些可能深嵌地下或落户在溪流湖泊之中。

很多设备需要电池的长期供电来工作,因为地理位置和工作环境无法向它们提供外部电源,更换电池的成本也异常高昂。所以“低功耗”是保证他们持续工作的一个关键需求。在不少应用场景中,一小粒电池的电量需要维持某个终端“一生”的能量供给。

(2)成本

个人使用的终端,不论是电脑还是手机,其功能丰富、计算能力强大、应用广泛,通信模块只是其所有电子元件和机械构建中的一小部分,在总的制造成本中占比较低。

个人终端作为较高价值的产品,用户、厂家对其通信单元的固定成本并不特别敏感。而物联网终端则不同,许多不具备联网功能的终端原本只是简易的传感器设备,其功能简单、成本低廉,相对于传感设备,价格不菲的通信模块加入其中,就可能引起成本骤升。

在应用场景中大量部署联网的传感设备,往往需要企业下决心提高终端的成本投入。而与此矛盾的是:简单的传感器终端上传网络的数据量通常都很小;它们连接网络的周期长(网络的使用频次低);每一次上传信息的价值都很低。终端成本和信息价值不成比例,使得企业会在大量部署物联网终端的决策上犹豫不前。如何降低这些哑终端(单一的传感器终端)的通信成本,是一个迫在眉睫的难题。

此前提及的能耗问题,如果不妥善解决,也会影响到物联网应用的运营成本:如果终端耗电过快,就需要不断地重新部署投放或更换电池。

2、低功耗、低成本是物联网通信的一大需求

原本的网络对应用并不敏感,只要提供统一的高质量网络通道(标准唯一),就可以满足大多数用户的需求。不论用户喜欢使用什么样的业务,都可以通过高品质的网络质量来获得通信服务,网络能够满足个人用户的大多数要求。

然而随着行业应用的深入,网络设计和建设者必须关注到应用、终端的差异性,也就是网络需要针对终端、应用做出相应的调整和适配。

在此前提到的网络特性和终端特性中:“距离、品质、特性”和“能耗、成本”,前后两类特性存在密切的关联关系:通信基站的信号覆盖越广(“距离长”),则基站和终端的功耗越高(“能耗高”);要实现高品质、安全可靠的网络服务(“品质高”),需要健壮的通信协议实现差错效验、身份验证、重传机制、以建立端到端的可靠连接,保证的基础就是通信模块的配置就不能低(“成本高”)

PART2 / NB-IoT发展历程

运营商在推广M2M服务(物联网应用)的时候,发现企业对M2M的业务需求,不同与个人用户的需求。企业希望构建集中化的信息系统,与自身资产建立长久的通信连接,以便于管理和监控。

这些资产,往往分布各地,而且数量巨大;资产上配备的通信设备可能没有外部供电的条件(即电池供电,而且可能是一次性的,既无法充电也无法更换电池);单一的传感器终端需要上报的数据量小、周期长;企业需要低廉的通信成本(包括通信资费、装配通信模块的成本费用)。

以上这种应用场景在网络层面具有较强的统一性,所以通信领域的组织、企业期望能够对现有的通信网络技术标准进行一系列优化,以满足此类M2M业务的一致性需求。

2013年,沃达丰与华为携手开始了新型通信标准的研究,起初他们将该通信技术称为“NB-M2M(LTE for Machine to Machine)”。

2014年5月份,3GPP的GERAN组成立了新的研究项目:“FS_IoT_LC”,该项目主要研究新型的无线电接入网系统,“NB-M2M”成为了该项目研究方向之一。稍后,高通公司提交了“NB-OFDM”(Narrow Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 窄带正交频分复用)的技术方案。

(3GPP,“第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project)”标准化组织;TSG-GERAN (GSM/EDGE Radio Access Network):负责GSM/EDGE无线接入网技术规范的制定)

2015年5月,“NB-M2M”方案和“NB-OFDM方案”融合成为“NB-CIoT”(Narrow Band Cellular IoT)。该方案的融合之处主要在于:通信上行采用FDMA多址方式,而下行采用OFDM多址方式。

2015年7月,爱立信联合中兴、诺基亚等公司,提出了“NB-LTE”(Narrow Band LTE)的技术方案。

在2015年9月的RAN#69次全会上,经过激烈的讨论和协商,各方案的主导者将两个技术方案(“NB-CIoT”、“NB-LTE”)进行了融合,3GPP对统一后的标准工作进行了立项。该标准作为统一的国际标准,称为“NB-IoT(Narrow Band Internet of Things,基于蜂窝的窄带物联网)”。自此,“NB-M2M”、“NB-OFDM”、“NB-CIoT”、“NB-LTE”都成为了历史。

2016年6月,NB-IoT的核心标准作为物联网专有协议,在3GPP Rel-13冻结。同年9月,完成NB-IoT性能部分的标准制定。2017年1月,完成NB-IoT一致性测试部分的标准制定。

在我看来,促成这几种低功耗蜂窝技术“结盟”的关键,并不仅仅是日益增长的商业诉求,还有其它新生的(非授权频段)低功耗接入技术的威胁。LoRa、SIGFOX、RPMA等新兴接入技术的出现,促成了3PGG中相关成员企业和组织的抱团发展。

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