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技術分享

NB-IoT與LoRa技術詳解及競爭態勢分析(一)

時間:2019-10-25 13:47:57   作者:曼能節能科技   來源:注冊   評論:0
內容摘要:智慧供熱走進人們的視野,其中關于物聯網的運用至關重要,今天我們來分析一下物聯網中的NB-IoT與LoRa兩大技術具體有哪些不同以及其競爭態勢又如何

“物聯網”概念在1999年美國麻省理工學院首次被提出,狹義的物聯網指的是“物—物相連的互聯網”,這里相連的主體既包括物品到物品,也包括物品到識別管理設備。物聯網是繼互聯網后對人類發展起到促進作用的重大技術創新。中國政府為此提出《物聯網2020行動計劃》。


物聯網技術主要體現在通訊和傳感器兩個方面:

物聯網通信技術


物聯網的無線通信技術很多,主要分為兩類:一類是Zigbee、WiFi、藍牙、Z-wave等短距離通信技術;另一類是LPWAN(low-powerWide-Area Network,低功耗廣域網),即廣域網通信技術。


LPWA又可分為兩類:一類是工作于未授權頻譜的LoRa、SigFox等技術;另一類是工作于授權頻譜下,3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術,比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。


NB-IoT的標準及進展


1、RAN方面


2014年5月,華為收購了Nuel公司,開始和沃達豐進行窄帶蜂窩物聯技術的研究,提出了窄帶技術NB M2M。2015年5月,華為、沃達豐聯合高通共同制定了相關的上下行技術標準,融合NB OFDMA形成了NB-CIoT。


NB-CIoT提出了全新的空口技術,相對來說在現有LTE網絡上改動較大,但NB-CIoT是提出的6大Clean Slate技術中,唯一一個滿足在TSG GERAN #67會議中提出的5 大目標(提升室內覆蓋性能、支持大規模設備連接、減小設備復雜性、減小功耗和時延)的蜂窩物聯網技術,特別是NB-CIoT的通信模塊成本低于GSM模塊和NB-LTE模塊。


此時,愛立信和諾基亞聯合推出窄帶蜂窩技術NB-LTE,與NB-CIoT的定位較為相似,但NB-LTE更傾向于與現有LTE兼容,其主要優勢在于容易部署。2015年7月,愛立信和華為分別向3GPP提交標準提案。最終,在2015年9月的RAN #69會議上經過激烈討論后協商統一,由3GPP在Rel-13版本中將兩種技術融合形成了NB-IoT標準。


NB-IoT從窄帶技術演變為3GPP的正式標準,相關廠商、運營商積極的推動和市場真實存在的需求是兩個不可忽略的因素。


3GPP的通信技術標準主要可分為Core Part(主體功能)、性能標準及RF一致性測試標準等。其中,主體功能標準指的是協議的具體內容,包括信令協議、網絡接入等,主要與開發相關;性能標準主要是各個子技術領域的性能,跟測試強相關;一致性測試標準,主要包括一些流程及功能的測試標準。


2、SA\CT 方面


從Rel-12開始,3GPP逐步在研究MTC通信增強的核心網架構,至Rel-13開始重點研究NB-IoT及DECOR/eDECOR相關技術。


3GPP核心網側與NB-IoT相關的主體標準大部分處于stage2(業務與系統架構),2016下半年至2017年初啟動stage3(核心網與終端)的相關工作。


為了滿足海量碎片化、低成本、低速率、低功耗的NB-IoT物聯網應用,核心網方面主要考慮了以下方面的問題。


高效地支持非頻繁小包傳送


面向NB-IoT進一步提高對非頻繁小包傳送的處理效率。由于NB-IoT終端的數量可能呈指數型增長,但每個終端的數據量及通信周期都比較低,而以現有的EPS核心網(基于S1接口)去處理此類業務,其效率將非常低且有過載的風險,因此,需要最小化整個EPS系統的信令開銷,尤其是空口部分(如:RRC連接的建立和釋放),此外,還需要加強EPS系統安全流程(此部分是由SA WG出)。


目前有兩種優化方向,一種是基于控制面的優化方案,即通過NAS過程來傳送小包;另外一種是基于用戶面的優化方案,即通過RRC suspend 態在UE 和RAN節點同時緩存用戶的上下文,以減少信令的交互。以上兩種優化方案在TS23.401 Rel-14版本中均已加入,方案一作為必選方案,而方案二為可選方案。目前,3GPP傾向于采用基于控制的優化方案,此部分標準在CT(核心網與終端)的主體工作目前還在進行當中。


使用小包傳送高效地支持跟蹤裝置


3GPP沒有專門定義此類業務的業務模型,目前還處于研究狀態,預計在Rel-14版本中解決,其業務模型屬于MAR(移動終端周期性上報)業務模型的變種,需要在定位、移動性、傳輸效率等方面有進一步的增強和優化。


高效的尋呼區域管理


針對海量靜止或限制移動性的終端,由于空口資源稀缺、核心網接口資源有限等原因,3GPP SA2目前還在進行尋呼優化的討論,預計將在Rel-14中完善此部分功能。尋呼優化的主要思路是考慮僅在用戶上一次接入的eNB 或小區內進行尋呼而非整個TA(初步假設,NB-IoT小區的TA code與現有eNB小區的TA code 是不同的),以節省空口及核心網的相關資源。


在同樣的覆蓋區域,NB-IoT 的設備是海量的,遠多于傳統的蜂窩終端設備。運營商在窄帶頻譜下運營,有可能并不能提供足夠的尋呼所需資源、UE的標識(S-TMSI,IMSI)。與傳統蜂窩相比,由于小數據包的消息量限制,單次尋呼消息中要包含以上標識是極為受限的;另外一方面,覆蓋增強是標準中強制要求的,因此,尋呼消息可能要占用更長時間(重復發送相同的尋呼消息的間隔周期更長)。


大部分NB-IoT設備被認為是靜止或很少移動的,因此可以對其尋呼范圍進行限制,不需要在其所屬的整個TA進行尋呼,這樣可以減少對尋呼資源的消耗。但是,當UE 進入IDLE模式時,eNB上報給MME的上一次為NB-IoT UE服務的小區信息可能是不準確的(甚至靜止的用戶也存在這種可能)。這是因為在UE 靜止的情況下,用戶的主服小區的改變可能由各種原因引起,如射頻負載條件改變、鄰小區的射頻條件改變(類似建筑物的阻擋,導致UE接入其他基站)。


DECOR/eDECOR


現網部署時,核心網可能會存在多個NB-IoT的DCN(DedicatedCore Network)。根據TSG RAN側TS23.236的輸出,NB-IoT DCN可能會同時連接到E-UTRAN和NB-IoT的RAN節點,可以根據用戶類型采取兩種不同方案為其選擇合適的DCN。一種是重定向方案,參考TR23.707 DECOR功能;另一種是UE輔助,參考TR23.711中的eDECOR。從目前協議的進展來看,由于重定向流程會導致UE與RAN及網絡側之間產生額外的信令交互,所以DECOR部署的可能性較小,可能會作為過渡方案;而eDECOR由于對UE有影響,目前還處于初期研究階段,將在Rel-14后期逐步完善,未來隨著虛擬化網絡的部署,有望被廣泛采用。


支持non-IP 數據類型


在M2M應用中,非I 數據使用是常見的,如6LowPAN、MQTT-S等。當此類應用部署在NB-IoT 網絡時,應用服務器AS或業務能力服務器SCS與用戶間的non-IP數據需要通過網絡進行傳送,有兩種方案可供選擇,一種是通過non-IP專屬的PDN點對點隧道方式通過SGi接口進行傳送,另外一種是通過SCEF進行傳遞。目前,由于CSGN與SCEF之間的T6a接口還處于初步研究階段,而通過SGi接口傳送non-IP數據可以使C-SGN統一數據出口,便于未來面向NB-IoT類業務進行計費點選擇及計費模式設計,因此,SGi方式可能會被運營商優先采用。


支持SMS


部分已有M2M業務是采用SMS支持的,為了能夠全面的覆蓋此類業務,在部署NB-IoT后,需要考慮兩個問題:①是否保留聯合附著以獲取短信傳遞能力或者只進行PS 的附著;②是否會存在只使用SMS進行信息傳遞而無需建立任何PDN連接的終端及其解決方案。在Rel-14中會進一步完善NBIoT核心網支持SMS的解決方案,但運營商現網部署時可以根據實際需求考慮是否部署SMS功能,例如僅部署IP 及non-IP數據承載方式,主要是考慮到支持SMS功能需C-SGN與短信中心之間開通SGd接口,且需對現網短信中心進行升級改造,對CSGN也有相關功能要求。


授權用戶支持覆蓋增強(CE)技術


對于傳播環境較差的用戶,例如地下管道內的設備,需要很強的穿透性能,此時需要使用CE技術以獲得更好的穿透效果。但CE技術的使用,需要網絡側提供額外的資源。因此,應該對用戶進行認證,對可使用CE技術的用戶加以限制,以保證只有簽約并得到CE授權的用戶方可享受此特性,實現差異化的服務。


OverLoad控制


關于減少核心網過載的風險的議題,3GPP發起了多項研究,提出了包括接入等級劃分、基于eNB輔助的(在eNB側進行拒絕、延遲、隊列)等多種方案,而在TS23.401中,針對NB-IoT設備采用的擁塞控制方案是基于EPS系統原有backoff timer機制的升級,采用離散化的方式對NB-IoT設備并發請求進行處理來實現過載控制。


頭壓縮增強


由于NB-IoT大部分應用場景使用的都是小數據包且通信頻率很低,

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