作者 | 万物云联网

责编 | 贾维娣

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引言

当前基于4G LTE的两大物联网（IoT）即LTE-M和NB-IoT已经能够支持包括资产跟踪，智能电表以及其它关键的物联网（IoT）应用如在商用LTE网络上的进行无人机控制的能力；

许多行业观察者都将大规模物联网（Massive IoT：mIoT）应用称为即将推出的5G移动网络的杀手级应用。但是，这并不意味着许多先进的物联网应用场景，包括以无人机为基础的服务将需要等到5G被标准化和商用化之后才能够成为现实。即使在现在基于现有的通信网络和技术许多先进的物联网应用也在不断涌现，例如高通公司花了数月时间使用商用LTE网络来控制无人机（UAV：unmanned aerial vehicles）。

为了支持大规模地连接的设备，3GPP在Release 13协议规范中推出了包括窄带IoT（NB-IoT）和eMTC（增强机型通信）等支持大规模物联网应用的协议标准，以及在更早的协议版本中更常见基于LTE连接的LTE-M协议标准，如图1所示。

图1 旨在增强对大规模MTC应用支持的3GPP LTE协议的逐步演进步骤

第一个3GPP 5G NR协议版本提供支持eMBB（增强型移动宽带）和URLLC（超可靠，低延迟通信）应用的技术，这些技术解决高性能物联网（IoT）的应用场景。然而，它不会针对低复杂度的IoT应用（也称为大规模机器通信或者mMTC（Massive MTC））。

那么我们如何才能实现连接大型IoT的5G愿景？要清楚的是，术语“大规模物联网”是指数十亿的物联网设备，包括事物和机器，寿命10年及以上，即使在最偏远的地方也需要无处不在的连接，例如深埋在地下的传感器。

为了实现大规模（按照3GPP定义，每平方公里至少有1百万个设备），移动网络必须更有效地支持通常不会频繁通信的最简单的设备，并且具有超能效，因此可以提供极长的例如10年以上的电池寿命。听起来很有挑战性，但是我们不必等待5G到来才开始连接大量的物联网。

如图1所示，3GPP已经在版本13（Release 13）中引入了两套互补的窄带LTE 物联网（IoT）技术：eMTC（增强机型通信）和NB-IoT（物联网）。两者都针对较低的复杂性和功率，更高的覆盖范围和更高的器件密度进行了优化，同时能够与其他LTE服务（如常规的移动宽带）无缝共存。

eMTC（增强机型通信）和NB-IoT（物联网）共同拓展了LTE的技术组合，以支持更广泛的低功耗IoT应用场景。

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蜂窝物联网技术全面开花

今天基于事物互联网即物联网（IoT）的应用遍布在我们的日常生活中，如共享单车，连接的恒温器，摄像机和其他智能家居设备，以及为水电煤等公用事业运营商提供类似于智能电网的资源使用情况的详细了解，部署等。

但是，随着物联网继续推动新的更多的垂直行业向数字化转型时，在某个时刻物联网的连接数必将变得十分巨大起来， 3GPP将每平方公里拥有100万台及以上的连接设备称为“大规模（Massive）”，所以届时传感器将遍及全球，其中许多是相对简单的设备，不一定需要采用支持超高容量和非常低延迟的5G技术，对于这些物联网应用LTE-M和NB-IoT就是最佳的选择。

LTE-M和NB-IoT是互补的，因为它们的协议规范的不同能力来支持广泛的存在差异的应用场景。LTE-M使用1.4MHz LTE信号带宽能够提供1 Mbps的峰值下行链路和上行链路速度，NB-IoT支持使用180kHz信道带宽，支持50 Kbps下行链路和上行链路的峰值速率。“LTE-M”能够支持VoLTE等基本功能，并为范围广泛的物联网（IoT）应用场景（包括资产跟踪器和可穿戴设备）提供全面的移动性支持。而另一方面，NB-IoT可以物联网设备缩小到极端的简单，并且可以提供更深的覆盖范围，支持像电表和传感器这样的物联网设备。

图2 互补的eMTC和NB-IoT解决了大量的物联网应用场景

我们真的需要eMTC和NB-IoT来连接大量的物联网（IoT）设备吗？答案是肯定的，因为互为补充的eMTC和NB-IoT是为不同类型的物联网应用场景而设计的。

eMTC可以使用1.4 MHz的带宽提供高达1 Mbps的吞吐量，并支持基本功能，例如VoLTE和完全移动性，适用于广泛的IoT用例，包括资产跟踪器和可穿戴产品。而另一方面，对于低吞吐量，延迟容忍的应用，例如测量仪表和传感器等，NB-IoT可以缩小到极端简单。

它使数据速率仅为10 kbps等级，信号带宽为200 kHz，并且可提供更高的覆盖范围。此外，NB-IoT可以部署在现有的LTE频带内，在两个常规LTE载波之间的保护带中，或者以独立模式部署，并且同时为重新使用已经建设好的GSM（2G / GPRS）频谱提供了一个简单的迁移路径。

图3 下行链路中NB-IoT独立部署，在LTE带内以及LTE保护带内部署的示例图示。

3GPP除Release 13协议版本之外，还有一个丰富的LTE 物联网（IoT）技术的演进路线图，这将为进一步的改进提供更多的支持，以满足未来的巨量的物联网（IoT）连接需求。例如，Release 14将会为eMTC和NB-IoT带来新的功能，例如单小区组播，实现易于实现空口中（over-the-air：OTA）对固件升级，以及增强设备定位功能以进行资产定位跟踪。此外，还有两个正在进行的Release 15版本的协议工作项目在进一步增强eMTC和NB-IoT功能，包括唤醒接收机以及TDD支持NB-IoT等新的功能。

图4 3GPP 协议Release13及更高版本中的LTE 物联网（IoT）演进图

应该清楚的是，LTE IoT今天开始连接大量的物联网设备，eMTC和NB-IoT将会在未来几年内不断发展 - 利用LTE网络的规模，寿命和全球覆盖（甚至也可以无缝地实现从2G演进过来）。最终将形成一个5G NR支持的大型物联网（IoT）解决方案。

一些面向未来应用的先进设计技术将包括NOMA（非正交多址：non-orthogonal multiple access），利用RSMA（资源分配多址访问;resources speared multiple access）实现无需授权的传输 - 在需要的情况下设备可以在不需要许可的情况下发送数据，以及网状网络技术（mesh networking ）这将扩展LTE网络的设备到设备的通信功能。

另一个激动人心的方面是扩展到无牌频谱（unlicensed spectrum）。 MulteFire联盟（MulteFire Alliance ：https://www.multefire.org/）正在试图让LTE IoT可以在无许可频谱中运行，以扩展并超越由MulteFire 1.0所支持的移动宽带和高性能IoT功能。利用窄带LTE IoT技术将为专用LTE网络（private LTE）带来新的机遇，并可以实现LPWA（低功率广域）的应用场景。

为了加强对极具市场前景的LTE物联网技术的控制，高通正在提供支持eMTC设备类别Cat-M1，NB-IoT设备类别Cat-NB1和E-GPRS等的商用多模解决方案。高通的MDM9206是一款灵活的单SKU（Stock Keeping Unit（库存量单位））解决方案，可通过单一硬件，软件和RF设计实现全球部署。

图5 高通支持多种模式应用的物联网芯片

几周前，高通与Mobike（摩拜单车）和中国移动进行的联合实地测试 - 测试中将利用高通的的LTE IoT多模式解决方案。

图6 高通，中国移动和Mobike（摩拜单车）测试LTE IoT多模芯片

该测试将使用中国移动的2G / 4G多模网络和Mobike（摩拜单车）的智能锁，以及由高通的调制解调器支持的IoT应用；LTE调制解调器支持的LTE连接和集成的GNSS位置定位功能旨在帮助Mobike客户准确识别可用的自行车，加快智能锁的解锁过程并协助实时管理共享自行车。

此外，高通的全球多模式LTE调制解调器与该公司的低功耗蓝牙解决方案一起计划在智能Mobike Preferred Location（sMPL）平台中使用，以支持亚米级别的定位，从而帮助Mobike（摩拜单车）实时监控其自行车的位置和整体 状态，包括来自不同地区的自行车数量，位置和交通信息。 该平台还旨在为摩拜单车的工作人员提供自行车的交付，调度，操作和维护等的精确说明。

全球的移动运营商也开始推出支持Cat-M1和Cat-NB1设备的商用LTE IoT网络。我们看到20多家移动运营商已经公开宣布了部署LTE IoT的承诺，更多的eMTC和/或NB-IoT技术正在进行商业化准备。

虽然5G将增强对物联网（IoT）的支持，但现有的LTE已经能够支持多种物联网应用

图7 截至2017年6月，运营商承诺部署LTE IoT - LTE IoT 在全球发展势头强劲

本周中国在中国传来爆炸性的消息。据悉，工信部近日发文要求加快NB-IoT在国内落地，到今年年底建成基站规模40万个，到2020年建成基站规模150万个。

随着全联接时代到来，传统的电力、交通、能源、化工、制造等行业都在积极探寻自身的转型升级之路。作为由电信力量主导的物联网标准，NB-IoT技术在深度覆盖、超大链接、超低功耗、超低成本等方面均有突出优势，已成为推动物联网产业进程的重要抓手。

根据工信部下发的通知，建设NB-IoT基础设施、发展基于NB-IoT技术的应用，有助于推进网络强国和制造强国建设、促进“大众创业、万众创新”和“互联网+”发展。

工信部要求，加快完成国内NB-IoT设备、模组等技术要求和测试方法标准制定；加快eSIM/软SIM在NB-IoT网络中的应用方案研究。要求加快推进网络部署，到2017年末，实现NB-IoT网络覆盖直辖市、省会城市等主要城市，基站规模达到40万个；到2020年，NB-IoT网络实现全国普遍覆盖，面向室内、交通路网、地下管网等应用场景实现深度覆盖，基站规模达到150万个。

同时，要求推广NB-IoT在细分领域的应用，逐步形成规模应用体系，2017年实现基于NB-IoT的M2M连接超过2000万，2020年总连接数超过6亿。

2016年6月16日，NB-IoT技术协议获得3GPP通过，成为史上建立最快的3GPP标准之一，目前已经冻结并可在全球部署。全球主流运营商均对此积极布局，并催生出一系列的商用场景；近期，国内三大运营商相继启动了NB-IoT预商用。

图8 工信部要求到2020年在中国建成150万个NB-IoT基站规模

总而言之，LTE IoT的未来是非常光明的，LTE 将携LTE-M和NB-IoT技术向前昂首迈进5G时代，物联网将继续成为5G的杀手级应用之一。