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全球无线物联网标准发展现状及展望(1):3GPP层面

全球移动通信的发展方向是第五代移动互联网及下一代物联网,国际电信联盟ITU所规范的IMT-2020(即第五代移动通信5G)三大类应用方向中,有两大类都涉及到物联网。由此可见全球移动通信业界对于可持续发展的物联网业务的极大重视。CIoTCellular Internet of Things,蜂窝物联网)是全球通信行业在当下的一大热门话题,业界一致认为,其正于新兴物联网市场的充分利用方面为移动通信运营商们创造一个巨大的机遇。

 

美洲移动通信协会于20151130日发布了一份长达65页的研究报告“Cellular Technologies Enabling the Internet of Things(可用于提供物联网业务的蜂窝移动通信技术)”。本系列文章结合此份报告与移动通信国际标准组织3GPP、全球移动通信协会的相关最新相关文档,介绍全球无线物联网标准发展现状及展望。

 

在蜂窝窄带物联网的无线连接标准方面,有多个不同的专用网络解决方案在角逐市场。为促进蜂窝物联网市场的健康、可持续发展,3GPP正在对这些相关的解决方案作进一步研发,并输出大量基于LTEGSM移动通信网络的提案或建议。总体上,于正在制定阶段的LTE Release 13版本规范中,3GPP正在研发三大不同的蜂窝物联网技术标准:(1)基于LTE后续演进系统的LTE-M;(2)基于GSM后续演进的一种窄带无线物联网解决方案EC-GSM;(3)一种全新的窄带蜂窝物联网解决方案NB-LTE

 

然而,201510月,3GPPRAN(无线接入网络)工作组决议把对EC-GSMNB-LTE这两种不同的窄带物联网技术解决方案的研究结合起来,以期形成单一的NB-IoT技术标准。之所以这样做,是出于这样的考虑:(1)窄带蜂窝物联网标准要能支持不同的运行模式;(2)避免由于存在两个不同技术标准而导致整个市场出现分化的情况。

 

3GPP RAN工作组认为,NB-IoT技术标准应能支持以下三种运行模式:

 

1)“独立运行”模式——其可使用其他系统(比如GSM边缘无线接入网络GERAN)目前的在用无线频频资源来替代一个或多个GSM载波;

 

2)“保护带运行”模式——其可使用LTE载波间保护频段(目前尚未使用)的无线频谱资源;

 

3)“带内运行”模式——其可使用某个LTE载波内某段物理频段的无线频谱资源。

 

以下对3GPP正在研发的三大蜂窝物联网解决方案进行简要描述:

 

1LTE-M。其为LTE-Machine-to-Machine(基于LTE移动通信网络的机器到机器通信)的简称。3GPP制定LTE-M技术规范的目的在于对LTE Release 12版本规范中的低成本CIoT(即低成本机器类通信)在LTE Release 13版本规范作进一步增强,打造LTE eMTC(基于LTE移动通信网络的增强型机器类通信)。LTE-M系统可支持的无线数据传输速率最大值可达1 Mbit/s,且设备成本更低、功耗更低,在现有的LTE移动通信网络中将有着更佳的覆盖与容量能力。

 

2EC-GSM。其为Extended Coverage GSMGSM网络覆盖扩展)的简称。在3GPP GERAN工作组第62号研究项目“Cellular System Support for Ultra Low Complexity and Low Throughput Internet of Things(超低复杂度与低吞吐量物联网的蜂窝移动通信系统支撑)”中提出一种窄带(200 kHz)蜂窝物联网解决方案,其可在现有GSM网络中获得相较于传统GPRS(通用分组无线服务)网络20dB的覆盖增益,并把终端设备中电池的寿命提升至十年,同时降低终端设备成本。EC-GSM的性能目标包括更佳的室内覆盖质量、支撑近乎“海”量低吞吐终端设备的无线接入、降低终端设备的实现复杂度、提高能效并降低延迟。这些目标完全满足3GPP20158TSG GERAN67次会议报告中所列相关需求。3GPP GERAN工作组的EC-GSM技术标准化项目有望在20163月实现冻结。

 

3NB-LTE。别名“Clean Slate CIoT(全新的蜂窝物联网技术)”,相关标准化工作始于20158月,是在3GPP RAN工作组LTE Release 13版本规范的框架下进行的。其中包括能满足3GPP20158TSG GERAN67次会议报告中所列相关需求的六大全新技术的唯一一种——NB-CIoT(窄带蜂窝物联网)技术。NB-LTE的技术标准化项目有望在20163月实现冻结,并将被纳入到3GPP LTE Release 13版本规范之中。NB-LTE可跨越既有LTE移动通信网络进行快速、便捷部署。

 

3GPP LTE Release 12版本规范对于M2M(机器到机器通信)作出了重要演进,比如更低的终端设备成本、更长的终端电池使用寿命等。而目前正处于制定阶段的3GPP LTE Release 13版本规范则有望作出更进一步的M2M改进,包括增强的网络覆盖质量、终端设备成本进一步降低、终端电池使用寿命进一步延长等。虽然窄带蜂窝物联网技术解决方案也旨在降低终端设备成本与功耗并提供更佳的网络覆盖质量,但是无线数据传输速率却降低了,比如全新的窄带蜂窝物联网技术有望在延伸的网络覆盖范围内仅达到160 bit/s的无线数据传输速率。

 

以下是对3GPP正在研发的三大类蜂窝物联网技术解决方案的参数比较:

 

1LTE后续演进型

 

其所主要指的是将纳入3GPP LTE Release 13版本规范(目前处于制定阶段)的LTE-M

 

①所能达到的室外覆盖距离:小于11公里;

 

MCLMinimum Coupling Loss,最小耦合损耗):156 dB

 

③所采取的无线频谱资源:授权型7~900 MHz频段;

 

④带宽大小:1.4 MHz或共享;

 

⑤无线数据传输速率:低于1 Mbit/s

 

⑥终端设备电池寿命:大于10年;

 

⑦标准完成时间节点规划:2016年。

 

2)窄带解决方案之NB-LTE

 

其所主要指的是将纳入3GPP LTE Release 13版本规的NB-LTE

 

①所能达到的室外覆盖距离:小于15公里;

 

MCL164 dB

 

③所采取的无线频谱资源:授权型7~900 MHz频段;

 

④带宽大小:20 kHz或共享;

 

⑤无线数据传输速率:低于150 kbit/s

 

⑥终端设备电池寿命:大于10年;

 

⑦标准完成时间节点规划:2016年。

 

3)窄带解决方案之EC-GSM

 

其所主要指的是将纳入3GPP LTE Release 13版本规的NB-LTE

 

①所能达到的室外覆盖距离:小于15公里;

 

MCL164 dB

 

③所采取的无线频谱资源:授权型8~900 MHz频段;

 

④带宽大小:2.4 MHz或共享;

 

⑤无线数据传输速率:10 kbit/s

 

⑥终端设备电池寿命:大于10年;

 

⑦标准完成时间节点规划:2016年。

 

4)下一代蜂窝物联网

 

其主要面向未来的5G(第五代移动通信)网络。

 

①所能达到的室外覆盖距离:小于15公里;

 

MCL164 dB

 

③所采取的无线频谱资源:授权型7~900 MHz频段;

 

④带宽大小:共享;

 

⑤无线数据传输速率:低于1 Mbit/s

 

⑥终端设备电池寿命:大于10年;

 

⑦标准完成时间节点规划:2025年。

 

 

参考文献

 

[1]4G Americas. Cellular Technologies Enabling the Internet of Things [EB/OL].

http://www.4gamericas.org/files/6014/4683/4670/4G_Americas_Cellular_Technologies_Enabling_the_IoT_White_Paper_-_November_2015.pdf, 2015-11-30.

 

[2]Shane Rooney. Industry Collaboration Driving Standards in the IoT [EB/OL].

http://www.3gpp.org/news-events/partners-news/1758-gsma_iot, 2015-12-16.

 

[3]GSMA. GSMA WELCOMES MOBILE INDUSTRY AGREEMENT ON TECHNOLOGY STANDARDS FOR GLOBAL LOW POWER WIDE AREA MARKET [EB/OL].

http://www.gsma.com/newsroom/press-release/gsma-welcomes-mobile-industry-agreement-on-technology-standards/, 2015-12-17.

 


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