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窄带物联网标准化概述和性能测试

发布时间:2020年11月09日 来源:中国自动识别网 作者:郑飞 吴斯栋

物联网世界发展迅速,其组件规模已经从2006年的20亿发展到了2020年预计300亿数量。目前,物联网技术和应用在实现产品追踪、固定资产管理、提高生产管理效率、节约成本甚至保障人员安全等方面都做出了重大的贡献,已经被视为国家经济增长的稳定动力之一。
传统的物联网设备通常采用工作在非授权频段的短程无线电技术,比如Wifi、Zigbee和蓝牙技术,这些设备往往受到局域、短程通信的限制。针对这种限制,适用于广域、远程通信的低功率广域网(LPWAN)应运而生,它具备低功耗、低速率、低成本、广覆盖等特征。LPWAN有两个技术分支,一个分支采用非授权频段,如SigFox和LoRa;另一个分支采用授权频段,如蜂窝物联网技术。3GPP工作组针对蜂窝物联网提出了两项基于LTE的物联网通信技术,分别为eMTC(enhanced Machine Type Communications)和NB-IoT。基于蜂窝窄带物联网NB-IoT作为LPWAN的一项典型技术,与传统物联网传输技术相比,改变了通过中继网关收集信息再反馈给基站的复杂网络部署,解决了多网络组网、高成本、大容量电池等诸多问题,构建于蜂窝网络上,只消耗180kHz的带宽,可直接部署于2G、3G及4G网络。
NB-IoT技术的推广实施涉及到芯片、模组、终端、电信运营商、应用等全产业链的协作。在现阶段,芯片、模组等环节对NB-IoT产业化进程起着更加重要的作用。目前,全球已有101家运营商部署了NB-IoT,行业已发布50款NB-IoT模组,其应用方向主要分为消费性物联网(智能穿戴设备)、工业物联网、生产和消费混合性物联网(车联网与智能家居)、物联网综合集成应用平台(智慧城市)等。我国三大电信运营商均在加速推进物联网建设和发展,中国电信于2018年末成立了中国电信天翼物联技术有限公司,中国移动成立了移远通信股份有限公司,都旨在优先部署NB-IoT、扩大网络规模、抢占市场先机。
NB-IoT在现阶段的发展同样面临几大问题:首先,虽然鼓励物联网行业发展的相关政策不断推出,但目前NB-IoT还没有进入大规模商用阶段,普及程度仍较低;NB-IoT行业上下游还未进入大规模量产阶段,芯片、模组的成本相对较高,有待大规模量产并进一步降低价格;对于NB-IoT顶层设计来说,更为重要的是NB-IoT领域的技术标准有待进一步完善,相关芯片、模组、终端产品的测试标准有待完善和推出,以便对产品和相关系统的稳定性、安全性进行测评。
 
NB-IoT标准化现状
国际标准化现状
NB-IoT标准主要包含核心标准、一致性测试标准和性能标准。核心标准规范了信令协议、网络接入等协议内容,一致性测试标准是射频、协议、RRM的测试标准,性能标准则规定了具体垂直应用领域的性能和测试规范。
NB-IoT核心标准的标准化进程经历了业界多方漫长的合作和探讨。2013年,华为首先联合业内厂商发起了名为LTE-M(LTE for Machine to Machine)的窄带物联网研究。LTE-M提供了两种技术方案:分别为基于GSM演化的eMTC技术和基于FDMA、GMSK调制的全新NB-M2M技术。2014年,由华为、中国移动、沃达丰、诺基亚等主导的SI课题“Cellular System Support for UltraLow Complexity and Low Throughput Internet of Things”在3GPP GERAN组正式立项,SI课题将LTE-M正式命名为Cellular IoT,即CIoT。2015年,高通联合华为又进一步推出一种上行链路采用FDMA多址、下行链路采用OFDM多址的融合技术方案,即为NB-CIoT(Narrow Band Cellular IoT)。NB-CIoT可以支持海量低速率终端接入、增强覆盖、降低终端成本和复杂度、实现低功耗(电池寿命达10年)和低时延、支持上下行传输,但NB-CIoT作为一种全新技术,与传统的LTE技术架构仍然需要考虑网络兼容问题。2015年8月,爱立信、中兴主导在GERAN SI阶段末次会议中提出了NB-LTE(Narrow Band LTE)技术。NB-LTE与NB-CIoT相似,但更倾向与传统LTE 兼容,更易于实现部署。NB-LTE采用了LTE实体层和绝大部分LTE上层网络,减少了设备的升级更新,并沿用LTE原有网络架构,能够实现快速部署。2015年9月,业界各方在3GPP RAN全会最终达成一致,将NB-LTE和NB-CIoT两种方案整合成为最终形式的NB-IoT方案,并将其确立为窄带蜂窝物联网的唯一标准。2016年6月,NB-IoT核心标准正式在3GPP R13冻结。NB-IoT采用180kHz窄带系统和3.75kHz子载波间隔,能够实现比现有GPRS网络提升20dB的深度覆盖、每个扇区具备支持5万个以上的海量连接能力、实现更灵活时延。
NB-IoT一致性测试标准由3GPP RAN5工作组制定,NB-IoT性能标准由3Gpp RAN4工作组制定。RAN5的终端一致性测试子工作组(NB_IoT-UEConTest)根据运营商和终端厂商沟通情况,将相关测试优先级分为两个阶段。随着3GPP持续推进NB-IoT一致性标准和性能标准,GCF(Global Certification Forum)作为运营商和终端制造商共同成立的组织,目前正积极地参与NB-IoT仪表、终端的互操作,一致性测试标准化推进工作,并分别针对NB-IoT射频、协议、RRM等成立了WI-259、WI-257、WI-258工作组。
国内标准化现状
据中国信息通信研究院2018年调研数据显示,未来几年我国物联网行业年均增速可达30%左右,NB-IoT相关的物联网平台、传感器、芯片等产业链上下游将充分受益。但NB-IoT作为通信行业新兴应用,在国内也同时面临着打造规范化的行业标准、营造健康产业生态的严峻挑战。目前,中国电信终端产业协会(TAF)及中国通信标准化协会(CCSA)正全力主导推动我国的NB-IoT行业标准化工作。
CCSA的TC5WG9从2016年开始专门负责我国NB-IoT的行业标准制定工作,其工作方向主要集中在3GPP的基础上,对面向物联网行业的NB-IoT接入技术和测试方法开展研究。目前,CCSA在工信部研究院和三大运营商的主导下,主要完成了如下行业标准的制定工作:《面向物联网的蜂窝窄带接入(NB-IoT)无线网总体技术要求》《面向物联网的蜂窝窄带接入(NB-IoT)核心网总体技术要求》《面向物联网的蜂窝窄带接入(NB-IoT)核心网设备技术要求》《面向物联网的蜂窝窄带接入(NB-IoT)终端设备技术要求》《面向物联网的蜂窝窄带接入(NB-IoT)安全技术要求》《面向物联网的蜂窝窄带接入(NB-IoT)基站设备技术要求》《面向物联网的蜂窝窄带接入(NB-IoT)核心网设备测试方法》《面向物联网的蜂窝窄带接入(NB-IoT)基站设备测试方法》《面向物联网的蜂窝窄带接入(NB-IoT)终端设备测试方法》。
TAF专注于融合NB-IoT与具体的垂直行业应用,完善相关标准体系及内容。TAF针对物联网产业界在模组形态开发、指令集应用五花八门的现状,首先推出了物联网模块协会标准,主要包括:《面向窄带物联网(NB-IoT)的终端模组总体规范》《面向窄带物联网(NB-IoT)的终端模组规范 BAND3和BAND5和BAND8》《NB-IoT设备互联互通测试方法》《NB-IoT终端及模组功耗测试》。
纵观国内外NB-IoT标准化进展,在NB-IoT核心标准已经成熟冻结的前提下,运营商、制造商、行业组织均及时响应3GPP的基础架构,持续推动一致性和性能标准的完善。对于协议、射频、RRM等一致性测试标准研究,企业和行业基本可以采用依据3GPP提供的传统LTE通信的测试架构开展研究。然而,对于NB-IoT性能测试方法及标准的研究工作,在把握总体的性能测试思路的基础上,往往需要结合具体垂直行业细分应用展开研究,例如智能城市、智慧医疗、智慧家居等不同应用领域对于关键评定性能的优先级需求都不尽相同。
 
NB-IoT性能测试
性能目标
评价NB-IoT的基础性能指标通常包括覆盖范围、最小传输速率、服务时延、设备功耗(电池寿命)、系统容量、设备复杂度等。此外,考虑NB-IoT可以采用3种不同的频率部署方式,其中Standalone独立部署模式利用GERAN系统占用的资源替代当前一个或多个GSM载波,Guard-Band保护带部署模式目前LTE载波保护带上没有使用的资源块,带内部署In-Band利用LTE载波内的资源块,因此部署灵活性也是NB-IoT性能评价需要考量的指标。
NB-IoT性能评估严格意义上应该基于3GPP R13规定的相较GSM/GPRS有20dB覆盖增强(即最大耦合损失164dB)的基础展开工作,在此基础上,进一步探索NB-IoT处于最优性能时的耦合损失、在其他不同耦合损失水平下的性能表现。NB-IoT的实际性能与设备、基站的实际实施方案紧密相关。目前,基于3GPP R13冻结协议的NB-IoT性能评估规范和标准并没有完全公开。
虽然3GPP 45.820技术报告(Cellular System Support for Ultralow Complexity and Low Throughput Internet of Things)和3GPP发布的相关文献中提供了大量的测试案例和结果,但其中大部分并非完全根据3GPP R13协议而展开测试研究的。
目前NB-IoT性能测试现状具体可以概括为:国际标准、行业标准在持续推进,但同时行业内的企业、科研院校等也开展大量的结合具体垂直应用的测试方法研究和测试案例分享。例如,荷兰Holst Center针对NB-IoT和eMTC在智慧城市中的应用,采用无线NS-3仿真测试模型开展了NB-IoT功耗、时延和可扩展性等性能评估研究;爱沙尼亚的Thomas Johann Seebeck Department of Electronics针对NB-IoT在健康医疗领域的应用,提出了融合单传感节点和多传感节点汇聚两种不同基站通信方式的系统架构模型、通信模型,并采用蒙特卡罗仿真实现对有效吞吐量、蜂窝容量、时延等性能的评估。
性能评估方法
为了便于NB-IoT系统部署之前或过程中能够精确评估系统性能参数,必须发展可靠、有效的专用工具。目前,行业内并没有发展专门面向NB-IoT的测试工具,测试评估工作往往借鉴传统测试领域中比较高效的评估方法,具体包含模拟工具法(如Matlab、NS-3、OMNet++)、仿真工具法、试验台法、试验区法等,每种评估方法都可以应用于具体场合。
参考传统电信系统的性能评估方案,NB-IoT的性能评估可以采用分析模型或网络评估系统两种不同的方案。分析模型主要是对系统进行数学建模(如采用Markov链),使得研究者可以简便地通过改变数学模型的不同参数以评估系统整体或局部的变化,这种方案尤其适用于基于简单网络协议的系统,但不适用于处理实际物理世界中的复杂部署问题。
网络评估系统方案则可以模拟实际的系统行为,并提供可观测的结果,该方案通常采用模拟工具、试验台或仿真工具等具体实现技术。采用模拟工具可以实现对高复杂度的应用场景进行建模,并观测应用系统随时间的演化情况,它是计算机对实际应用系统的复制化。试验台则一般用于对给定设备进行严格、透明测试,在NB-IoT应用中,试验台可以用于对投入量产前的系统关键部件进行测试。仿真工具主要是通过采用虚拟系统的方式评估实际的系统性能,具备可重复、可配置、易隔离和便于管理等特点,避免使用过度复杂的物理架构。网络评估系统方案的每种实现技术都有其优缺点,而且相互之间并不互斥,在特定的应用场合都能实现最佳效果。
(作者单位:广州市标准化研究院)
《中国自动识别技术》2020年第5期总第86期

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