你未知的物聯(lián)網(wǎng)專用通信技術(shù)，三種授權(quán)頻段下的低功耗廣域網(wǎng)

　　眾所周知，藍(lán)牙和ZigBee等通信協(xié)議憑借低功耗的特性已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于近距離的物聯(lián)網(wǎng)通信，但在覆蓋范圍更大的場景，如智慧城市和車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，這些近距離通信技術(shù)顯然無法滿足需求。

　　目前，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游都在大力推廣低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN），如NB-IoT、LoRa、SigFox以及RPMA等，種類甚至比近距離通信技術(shù)還要多。不過，在這些LPWAN技術(shù)中，工作在3GPP（Third GeneraTIonPartnership Project）授權(quán)頻譜的只有3 種，分別是eMTC，NB-IoT和EC-GSM-IoT。

　　這些授權(quán)頻段下的低功耗廣域網(wǎng)最大的優(yōu)勢是可以通過已有的站址進(jìn)行大規(guī)模覆蓋，那它們各自又有什么特點(diǎn)呢？

　　eMTC

　　覆蓋：比GPRS提升15dB

　　結(jié)點(diǎn)數(shù)：單載波10萬個

　　功耗壽命：5Wh電量下，至少10年

　　速率：上下行峰值 1Mbps

　　頻段：LTE

　　帶寬：1.08MHz

　　eMTC的全稱是LTE enhancements for Machine Type CommunicaTIons。為了適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下海量的低成本低帶寬的終端接入，3GPP的專家組一方面保留了原有LTE協(xié)議對硬件環(huán)境的兼容性，另一方面針對物聯(lián)網(wǎng)的特殊應(yīng)用場景刪掉了高速傳輸?shù)炔槐匾母郊幽芰?，最終在LTE的基礎(chǔ)上裁剪、優(yōu)化得到了eMTC。

　　“eMTC”這一提法在3GPP發(fā)布的Release 13中被正式確定，在此前的版本中曾被稱為Low-Cost MTC和LTE-M（即LTE-Machine-to-Machine）。未來eMTC還會根據(jù)技術(shù)和應(yīng)用場景的發(fā)展隨著LTE協(xié)議族共同演進(jìn)。

　　在Release 13中定義的eMTC支持1.08MHz的射頻和基帶帶寬，比GPRS的覆蓋范圍提升了15dB，每個載波最多可以支持10萬個設(shè)備連接，并且可以直接接入現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)，同時兼容FDD和TDD兩種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。更重要的是，由于兼容LTE，因此eMTC可以支持VoLTE（Voice Over LTE）語音技術(shù)，未來或許將被應(yīng)用到各種智能硬件之中。

　　此外，eMTC還支持上下行最大1Mbps的峰值速率，遠(yuǎn)超GPRS、NB-IoT以及LoRa等其他技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。而且，為了適用于物聯(lián)網(wǎng)場景，兼容eMTC協(xié)議的終端模塊還被要求能夠在5Wh的電量下待機(jī)超過10年，并且目標(biāo)成本要求控制在1~2美金之間，在功耗和成本上針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用做了充分的考量。

　　今年1月，韓國KT電信集團(tuán)已經(jīng)聯(lián)手諾基亞完成了eMTC標(biāo)準(zhǔn)的首次試運(yùn)行。

　　NB-IoT

　　覆蓋：比GPRS提升20dB

　　結(jié)點(diǎn)數(shù)：單載波20萬個

　　功耗壽命：5Wh電量下，10年

　　速率：下行峰值250Kbps；上行單通道峰值20Kbps，多通道250Kbps

　　頻段：LTE，LTE邊緣，獨(dú)立頻段（例如GSM）

　　帶寬：180KHz

　　NB-IoT的全稱是Narrow Band Internet of Things。相對于eMTC而言，其主要特點(diǎn)是根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了更深入的優(yōu)化，在保證通信的同時進(jìn)一步降低了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。

　　NB-IoT針對物聯(lián)網(wǎng)的深度優(yōu)化主要體現(xiàn)在兩個方面：一個是增加了覆蓋率，一個是提升了系統(tǒng)容量。根據(jù)3GPP的介紹，NB-IoT通過降低編碼率大幅提高了系統(tǒng)的解調(diào)效率，而且降低了單一設(shè)備的信號發(fā)射功率（協(xié)議規(guī)定最大為200mW，5Wh的電量下要求至少待機(jī)10年），降低了上傳和下載的最高速率水平（上傳和下載速率最高只能達(dá)到250Kbps），整體上比GPRS的覆蓋范圍增加了20dB，每個載波最多可以支持20萬個網(wǎng)絡(luò)連接。除此之外，根據(jù)容量需求，NB-IoT還可以通過增加更多載波的方式來擴(kuò)大系統(tǒng)承載規(guī)模，具備利用單一基站一次性支持?jǐn)?shù)百萬個物聯(lián)網(wǎng)連接的能力。

　　部署方式上，NB-IoT并不像eMTC那樣單純基于LTE，而是同時支持三種不同的部署方式。第一種是Standalone，這種方式使用一段獨(dú)立的頻帶，優(yōu)點(diǎn)是不會形成干擾，簡單直接。第二種是Guard Band，利用LTE頻帶邊緣的保護(hù)頻段，優(yōu)點(diǎn)是不需要獨(dú)立頻帶，缺點(diǎn)是信號強(qiáng)度較弱，而且容易與LTE系統(tǒng)發(fā)生干擾。第三種是In Band，即直接使用一段LTE頻帶的空閑波段，完全兼容于LTE。

　　之所以NB-IoT擁有如此復(fù)雜的部署方式，源于其本身復(fù)雜的出身。NB-IoT的技術(shù)來源主要包括兩個部分：一個是由諾基亞、愛立信和英特爾等公司提出的NB-LTE（Narrowband-LTE）技術(shù)，另一個是華為和沃達(dá)豐（Vodafone）提出的NB-CIoT（Narrowband Cellular IoT）技術(shù)。前者是基于LTE技術(shù)的簡化，可以與現(xiàn)行的LTE標(biāo)準(zhǔn)兼容；而后者幾乎是一個重新的設(shè)計(jì)，完全基于物聯(lián)網(wǎng)專門定制。在2015年9月的討論會議上，NB-CIoT和NB-LTE兩種技術(shù)達(dá)成了統(tǒng)一，即今天的NB-IoT。

　　在國內(nèi)，華為是NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)的主要推動者。2015年底，華為聯(lián)合主流運(yùn)營商、設(shè)備廠商、芯片廠商和相關(guān)國際組織在內(nèi)的21家產(chǎn)業(yè)巨頭，在香港成立了GSMA NB-IoT Forum產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，其中有六家運(yùn)營商成員還宣布，將聯(lián)合華為在全球成立六個NB-IoT開放實(shí)驗(yàn)室，聚焦NB-IoT領(lǐng)域的研發(fā)和驗(yàn)證。目前中國聯(lián)通已經(jīng)在上海建成了全球首個NB-IoT的技術(shù)示范點(diǎn)。

　　EC-GSM-IoT

　　覆蓋：相比普通GPRS，在33dBm功率水平下，提升20dB

　　結(jié)點(diǎn)數(shù)：單基站5萬個結(jié)點(diǎn)

　　功耗壽命：5Wh電量下，至少10年

　　速率：GMSK調(diào)制下達(dá)到70-350Kbps的上下行峰值；8PSK調(diào)制方式下達(dá)到240Kbps上下行峰值

　　頻段：GSM

　　帶寬：單通道200KHz，典型系統(tǒng)總帶寬2.4MHz

　　最后一個是EC-GSM-IoT，全稱為Extended Coverage-GSM-IoT。從名字就可以看出，EC-GSM-IoT和GSM網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)有這緊密的聯(lián)系，它是GSM的延伸技術(shù)，它可以直接利用GSM的基站來進(jìn)行通信。

　　按照3GPP的說明，EC-GSM-IoT在GMSK的調(diào)制方式下可以達(dá)到70-350kbps的上下行速率，8PSK調(diào)制下的速率則可以達(dá)到240kbps。3GPP同樣要求符合EC-GSM-IoT標(biāo)準(zhǔn)的終端模塊能夠在5Wh的電量下至少待機(jī)10年。EC-GSM-IoT的單基站容量最多可以達(dá)到5萬個結(jié)點(diǎn)，相比普通GPRS，在33dBm功率水平下的覆蓋范圍提升了20dB，這一點(diǎn)與NB-IoT相當(dāng)。

　　此外，為了更適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，相對于原有的GSM技術(shù)，3GPP的專家組還增強(qiáng)了EC-GSM-IoT標(biāo)準(zhǔn)的身份認(rèn)證、完整性校驗(yàn)、密保強(qiáng)度和設(shè)備識別能力等一系列的安全特性。

　　EC-GSM-IoT理論上完全兼容于現(xiàn)有的GSM，現(xiàn)有的GSM基站只需要進(jìn)行簡單的軟件升級就可以適用于符合EC-GSM-IoT標(biāo)準(zhǔn)的智能設(shè)備，因此部署起來相對容易。

　　2016年2月，愛立信聯(lián)合法國Orange電信和英特爾共同建成了全球首個EC-GSM-IoT技術(shù)示范點(diǎn)。在隨后的MWC 2016上，愛立信還專門展示了自家的EC-GSM-IoT技術(shù)范例。

　　總結(jié)

　　這三種低功耗廣域網(wǎng)都各有優(yōu)缺點(diǎn)：基于LTE的eMTC，上下行速率可以達(dá)到1Mbps，速度最快；而NB-IoT，上下行速率可以達(dá)到250Kbps，適用于分布廣泛、類別龐雜、通信需求不高的各種底層智能設(shè)備；基于GSM的EC-GSM-IoT，上下行速率與NB-IoT相當(dāng)，最便于部署和推廣。但與此同時，市場上的一些非授權(quán)頻段的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也在逐漸崛起，如LoRa、SigFox以及RPMA等，不少企業(yè)各自為政，因此物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域廣域網(wǎng)的搭建或許很難在短期內(nèi)形成一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。