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1、NB-IoT 终端标准化进展与测试验证1、引言自“智慧地球”提出以来，物联网的概念迅速在全球范围内被认可，成为新一轮科技革命与产业变革的核心驱动力之一。物联网不仅仅是简单的海量物体接入，更是办公，交通，医疗，娱乐等多种垂直行业价值链等资源要素的高度融和。据Gartner 的 2016 年报告预测，到 2020 年全球联网设备数量将达到 260 亿台，其中物联网接入设备达到 160 亿台，其市场规模将达到 1.9 万亿美元。而其中低流量，低功耗，低成本的物联网设备将占据物联网设备总量的 90%左右。2015 年，全球通信产业对于低功耗广域覆盖（LPWA：Low Power Wide Area）的
2、物联网场景达成共识，3GPP 也正式启动 NB-IoT 的相关研究工作。2、3GPP 物联网标准化概述在 NB-IoT 提出之前，业界已经启动了机器类通信的研究。而在物联网领域，低功耗，广覆盖，低成本，低速率的 LPWAN 技术将涵盖大部分物联网业务模型。因此面向 LPWAN 场景下的物联网接入技术成为蜂窝及非蜂窝物联通信重点关注领域。在国际标准方面，3GPP 一直努力推动相关机器类通信（ MTC）技术的发展，且主要集中在两个方向上，如图 1 所示。图 1、 3GPP Rel-13 中 IoT 相关项目关系简图一方面，在 LTE 及 LTE-A 演进阶段，3GPP 定义了许多不同的终端类型，从
3、而适应不同场景不同业务下的物联网终端需求。在 Rel-8 版本中，从速率的角度定义了Category15 的终端类型。在之后的版本演进中，不仅制定了支持高带宽，高速率的 Category6，Category9 等终端类型，同时也定义了更低成本，支持更低功耗的 Category0 终端类型。但考虑到 Category0 技术需要对现有网络进行改造，升级成本与终端收益并不高，因此其被普遍商用的可能性不高，更多被认为是一种过渡。因此 3GPP 于 2014 年成立 Cat.M 工作组。目前 Cat.M 核心标准已经冻结。另一方面 3GPP 基于窄带传输的思路，讨论其演进和全新接入技术的研究。长期以来
4、，运营商的物联网业务主要依靠成本低廉的 GPRS 模块提供物联网设备间通信需求。但近几年由于 LoRa，Sigfox 等基于非蜂窝的新型物联网技术的出现，对于GPRS 模块在成本，功耗和覆盖等方面有较大冲击。因此 3GPP 在 GERAN #62 会议上成立新的 SI，希望可以支持更低成本，更低功耗，更强覆盖等特性。而 NB-IoT 正是基于第二种思路提出的一种新的传输方案。在时延不敏感，移动性需求不高的 LPWAN 场景下，NB-IoT 技术在续航、覆盖方面的技术优势，无疑更得到各方关注。3、NB-IoT 标准化情况3.1 国际标准化情况2014 年， 3GPP 在 GERAN 组“FS-I
5、oT_LC”的 SI 项目中在初始阶段主要由 3 项技术被提出。分别是扩展覆盖 GSM 技术 EC-GSM，由华为，高通主导的 NB-CIoT，以及由爱立信，中兴主导的 NB-LTE。CIoT 作为 GERAN#62 次会议立项的 SI 课题，主要针对蜂窝网络对面向物联网终端的技术演进。该立项课题得到华为、诺基亚、沃达丰、中国移动、Orange 和Telecom Italy 等公司支持。其主要研究目标有： 增强覆盖（相比传统 GPRS 覆盖增强 20dB，MCL 目标要求 164dBm） 支持大量低速率终端设备接入 低成本设备 低功耗（电池寿命达 10 年） 支持上下行传输 尽量小的网络改动该
6、 SI 工作中，启动窄带蜂窝物联网研究，并最终形成了基于 GSM 的技术演进和全新的技术方案研究报告 TR45.820。主要提及 3 项技术，分别为：扩展覆盖GSM 技术 EC-GSM，由华为，高通主导的 NB-CIoT，以及由爱立信，中兴主导的NB-LTE。NB-CIoT 提出了全新的空口技术，相对于现有 LTE 网络上改动较大。网络升级的代价带来 NB-CIoT 性能上的提高，可以全部满足 TSG GERAN 会议所提出的 5 项性能目标（提升室内覆盖，支持大规模设备连接，减小设备复杂度，减小功耗和时延）。而另一方面 NB-LTE 技术与 NB-CIoT 定位相似但更倾向于对兼容现有 LT
7、E 网络，在部署上更简单。因此，在 RAN#69 次会议上，经过激烈讨论，各方最终达成一致，将 NB-CIoT 和 NB-LTE 两个技术方案进行融和形成 NB-IoT，作为 RAN 工作组基于 LTE 的蜂窝物联网技术演进方案，正式进行立项。对NB-IoT 的能力提出具体的指标要求： 深度覆盖，NB-IoT 比现有 GPRS 网络提升 20dB； 支持单用户上下行至少 160bps，覆盖面积扩大 100 倍； 具备支撑海量连接能力，一个 NB-IoT 扇区可支持 5 万个连接； 更低功耗，5Wh 的电池可供终端使用 10 年； 时延上更灵活，对某些应用，上行的时延可放宽到 10s。考虑到未来
8、 GSM 退网，以及频谱资源等因素，EC-GSM 方案作为 Rel-13 的GSM 技术演进方案，EC-GSM 技术仅会在某些特殊场景，如无法建设 NB-IoT 等场景中采用。图 2、 NB-IoT 技术演进路线NB-IoT 的标准提主要可分为 Core Part（核心部分），性能标准及一致性测试标准等。其中核心部分标准规定的是协议的具体内容，包括信令协议，网络接入等，主要与开发相关。性能标准规定了各子技术领域的性能，同测试相关。一致性测试标准，是射频、协议、RRM 的测试标准。目前 NB-IoT 的 Rel-13 版本核心标准已经冻结。一致性测试标准是有 3GPP RAN5 工作组制定，RA
9、N5 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，将相关测试例优先级分为两个阶段，即 Phase1 和 Phase2。目前 Phase 1 仅遗留少部分工作尚未完成，Phase 2 也的工作也在持续推进。具体参照表 1。表 1、 RAN5 工作组进度图在 2016 年 6 月 RAN#72 次会议上，由 Vodafone, Huawei, HI Silicon, Ericsson和 Qualcomm 联合提出了新的 WI，即 Enhancements of NB-IoT（Rel-14 版本）。Rel-14 版本的 NB-IoT 是对 Rel-13
10、版本的增强，同时保持现有 NB-IoT 的低成本、低复杂度、容量和覆盖能力。Rel-14 版本的 NB-IoT 的增强功能包括： 定位：改进 Rel-13 版本不支持定位的缺点 移动性增强：改进 Rel-13 版本的弱移动性缺点 组播：用于 UE（嵌入式芯片 ROM）软件升级、消息群发等 新功率等级：MCL 能适当放宽前提下，使用更低功率级别（14dBm）3.2 国内标准化情况国内物联网市场潜力巨大，但当前行业标准缺乏统一，造成了物联网市场严重的碎片化，需要尽快展开物联网技术研究和标准化工作。一方面满足物联网市场发展要求，协助运营商转型。另一方面，也能进一步推动物联网产业加快发展。目前国内主要
11、有中国通信标准化协会（CCSA）和电信终端产业协会（TAF）在进行 NB-IoT及物联网行业相关的标准化工作。其中中国通信标准化协会依托 3GPP 的现有框架，对面向物联网的蜂窝窄带接入的技术方法，测试方法等开展工作。电信终端产业协会则以行业为依托，以通信与垂直行业融和为基础，完善相关标准体系及内容。3.2.1 国内行业进展电信终端产业协会，于 2017 年开始蜂窝窄带物联网的相关技术研究和标准化工作。考虑到产业链中物联网模块企业众多，物联网模块形态各异，各厂家采用指令集亦不相同等情况，TAF 在国内首个完成物联网模块协会标准。目前 TAF 协会具体工作进展如下：表 2、 TAF 蜂窝窄带接入
12、标准进展情况在 TAF 蜂窝窄带物联网模组的相关标准规范中，全面参考和综合来自各芯片、模组、终端、行业应用提供商及运营商意见，对 NB-IoT 模组进行相关定义，完成了NB-IoT 模组标准的第一阶段。随着技术的发展，后面会更有针对性的制定第二阶段的标准。面向窄带物联网（NB-IoT）模组系列规范主要涉及如下相关内容：- 外形尺寸与封装- 工作频段- 工作环境（温度及电压）- 接口- 发射功率- 功耗- 管脚功能- AT 命令等方面进行3.2.2 CCSA 标准化进展在行业标准方面，CCSA 于 2016 年开始相关工作。目前完成报批稿 7 项，送审稿2 项，具体如下。表 3、CCSA 蜂窝窄
13、带接入标准进展情况在 CCSA 蜂窝窄带接入的相关标准中，终端测试方法的标准架构基本沿用原 LTE移动终端标准的架构。在传统 RF、协议、RRM 保持和 3GPP 一致，在业务功能方面做了简化，而在互联互通方面，基于 NB-IoT 终端工作特点，进行了全新的考虑。4、NB-IoT 终端测试验证及后续发展4.1 GCF 终端测试验证现状GCF 已启动 NB-IoT 的验证和认证工作。 NB-IoT 射频（RF ）、无线资源管理（RRM）和协议工作组分别为 WI-259、WI-258 和 WI-257。与 3GPP 类似，GCF 也将相关测试例验证工作分为优先级 1 和优先级 2 两阶段。其中射频
14、相关测试例需验证 30 条，P1 有 10 条，P2 有 20 条。无线资源管理测试例有 12 条，P1阶段有 6 条，P2 阶段有 6 条。协议测试例要求验证 73 条，P1 需要验证 17 条，P2 需要验证 56 条。目前仪表平台验证工作正在稳步进行中，大部分工作集中在协议和射频测试例验证。无线资源管理部分尚未有厂商提交测试例验证。截止到2017 年 4 月初，根据 GCF 官方验证统计，各仪表厂商验证情况如下：表 4、 GCF 各平台测试验证进展4.2 NB-IoT 行业测试验证发展趋势NB-IoT 作为 LPWAN 的一种重要技术，具备明显的技术和应用优势。目前全球运营商已经意识到物
15、联网市场的巨大潜力，并且开始积极开展业务演示和测试。目前国内 NB-IoT 产业主要集中在如抄表，停车，资产追踪，交通和农业等垂直行业方面。对于传统的通信功能（射频，协议部分），芯片企业、终端企业可以依照现有LTE 的标准和测试架构进行研发和测试，属于比较完善的方案架构体系。而在垂直行业方面，不同行业对于功耗、业务、工作环境等方面的要求不尽相同，目前面向垂直行业的测试验证体系及方案尚不够完善。TAF 协会针对产业界关注的问题“功耗”和“互联互通”，做了针对性的立项进行研究，对测试维度及测试方法进行调研与研究。利用 TAF 及其成员的生态圈，面向垂直行业进行调研，收集行业的业务逻辑及应用场景；在
16、 TAF 工作组会议上发挥运营商、芯片模组终端的产业链各方力量，从“管”和“端”两个层面充分研究“云”所需的应用场景与业务逻辑；进而将传统通信领域的功耗测试和兼容性测试向“云”、“管”、“端”协作演进，打造通信与垂直行业融合的测试方案体系。在测试解决方案方面，不同垂直行业对无线接入环境以及物理工作环境要求不一，业务逻辑和业务特征呈现明显发散态势。单一的通信测试验证解决方案对垂直行业的参考意义有所下降。同时，物联网技术带来垂直行业和通信业的新融和，进而催生出垂直行业对于基于业务的物联网通信终端/模组测试的新需求。面向不同垂直行业，打造通用型的测试验证平台，成为后续检测验证的可能发展方向之一。5、结论本文首先从物联网标准体系入手，介绍了 NB-IoT 在国际标准化组织中的来历和现状。进而，结合国内行业特点，对国内标准化组织在 NB-IoT 方面的标准工作情况进行了介绍。其次对于目前 NB-IoT 的终端测试验证进展和相关认证组织的工作情况进行了简单梳理。
