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1、NB-IoT 与 LoRa 技术详解及竞争态势分析“物联网”概念在 1999年美国麻省理工学院首次被提出，狭义的物联网指的是“物物相连的互联网”，这里相连的主体既包括物品到物品，也包括物品到识别管理设备。物联网是继互联网后对人类发展起到促进作用的重大技术创新。中国政府为此提出物联网2020行动计划。物联网技术主要体现在通讯和传感器两个方面。物联网通信技术物联网的无线通信技术很多，主要分为两类：一类是 Zigbee、WiFi 、蓝牙、Z-wave 等短距离通信技术；另一类是 LPWAN（low-power Wide-Area Network，低功耗广域网），即广域网通信技术。LPWA又可分为两类
2、：一类是工作于未授权频谱的 LoRa、SigFox 等技术；另一类是工作于授权频谱下，3GPP 支持的 2/3/4G蜂窝通信技术，比如 EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。NB-IoT的标准及进展-RAN 方面2014年 5月，华为收购了 Nuel公司，开始和沃达丰进行窄带蜂窝物联技术的研究，提出了窄带技术 NB M2M。2015 年 5月，华为、沃达丰联合高通共同制定了相关的上下行技术标准，融合 NB OFDMA形成了 NB-CIoT。NB-CIoT提出了全新的空口技术，相对来说在现有 LTE网络上改动较大，但 NB-CIoT是提出的 6大 Clean Slate技术中，唯一一
3、个满足在 TSG GERAN #67会议中提出的 5大目标（提升室内覆盖性能、支持大规模设备连接、减小设备复杂性、减小功耗和时延）的蜂窝物联网技术，特别是 NB-CIoT的通信模块成本低于 GSM模块和 NB-LTE模块。此时，爱立信和诺基亚联合推出窄带蜂窝技术 NB-LTE，与 NB-CIoT的定位较为相似，但NB-LTE更倾向于与现有 LTE兼容，其主要优势在于容易部署。 2015年 7月，爱立信和华为分别向 3GPP提交标准提案。最终，在 2015年 9月的 RAN #69会议上经过激烈讨论后协商统一，由 3GPP在 Rel-13版本中将两种技术融合形成了 NB-IoT标准。NB-IoT
4、从窄带技术演变为 3GPP的正式标准，相关厂商、运营商积极的推动和市场真实存在的需求是两个不可忽略的因素。3GPP的通信技术标准主要可分为 Core Part（主体功能）、性能标准及 RF一致性测试标准等。其中，主体功能标准指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；性能标准主要是各个子技术领域的性能，跟测试强相关；一致性测试标准，主要包括一些流程及功能的测试标准。NB-IoT的标准及进展-SA/CT 方面从 Rel-12开始， 3GPP逐步在研究 MTC通信增强的核心网架构，至 Rel-13开始重点研究 NB-IoT及 DECOR/eDECOR相关技术。3GPP核心网侧与
5、 NB-IoT相关的主体标准大部分处于 stage2（业务与系统架构），2016下半年至 2017年初启动 stage3（核心网与终端）的相关工作。为了满足海量碎片化、低成本、低速率、低功耗的 NB-IoT物联网应用，核心网方面主要考虑了以下方面的问题。（1）高效地支持非频繁小包传送面向 NB-IoT进一步提高对非频繁小包传送的处理效率。由于 NB-IoT终端的数量可能呈指数型增长，但每个终端的数据量及通信周期都比较低，而以现有的 EPS核心网（基于S1接口）去处理此类业务，其效率将非常低且有过载的风险，因此，需要最小化整个 EPS系统的信令开销，尤其是空口部分（如：RRC 连接的建立和释放）
6、，此外，还需要加强EPS系统安全流程（此部分是由 SA WG出）。目前有两种优化方向，一种是基于控制面的优化方案，即通过 NAS过程来传送小包；另外一种是基于用户面的优化方案，即通过 RRC suspend 态在 UE 和 RAN节点同时缓存用户的上下文，以减少信令的交互。以上两种优化方案在 TS23.401 Rel-14版本中均已加入，方案一作为必选方案，而方案二为可选方案。目前，3GPP 倾向于采用基于控制的优化方案，此部分标准在 CT（核心网与终端）的主体工作目前还在进行当中。（2）使用小包传送高效地支持跟踪装置3GPP没有专门定义此类业务的业务模型，目前还处于研究状态，预计在 Rel-
7、14版本中解决，其业务模型属于 MAR（移动终端周期性上报）业务模型的变种，需要在定位、移动性、传输效率等方面有进一步的增强和优化。（3）高效的寻呼区域管理针对海量静止或限制移动性的终端，由于空口资源稀缺、核心网接口资源有限等原因，3GPP SA2目前还在进行寻呼优化的讨论，预计将在 Rel-14中完善此部分功能。寻呼优化的主要思路是考虑仅在用户上一次接入的 eNB 或小区内进行寻呼而非整个 TA（初步假设，NB-IoT小区的 TA code与现有 eNB小区的 TA code 是不同的），以节省空口及核心网的相关资源。在同样的覆盖区域，NB-IoT 的设备是海量的，远多于传统的蜂窝终端设备。
8、运营商在窄带频谱下运营，有可能并不能提供足够的寻呼所需资源、UE 的标识（S-TMSI，IMSI）。与传统蜂窝相比，由于小数据包的消息量限制，单次寻呼消息中要包含以上标识是极为受限的；另外一方面，覆盖增强是标准中强制要求的，因此，寻呼消息可能要占用更长时间（重复发送相同的寻呼消息的间隔周期更长）。大部分 NB-IoT设备被认为是静止或很少移动的，因此可以对其寻呼范围进行限制，不需要在其所属的整个 TA进行寻呼，这样可以减少对寻呼资源的消耗。但是，当 UE 进入IDLE模式时，eNB 上报给 MME的上一次为 NB-IoT UE服务的小区信息可能是不准确的（甚至静止的用户也存在这种可能）。这是因
9、为在 UE 静止的情况下，用户的主服小区的改变可能由各种原因引起，如射频负载条件改变、邻小区的射频条件改变（类似建筑物的阻挡，导致 UE接入其他基站）。（4）DECOR/eDECOR现网部署时，核心网可能会存在多个 NB-IoT的 DCN（DedicatedCore Network）。根据 TSG RAN侧 TS23.236的输出， NB-IoT DCN可能会同时连接到 E-UTRAN和 NB-IoT的 RAN节点，可以根据用户类型采取两种不同方案为其选择合适的 DCN。一种是重定向方案，参考 TR23.707 DECOR功能；另一种是 UE辅助，参考 TR23.711中的 eDECOR。从目
10、前协议的进展来看，由于重定向流程会导致 UE与 RAN及网络侧之间产生额外的信令交互，所以 DECOR部署的可能性较小，可能会作为过渡方案；而 eDECOR由于对 UE有影响，目前还处于初期研究阶段，将在 Rel-14后期逐步完善，未来随着虚拟化网络的部署，有望被广泛采用。（5）支持 non-IP 数据类型在 M2M应用中，非 I 数据使用是常见的，如 6LowPAN、MQTT-S 等。当此类应用部署在 NB-IoT 网络时，应用服务器 AS或业务能力服务器 SCS与用户间的 non-IP数据需要通过网络进行传送，有两种方案可供选择，一种是通过 non-IP专属的 PDN点对点隧道方式通过 S
11、Gi接口进行传送，另外一种是通过 SCEF进行传递。目前，由于 CSGN与 SCEF之间的 T6a接口还处于初步研究阶段，而通过 SGi接口传送 non-IP数据可以使 C-SGN统一数据出口，便于未来面向 NB-IoT类业务进行计费点选择及计费模式设计，因此，SGi方式可能会被运营商优先采用。（6）支持 SMS部分已有 M2M业务是采用 SMS支持的，为了能够全面的覆盖此类业务，在部署 NB-IoT后，需要考虑两个问题：是否保留联合附着以获取短信传递能力或者只进行 PS 的附着；是否会存在只使用 SMS进行信息传递而无需建立任何 PDN连接的终端及其解决方案。在 Rel-14中会进一步完善
12、NBIoT核心网支持 SMS的解决方案，但运营商现网部署时可以根据实际需求考虑是否部署 SMS功能，例如仅部署 IP 及 non-IP数据承载方式，主要是考虑到支持 SMS功能需 C-SGN与短信中心之间开通 SGd接口，且需对现网短信中心进行升级改造，对 CSGN也有相关功能要求。（7）授权用户支持覆盖增强（CE）技术对于传播环境较差的用户，例如地下管道内的设备，需要很强的穿透性能，此时需要使用CE技术以获得更好的穿透效果。但 CE技术的使用，需要网络侧提供额外的资源。因此，应该对用户进行认证，对可使用 CE技术的用户加以限制，以保证只有签约并得到 CE授权的用户方可享受此特性，实现差异化的
13、服务。（8）OverLoad 控制关于减少核心网过载的风险的议题，3GPP 发起了多项研究，提出了包括接入等级划分、基于 eNB辅助的（在 eNB侧进行拒绝、延迟、队列）等多种方案，而在 TS23.401中，针对 NB-IoT设备采用的拥塞控制方案是基于 EPS系统原有 backoff timer机制的升级，采用离散化的方式对 NB-IoT设备并发请求进行处理来实现过载控制。（9）头压缩增强由于 NB-IoT大部分应用场景使用的都是小数据包且通信频率很低，例如周期性MAR（Mobile Autonomous Reporting）和 NC（Network Command）使用 20200 byt
14、e/30min或更长时间间隔的数据传输。考虑到 IP 及传输层的头开销，如 20 byte的IPv4 、40 byte的 IPv6、8 byte 的 UDP、20 byte的 TCP、12 byte的 RTP，为了更高效地支持海量 NB-IoT/eMTC类的终端，采用头压缩增强技术势在必行。由于非频繁的数据传输及移动性，eNB 和 UE中保留的头压缩上下文可能会被重置（例如，当 UE进入 IDLE模式或切换 eNB时），如果频繁发送数据或移动，将导致数据包产生全量头开销或额外开销。此时，头压缩将是高效支持 IP类小包业务的重要保障。因此，当采用基于控制面优化的小包传输的方案时，头压缩功能需要支
15、持 NB-IoT终端用户从连接态至 IDLE态的转换及移动性管理。另外需注意，当 non-IP类业务场景发生时，必须要将 IP头压缩功能关闭，故网络侧还需要根据不同的情况来决定是否启用头压缩功能。LTE-M、EC-GSM 和 NB-IoT演进万物互联是大趋势，是发展的必然，各种物联网技术也是梭镖林立。面对各种兴起的物联网技术，3GPP 主要有三种标准：LTE-M 、EC-GSM 和 NB-IoT，分别基于 LTE演进、GSM演进和 Clean Slate技术。LTE-MLTE-M，即 LTE-Machine-to-Machine，是基于 LTE演进的物联网技术，在 R12中叫Low-Cost
16、MTC，在 R13中被称为 LTE enhanced MTC (eMTC)，旨在基于现有的 LTE载波满足物联网设备需求。知道 LTE UE categories的朋友并不会陌生。为了适应物联网应用场景，3GPP 在 R11中定义了最低速率的 UE设备为 UE Cat-1，其上行速率为 5Mbps，下行速率为 10Mbps。为了进一步适应于物联网传感器的低功耗和低速率需求，到了 R12，3GPP 又定义了更低成本、更低功耗的 Cat-0，其上下行速率为 1Mbps。EC-GSMEC-GSM，即扩展覆盖 GSM技术（Extended Coverage-GSM）。各种 LPWA技术的兴起，传统 GPRS应用于物联网的劣势凸显。2014 年 3月， 3GPP GERAN#62会议“Cellular System Support for Ultra Low Complexityand Low Throughput Internet of Things”研
