蜂窝物联网(CIoT) 标准及技术

2020-10-15 来源:华信咨询设计研究院有限公司 黄小光

LTE已形成完整的物联网标准序列,可满足覆盖数据率、成本、耗电量从高到低的各种物联网需求。3GPP一直将物联网作为LTE的重要演进方向。

LTE的第一个版本R8中,除了有满足宽带多媒体应用的Cat3Cat4Cat5等终端等级外,也有上行峰值速率仅有5 Mbit/s的终端等级Cat1,可用于物联网等“低速率”应用。在LTE发展初期,Cat1并没有被业界所关注,随着可穿戴设备的逐渐普及,才逐渐被业界重视。由于Cat1终端需要使用两根天线,对体积敏感度极高的可穿戴设备来说仍然是要求过高”,因此在实际商用中一般只配备1根天线。

R12/R13中,3GPP多次针对物联网做进一步优化。首先是在R12中增加了新终端等级Cat0,放弃了对MIMO的支持,简化为半双工,峰值速率降低为1 Mbit/s,终端复杂度降低为普通LTE终端的40%,初步达到了物联网的成本要求。Cat0终端的信道带宽降至1.4 MHz,但射频的接收带宽仍为20 MHz。于是,3GPPR13中又新增Cat M1 等级的终端,信道带宽和射频接收带宽均为1.4 MHz,终端复杂度进一步降低。因此业界普遍认为Cat0是个过渡版本,Cat M1才是真正适用于物联网的终端类型。Cat M1对应的LTE物联网技术也被称为增强型机器类型通信(eMTC)。3GPPR13中同时新增面向远程抄表速率更低、成本更低、电池寿命更长等物联网应用的新型终端类型(Cat NB-1)。它的接收带宽是仅为200 kHz的“窄带物联网”(NB-IoT)标准。NB-IoT采用更窄的带宽,上行3.75 kHz的单子载波(Single Tone)传输方式,扩展DRX 周期等特性,进一步降低功耗,提升覆盖率。

3GPP 关于CIoT 技术的版本信息,见表1

1 3GPP关于CIoT技术的版本信息

典型的LTE物联网终端类型包括Cat4Cat1Cat0CatM1NB-IoT,这5 种终端类型可以覆盖数据率、成本、耗电量从高到低的各种物联网需求,形成完整的产品序列,对ZigBeeWi-Fi等现有物联网技术形成有效的竞争。各种LTE 物联网技术对比情况,见表2

2 各种LTE物联网技术对比

CAT0CAT M1的数据有效带宽是相同的(都是6RB带宽),在36.306协议中定义的一个子帧内上下行最大传输数据量也是相同的。而CAT0是按照小区带宽接收的,因此收发过程中不需要接收发送频点的retuning(重调)。CAT0是一个过渡协议,是在CATM1没有release(释放)的时候的过渡标准。

eMTC是在既有LTE 技术与架构上进行优化的。采用LTE 带内部署方式,支持TDDFDD两种方式。eMTCLTE在同一频段内协同工作,由基站统一进行资源分配,共用部分控制信道。因此,运营商可以在已有的LTE频段内直接部署eMTC,无须再分配单独的频谱。NB-IoT是针对物联网特性的全新设计,有LTE带内、保护带和独立部署3 种方式,目前只支持FDD方式。NB-IoT更为独立,拥有一套完整的实现方案。NB-IoT采用LTE带内、保护带部署方式时可以和LTE 共用频谱,采用独立部署方式时,需要单独的频谱资源。3GPP后续版本中将对NB-IoT继续进行功能增强和优化工作,主要内容包括支持定位(E-CIDOTDOA/UTDOA)、支持多播(SC-PTM模式)、Non-Anchor PRB增强、移动性、业务连续性、低功率类型UETDD方式。