中国移动建成第一个全域覆盖的NB-IoT网络

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今日，来自鹰潭日报的一则“中国移动在鹰潭建成全国第一张地市级全域覆盖NB-IoT网络”的消息刷遍网络，截至1月22日鹰潭已完成覆盖市全域的NB-IoT网络的建设及开通，作为全国第一张地市级全域覆盖的NB-IoT网络，江西鹰潭已开通135个NB-IoT基站，在国内打响头炮。

据悉，中国移动还同步实现了NB-IoT业务终端与物联网业务平台的双向数据传输，这表明鹰潭的NB-IoT网络不仅建成了网络，而且还具备了业务的实用功能。

中国移动此前专门成立了中移物联网有限企业来发展IoT，目前针对NB-IoT与eMTC等不同的技术中国移动都有布局，并聚焦在智能连接、智能模组、智能硬件、开放平台、解决方案这五大业务方向上。

在国内三家运营商中，中国移动IoT上相对走得更快，2016年底时中移物联网企业的模组销量已经超过一百万部。此前2016年11月份在乌镇举办的全球互联网大会上，中国移动也推出了面向物联网的芯片，这个芯片很适合物联网的工作场景，其体积小，对于复杂环境有很强应用性，同时，在智能家居、可穿戴、移动互联网领域以及安防、智能交通、智慧城市等方面，中移物联网企业也计划推出更多的产品。

附

NB-IoT技术标准化及发展趋势研究

为助力运营商进行窄带物联网技术方案选择及业务模式开发，更好地把握未来技术演进方向，本文对当前NB-IoT蜂窝网络技术的标准化进展进行了总结，通过与其他LPWA技术进行对标，梳理了NB-IoT典型应用场景，并就NB-IoT未来的技术发展趋势及下一步研究方向进行分析和探讨。

关键词：NB-IoT；低功耗光域覆盖；eMTC；eDECOR；窄带物联网

一

引言

随着通信技术的不断发展，物联网将为个人、社会和行业提供高效链接，但这又不仅仅是简单的海量链接，更是办公、购物、医疗、教育、娱乐、交通、社交等多种垂直行业的价值环节和生产要素等资源高度融合的链接。

据思科年度可视化网络指数（VNI）预测报告统计，2015 年全球已实现网络互连的终端总数为160亿，但全世界仍有90%设备未被连接，随着物联网的飞速发展，全球IP流量将在未来4年中达到现在的3倍，到2020年，全世界将有260亿台联网设备，而其中仅物联网设备将会达到160亿台，并且超低流量、超低复杂度、超低功耗、低成本的物联网设备将占据物联网设备总量的90%以上。2015年，全球通信业对形成一个低功耗广域覆盖（LPWA）的物联网标准达成了共识，NB-IoT标准也被正式提上议事日程。

二

3GPP物联网相关标准化概述

随着物联网的快速发展和乐观的市场发展预期，物联网成为各个标准化组织的工作重点。物联网标准的制定是物联网发挥自身价值和优势的基础支撑，对整合不同的碎片化应用场景的共性特征，推动物联网产业的发展具有非常重要的意义。标准化工作是物联网产业竞争的制高点，只有统一了标准，不同的网络系统才能互联互通；也只有统一了标准，才能促成大规模的生产，从而降低单业务成本。

第三代合作伙伴（3GPP）各工作组对物联网的研究范围和重点各有不同，它们通过分工合作来实现对物联网技术的需求、功能、架构、安全、信令流程等的研究和标准制定。具体来说，SA1（业务与系统架构）工作组主要负责物联网业务需求和特性的分析，从而为其他各组奠定研究基础；SA2基于SA1提出的需求进行物联网总体网络优化方案的设计，包括基础网络架构、主要功能和基本流程等；SA3主要负责分析物联网通信潜在的安全威胁及安全需求，并提供可行的解决方案；CT（核心网与终端）工作组主要基于SA2的架构和功能设计，进行终端及核心网方面物联网各种优化技术的具体实现；TSG GERAN和TSG RAN中各工作组负责物联网通信在无线接入网络中的优化。

3GPP目前开展的物联网相关工作只关注基于蜂窝移动终端的场景，并不考虑无线传感器网络和移动通信网络混合组网的情况。3GPP Rel-13中物联网相关项目关系情况如图1所示。

从图1可以看出，目前3GPP主要关注3 种基于蜂窝的物联网通信技术，分别是NB-IoT、eMTC（Cat.M）和EC-GSM。其中，EC-GSM是由于受到来自LoRa等技术的挑战，由3GPP GERAN在GSM的基础上，增加了省电模式（PSM）、增强型非连续接收（eDRX）、覆盖优化等新功能而形成的；而NB-IoT和eMTC则属于全新的RAT模式，可以基于现有的蜂窝移动通信的频谱在带内、带外、保护间隔内进行部署。

值得注意的是，以沃达丰、SK电讯等为代表的电信运营商均有准备在未来5~10年将GSM退网，以便将低频段让给NB- IoT和eMTC，从而满足未来物联网无线技术的大范围部署。

因此，EC-GSM仅有可能在对网络建设成本、网络演进等特殊考虑的情况下，在无法建设NB-IoT的场景中才会采用。而LTE-M方面，Cat.0因成本和功耗与Cat.1区别很小，且需要网络改造，目前被认为是过渡态，基本不会被规模商用。

其中，Cat.1 在R8中就已经定义，其优势是无需现网改造，搭载Cat.1的终端可直接使用，且单模Cat.1芯片及模块的价格相比LTE多模具备十分明显的优势。

在应用层面，Cat.1上/下行5/10 Mbit/s的峰值速率足以满足车载模块及小流量的视频应用；同时其价格相对便宜，在对物联网模块价格不太敏感的欧美地区，Cat.1还被应用在远程抄表应用中。

但由于LTE物联网终端研究趋向低成本、低功耗及强覆盖，3GPP于2014年9月成立了第一个Cat.M的工作组，开始了Cat.M的标准制定。截至2016年3月，Cat.M的核心标准已经冻结。

综上，未来运营商可能采用的主流的物联网通信技术将非NB-IoT和eMTC莫属，而由于NB-IoT在续航、覆盖等方面技术性能上更有优势，因此成为各方关注的焦点。

三

NB-IoT标准化进展

1、RAN方面

2014年5月，HUAWEI收购了Nuel企业，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，HUAWEI、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、支撑大规模设备连接、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HUAWEI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，其演进过程如图2所示。

NB-IoT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。

图3 是NB-IoT和eMTC标准冻结时间点，可以看到在截止2016年9月，eMTC及NB-IoT的主体功能标准、无线性能标准已经冻结。预计一致性测试标准将分别在2016年12月冻结。

2、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 SA工作组标准化路线如图4所示。

图4  3GPP SA工作组标准化路线

3GPP核心网侧与NB-IoT相关的主体标准大部分处于stage2（业务与系统架构），预计2016下半年至2017年初启动stage3（核心网与终端）的相关工作，当前进展如图5所示。

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）高效地支撑非频繁小包传送

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），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撑跟踪装置

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-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。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（Dedicated Core 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）支撑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SGi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）支撑SMS

部分已有M2M业务是采用SMS支撑的，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：①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；②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NBIoT核心网支撑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，主要是考虑到支撑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）授权用户支撑覆盖增强（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20~200 byte/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，为了更高效地支撑海量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，头压缩将是高效支撑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，头压缩功能需要支撑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。

四

NB-IoT技术应用场景及未来发展趋势

1、LPWA 技术对标分析

目前，低速率物联网无线通讯技术按照传输距离可以分为两类：一类是短距离的无线通讯技术，如Zigbee、Wi-Fi、蓝牙、Z-Wave等；另一类是覆盖范围相对较广的LPWA技术。其中，LPWA又可以分为两类：一类工作在非授权频谱，如LoRa、SigFox等；另一类工作在授权频谱，如NB-IoT、eMTC(Cat.M)、EC-GSM、Cat.1、Cat.0等。各LPWA 技术的覆盖范围及速率等特性如图6所示。

根据前文分析，由于GSM存在频谱重耕的预期，而Cat.1和Cat.0模组成本相对偏高，因此，下文仅考虑NB-IoT和eMTC技术的对标。

由表1的对标分析可知，与采用非授权频谱的典型技术SigFox、LoRa相比，使用授权频谱的NB-IoT的覆盖能力最强，且使用授权频谱的网络安全性更强，蜂窝式部署更便于网络管理和大范围覆盖，因此，NB-IoT是海量物联网无线通讯的最佳选择。而eMTC虽然在覆盖能力和连接密度上稍逊于NBIoT，但其数据传输速率的峰值可以达到1 Mbit/s（通常为60~300 kbit/s），且延续了移动性管理能力和对语音的支撑，所以更适合一些需要无缝覆盖的中等DOU（Dataflow Of Usage）类的应用。

2、NB-IoT应用场景分析

根据前文对标分析，NB-IoT适用的典型业务场景可以总结为四类，每一类对应的业务模型如表2所示。

3、NB-IoT 技术未来发展方向

从RAN方面来看，目前已冻结的3GPP Rel-13版本的NB-IoT技术不支撑30 km/h以上的连接态切换，且在终端定位、MBMS、广深覆盖等方面还需要继续增强。

另外，从SA/CT方面来看，基于控制面优化的小包传输增强方案是目前3GPP的必选方案，而基于用户面优化的传输增强方案则是可选的，未来将进一步明确和细化两种方案的对比、选择以及如何配合并行部署。另外，跟踪装置类小包业务模型还在研究当中、增强的寻呼区域管理对附着和TAU等过程的影响、授权用户的CE技术应用等问题将在未来Rel-14版本中进行探讨和解决。

五

结语

物联网应用和手机终端最大的不同就是行业和领域的碎片化、需求的个性化，这直接导致了物联网不同类型的应用对蜂窝通信技术的要求不同，多种技术均有应用空间和存在的必要性。而NB-IoT作为一种电信级的覆盖技术，在低功耗、低成本、低速率、广覆盖等方面表现都很突出。目前，NB-IoT的核心标准刚刚落地，在运营商的大力推进和厂家的积极配合下，随着外场测试及试点部署的推进，相信NB-IoT的产业链将逐步走向成熟，助推运营商在整个物联网垂直行业更加快速、科学地发展。

请查看：《中国移动建成第一个全域覆盖的NB-IoT网络》。