窄帶物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化概述和性能測(cè)試

物聯(lián)網(wǎng)世界發(fā)展迅速，其組件規(guī)模已經(jīng)從2006年的20億發(fā)展到了2020年預(yù)計(jì)300億數(shù)量。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品追蹤、固定資產(chǎn)管理、提高生產(chǎn)管理效率、節(jié)約成本甚至保障人員安全等方面都做出了重大的貢獻(xiàn)，已經(jīng)被視為國(guó)家經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的穩(wěn)定動(dòng)力之一。

傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常采用工作在非授權(quán)頻段的短程無(wú)線電技術(shù)，比如Wifi、Zigbee和藍(lán)牙技術(shù)，這些設(shè)備往往受到局域、短程通信的限制。針對(duì)這種限制，適用于廣域、遠(yuǎn)程通信的低功率廣域網(wǎng)(LPWAN)應(yīng)運(yùn)而生，它具備低功耗、低速率、低成本、廣覆蓋等特征。LPWAN有兩個(gè)技術(shù)分支，一個(gè)分支采用非授權(quán)頻段，如SigFox和LoRa；另一個(gè)分支采用授權(quán)頻段，如蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。3GPP工作組針對(duì)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)提出了兩項(xiàng)基于LTE的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，分別為eMTC（enhanced Machine Type Communications）和NB-IoT?；诜涓C窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT作為L(zhǎng)PWAN的一項(xiàng)典型技術(shù)，與傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)相比，改變了通過(guò)中繼網(wǎng)關(guān)收集信息再反饋給基站的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)部署，解決了多網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、高成本、大容量電池等諸多問(wèn)題，構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)上，只消耗180kHz的帶寬，可直接部署于2G、3G及4G網(wǎng)絡(luò)。

NB-IoT技術(shù)的推廣實(shí)施涉及到芯片、模組、終端、電信運(yùn)營(yíng)商、應(yīng)用等全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)作。在現(xiàn)階段，芯片、模組等環(huán)節(jié)對(duì)NB-IoT產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程起著更加重要的作用。目前，全球已有101家運(yùn)營(yíng)商部署了NB-IoT，行業(yè)已發(fā)布50款NB-IoT模組，其應(yīng)用方向主要分為消費(fèi)性物聯(lián)網(wǎng)（智能穿戴設(shè)備）、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、生產(chǎn)和消費(fèi)混合性物聯(lián)網(wǎng)（車聯(lián)網(wǎng)與智能家居）、物聯(lián)網(wǎng)綜合集成應(yīng)用平臺(tái)（智慧城市）等。我國(guó)三大電信運(yùn)營(yíng)商均在加速推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展，中國(guó)電信于2018年末成立了中國(guó)電信天翼物聯(lián)技術(shù)有限公司，中國(guó)移動(dòng)成立了移遠(yuǎn)通信股份有限公司，都旨在優(yōu)先部署NB-IoT、擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、搶占市場(chǎng)先機(jī)。

NB-IoT在現(xiàn)階段的發(fā)展同樣面臨幾大問(wèn)題：首先，雖然鼓勵(lì)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展的相關(guān)政策不斷推出，但目前NB-IoT還沒(méi)有進(jìn)入大規(guī)模商用階段，普及程度仍較低；NB-IoT行業(yè)上下游還未進(jìn)入大規(guī)模量產(chǎn)階段，芯片、模組的成本相對(duì)較高，有待大規(guī)模量產(chǎn)并進(jìn)一步降低價(jià)格；對(duì)于NB-IoT頂層設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，更為重要的是NB-IoT領(lǐng)域的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有待進(jìn)一步完善，相關(guān)芯片、模組、終端產(chǎn)品的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有待完善和推出，以便對(duì)產(chǎn)品和相關(guān)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性進(jìn)行測(cè)評(píng)。

NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)主要包含核心標(biāo)準(zhǔn)、一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和性能標(biāo)準(zhǔn)。核心標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了信令協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)接入等協(xié)議內(nèi)容，一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是射頻、協(xié)議、RRM的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，性能標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)定了具體垂直應(yīng)用領(lǐng)域的性能和測(cè)試規(guī)范。

NB-IoT核心標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程經(jīng)歷了業(yè)界多方漫長(zhǎng)的合作和探討。2013年，華為首先聯(lián)合業(yè)內(nèi)廠商發(fā)起了名為L(zhǎng)TE-M(LTE for Machine to Ma?chine)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)研究。LTE-M提供了兩種技術(shù)方案：分別為基于GSM演化的eMTC技術(shù)和基于FDMA、GMSK調(diào)制的全新NB-M2M技術(shù)。2014年，由華為、中國(guó)移動(dòng)、沃達(dá)豐、諾基亞等主導(dǎo)的SI課題“Cellular System Support for UltraLow ComplexityandLow ThroughputInternetof Things”在3GPP GERAN組正式立項(xiàng)，SI課題將LTE-M正式命名為Cellular IoT，即CIoT。2015年，高通聯(lián)合華為又進(jìn)一步推出一種上行鏈路采用FDMA多址、下行鏈路采用OFDM多址的融合技術(shù)方案，即為NB-CIoT（Narrow Band Cellular IoT）。NB-CIoT可以支持海量低速率終端接入、增強(qiáng)覆蓋、降低終端成本和復(fù)雜度、實(shí)現(xiàn)低功耗（電池壽命達(dá)10年）和低時(shí)延、支持上下行傳輸，但NB-CIoT作為一種全新技術(shù)，與傳統(tǒng)的LTE技術(shù)架構(gòu)仍然需要考慮網(wǎng)絡(luò)兼容問(wèn)題。2015年8月，愛(ài)立信、中興主導(dǎo)在GERAN SI階段末次會(huì)議中提出了NB-LTE（Narrow Band LTE）技術(shù)。NB-LTE與NB-CIoT相似，但更傾向與傳統(tǒng)LTE兼容，更易于實(shí)現(xiàn)部署。NB-LTE采用了LTE實(shí)體層和絕大部分LTE上層網(wǎng)絡(luò)，減少了設(shè)備的升級(jí)更新，并沿用LTE原有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速部署。2015年9月，業(yè)界各方在3GPP RAN全會(huì)最終達(dá)成一致，將NB-LTE和NB-CIoT兩種方案整合成為最終形式的NB-IoT方案，并將其確立為窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。2016年6月，NB-IoT核心標(biāo)準(zhǔn)正式在3GPP R13凍結(jié)。NB-IoT采用180kHz窄帶系統(tǒng)和3.75kHz子載波間隔，能夠?qū)崿F(xiàn)比現(xiàn)有GPRS網(wǎng)絡(luò)提升20dB的深度覆蓋、每個(gè)扇區(qū)具備支持5萬(wàn)個(gè)以上的海量連接能力、實(shí)現(xiàn)更靈活時(shí)延。

NB-IoT一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)由3GPP RAN5工作組制定，NB-IoT性能標(biāo)準(zhǔn)由3Gpp RAN4工作組制定。RAN5的終端一致性測(cè)試子工作組（NB_IoTUEConTest）根據(jù)運(yùn)營(yíng)商和終端廠商溝通情況，將相關(guān)測(cè)試優(yōu)先級(jí)分為兩個(gè)階段。隨著3GPP持續(xù)推進(jìn)NB-IoT一致性標(biāo)準(zhǔn)和性能標(biāo)準(zhǔn)，GCF（Global Certification Forum）作為運(yùn)營(yíng)商和終端制造商共同成立的組織，目前正積極地參與NB-IoT儀表、終端的互操作，一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)工作，并分別針對(duì)NB-IoT射頻、協(xié)議、RRM等成立了WI-259、WI-257、WI-258工作組。

國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

據(jù)中國(guó)信息通信研究院2018年調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，未來(lái)幾年我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)年均增速可達(dá)30%左右，NB-IoT相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、傳感器、芯片等產(chǎn)業(yè)鏈上下游將充分受益。但NB-IoT作為通信行業(yè)新興應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)也同時(shí)面臨著打造規(guī)范化的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、營(yíng)造健康產(chǎn)業(yè)生態(tài)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。目前，中國(guó)電信終端產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（TAF）及中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）正全力主導(dǎo)推動(dòng)我國(guó)的NB-IoT行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化工作。

CCSA的TC5WG9從2016年開(kāi)始專門負(fù)責(zé)我國(guó)NB-IoT的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定工作，其工作方向主要集中在3GPP的基礎(chǔ)上，對(duì)面向物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的NBIoT接入技術(shù)和測(cè)試方法開(kāi)展研究。目前，CCSA在工信部研究院和三大運(yùn)營(yíng)商的主導(dǎo)下，主要完成了如下行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作：《面向物聯(lián)網(wǎng)的蜂窩窄帶接入（NB-IoT）無(wú)線網(wǎng)總體技術(shù)要求》《面向物聯(lián)網(wǎng)的蜂窩窄帶接入（NB-IoT）核心網(wǎng)總體技術(shù)要求》《面向物聯(lián)網(wǎng)的蜂窩窄帶接入（NB-IoT）核心網(wǎng)設(shè)備技術(shù)要求》《面向物聯(lián)網(wǎng)的蜂窩窄帶接入（NB-IoT）終端設(shè)備技術(shù)要求》《面向物聯(lián)網(wǎng)的蜂窩窄帶接入（NB-IoT）安全技術(shù)要求》《面向物聯(lián)網(wǎng)的蜂窩窄帶接入（NB-IoT）基站設(shè)備技術(shù)要求》《面向物聯(lián)網(wǎng)的蜂窩窄帶接入（NB-IoT）核心網(wǎng)設(shè)備測(cè)試方法》《面向物聯(lián)網(wǎng)的蜂窩窄帶接入（NB-IoT）基站設(shè)備測(cè)試方法》《面向物聯(lián)網(wǎng)的蜂窩窄帶接入（NB-IoT）終端設(shè)備測(cè)試方法》。

TAF專注于融合NB-IoT與具體的垂直行業(yè)應(yīng)用，完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系及內(nèi)容。TAF針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)界在模組形態(tài)開(kāi)發(fā)、指令集應(yīng)用五花八門的現(xiàn)狀，首先推出了物聯(lián)網(wǎng)模塊協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，主要包括：《面向窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）的終端模組總體規(guī)范》《面向窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）的終端模組規(guī)范BAND3和BAND5和BAND8》《NB-IoT設(shè)備互聯(lián)互通測(cè)試方法》《NB-IoT終端及模組功耗測(cè)試》。

縱觀國(guó)內(nèi)外NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展，在NB-IoT核心標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成熟凍結(jié)的前提下，運(yùn)營(yíng)商、制造商、行業(yè)組織均及時(shí)響應(yīng)3GPP的基礎(chǔ)架構(gòu)，持續(xù)推動(dòng)一致性和性能標(biāo)準(zhǔn)的完善。對(duì)于協(xié)議、射頻、RRM等一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)研究，企業(yè)和行業(yè)基本可以采用依據(jù)3GPP提供的傳統(tǒng)LTE通信的測(cè)試架構(gòu)開(kāi)展研究。然而，對(duì)于NB-IoT性能測(cè)試方法及標(biāo)準(zhǔn)的研究工作，在把握總體的性能測(cè)試思路的基礎(chǔ)上，往往需要結(jié)合具體垂直行業(yè)細(xì)分應(yīng)用展開(kāi)研究，例如智能城市、智慧醫(yī)療、智慧家居等不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ陉P(guān)鍵評(píng)定性能的優(yōu)先級(jí)需求都不盡相同。

NB-IoT性能測(cè)試

性能目標(biāo)

評(píng)價(jià)NB-IoT的基礎(chǔ)性能指標(biāo)通常包括覆蓋范圍、最小傳輸速率、服務(wù)時(shí)延、設(shè)備功耗（電池壽命）、系統(tǒng)容量、設(shè)備復(fù)雜度等。此外，考慮NB-IoT可以采用3種不同的頻率部署方式，其中Stand?alone獨(dú)立部署模式利用GERAN系統(tǒng)占用的資源替代當(dāng)前一個(gè)或多個(gè)GSM載波，Guard-Band保護(hù)帶部署模式目前LTE載波保護(hù)帶上沒(méi)有使用的資源塊，帶內(nèi)部署In-Band利用LTE載波內(nèi)的資源塊，因此部署靈活性也是NB-IoT性能評(píng)價(jià)需要考量的指標(biāo)。

NB-IoT性能評(píng)估嚴(yán)格意義上應(yīng)該基于3GPP R13規(guī)定的相較GSM/GPRS有20dB覆蓋增強(qiáng)（即最大耦合損失164dB）的基礎(chǔ)展開(kāi)工作，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探索NB-IoT處于最優(yōu)性能時(shí)的耦合損失、在其他不同耦合損失水平下的性能表現(xiàn)。NBIoT的實(shí)際性能與設(shè)備、基站的實(shí)際實(shí)施方案緊密相關(guān)。目前，基于3GPP R13凍結(jié)協(xié)議的NB-IoT性能評(píng)估規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有完全公開(kāi)。

雖然3GPP 45.820技術(shù)報(bào)告（Cellular System SupportforUltralow Complexity and Low Throughput Internet of Things）和3GPP發(fā)布的相關(guān)文獻(xiàn)中提供了大量的測(cè)試案例和結(jié)果，但其中大部分并非完全根據(jù)3GPP R13協(xié)議而展開(kāi)測(cè)試研究的。

目前NB-IoT性能測(cè)試現(xiàn)狀具體可以概括為：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在持續(xù)推進(jìn)，但同時(shí)行業(yè)內(nèi)的企業(yè)、科研院校等也開(kāi)展大量的結(jié)合具體垂直應(yīng)用的測(cè)試方法研究和測(cè)試案例分享。例如，荷蘭Holst Center針對(duì)NB-IoT和eMTC在智慧城市中的應(yīng)用，采用無(wú)線NS-3仿真測(cè)試模型開(kāi)展了NBIoT功耗、時(shí)延和可擴(kuò)展性等性能評(píng)估研究；愛(ài)沙尼亞的Thomas Johann Seebeck Department of Electronics針對(duì)NB-IoT在健康醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，提出了融合單傳感節(jié)點(diǎn)和多傳感節(jié)點(diǎn)匯聚兩種不同基站通信方式的系統(tǒng)架構(gòu)模型、通信模型，并采用蒙特卡羅仿真實(shí)現(xiàn)對(duì)有效吞吐量、蜂窩容量、時(shí)延等性能的評(píng)估。

性能評(píng)估方法

為了便于NB-IoT系統(tǒng)部署之前或過(guò)程中能夠精確評(píng)估系統(tǒng)性能參數(shù)，必須發(fā)展可靠、有效的專用工具。目前，行業(yè)內(nèi)并沒(méi)有發(fā)展專門面向NBIoT的測(cè)試工具，測(cè)試評(píng)估工作往往借鑒傳統(tǒng)測(cè)試領(lǐng)域中比較高效的評(píng)估方法，具體包含模擬工具法（如Matlab、NS-3、OMNet++）、仿真工具法、試驗(yàn)臺(tái)法、試驗(yàn)區(qū)法等，每種評(píng)估方法都可以應(yīng)用于具體場(chǎng)合。

參考傳統(tǒng)電信系統(tǒng)的性能評(píng)估方案，NB-IoT的性能評(píng)估可以采用分析模型或網(wǎng)絡(luò)評(píng)估系統(tǒng)兩種不同的方案。分析模型主要是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模（如采用Markov鏈），使得研究者可以簡(jiǎn)便地通過(guò)改變數(shù)學(xué)模型的不同參數(shù)以評(píng)估系統(tǒng)整體或局部的變化，這種方案尤其適用于基于簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的系統(tǒng)，但不適用于處理實(shí)際物理世界中的復(fù)雜部署問(wèn)題。

網(wǎng)絡(luò)評(píng)估系統(tǒng)方案則可以模擬實(shí)際的系統(tǒng)行為，并提供可觀測(cè)的結(jié)果，該方案通常采用模擬工具、試驗(yàn)臺(tái)或仿真工具等具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)。采用模擬工具可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高復(fù)雜度的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行建模，并觀測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)隨時(shí)間的演化情況，它是計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)制化。試驗(yàn)臺(tái)則一般用于對(duì)給定設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格、透明測(cè)試，在NB-IoT應(yīng)用中，試驗(yàn)臺(tái)可以用于對(duì)投入量產(chǎn)前的系統(tǒng)關(guān)鍵部件進(jìn)行測(cè)試。仿真工具主要是通過(guò)采用虛擬系統(tǒng)的方式評(píng)估實(shí)際的系統(tǒng)性能，具備可重復(fù)、可配置、易隔離和便于管理等特點(diǎn)，避免使用過(guò)度復(fù)雜的物理架構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)評(píng)估系統(tǒng)方案的每種實(shí)現(xiàn)技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，而且相互之間并不互斥，在特定的應(yīng)用場(chǎng)合都能實(shí)現(xiàn)最佳效果。