全新物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化型窄帶技術

　　全新LTE物聯(lián)網(wǎng)窄帶技術邁向窄帶5G之路，提出了四個主要領域的改進來更好地支持物聯(lián)網(wǎng)應用：降低復雜性、改進電池續(xù)航、增強覆蓋和支持更高節(jié)點密度部署。

降低復雜性，支持更低成本設備

　　物聯(lián)網(wǎng)擴散將為多種多樣的產(chǎn)業(yè)和應用帶來巨大優(yōu)勢。許多物聯(lián)網(wǎng)使用場景有潛力促成媲美當今移動寬帶服務（例如智能手機、平板電腦）的更高每連接平均收入(ARPC)，但大多數(shù)使用場景將需要成本更低的設備和訂閱來證明大規(guī)模部署是合理的。例如，智能手機的硬件和服務成本與每天提供幾次溫度測量值的簡單遠程傳感器截然不同。為此，Cat-M1和Cat-NB1設備將在技術復雜度上進行縮減以支持更低成本，同時仍滿足物聯(lián)網(wǎng)應用需求。圖7總結兩個全新LTE物聯(lián)網(wǎng)用戶設備類別的高級復雜性差異。

　　峰值數(shù)據(jù)速率：較之常規(guī)LTE設備（例如Cat-1），Cat-M1和Cat-NB1設備將降低峰值數(shù)據(jù)速率。Cat-M1有下行和上行方向最高1 MBps的有限吞吐量，同時Cat-NB1進一步將峰值數(shù)據(jù)速率降至數(shù)十kbps。降低峰值數(shù)據(jù)速率，支持在設備硬件中節(jié)省處理和內存。
　　帶寬：利用6至100個資源塊，LTE支持從1.4 MHz到20 MHz的可擴展載波帶寬。對于LTE Cat-M1，設備帶寬限定為僅1.4 MHz（1.08 MHz外加用于帶內6個RB的保護頻帶），支持更低數(shù)據(jù)速率。另一方面，Cat-NB1將設備帶寬進一步降至200 kHz（180 kHz外加用于單個RB的保護頻帶）。Cat-M1帶寬降低，需要新控制信道（即M-PDCCH9）替代傳統(tǒng)控制信道（即PCFICH、PHICH、PDCCH10），后者在更窄帶寬中不再適合。同時對于Cat-NB1，引入一套新的NB-IoT同步、控制和數(shù)據(jù)信道適應更窄帶寬。
　　接收天線：在LTE中引入面向多輸入多輸出(MIMO)和接收分集的多根天線提高頻譜效率。但對于LTE物聯(lián)網(wǎng)應用，高數(shù)據(jù)速率相對而言沒有需求，但降低復雜性很重要。對于Cat-M1和Cat-NB1，將接收射頻降為單根天線，簡化射頻前端。盡管由于缺少接收分集有一些射頻退化，但其他先進覆蓋增強技術能夠補償丟失的信號靈敏度。
　　雙工模式：由于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡皖l率和容遲性質，LTE物聯(lián)網(wǎng)設備能夠通過僅支持半雙工通信降低復雜性，給定時間僅發(fā)送或接收路徑是活躍的。Cat-M1設備能夠支持半雙工FDD以及TDD，但Cat-NB1設備僅支持半雙工FDD。這讓設備實現(xiàn)更簡單的射頻交換而非更復雜和昂貴的全雙工。
　　發(fā)射功率：對于兩個全新LTE物聯(lián)網(wǎng)用戶設備類別 ，最大上行發(fā)射功率從LTE的23 dBm (200mW)降為20dBm (100mW)，支持集成功率放大器(PA)實現(xiàn)更低設備成本。
　　其他簡化：其他為了降低復雜度而簡化了的技術包括Cat-NB1的語音支持（VoLTE或電路交換）和移動性（無鏈路測量或報告）。

提高功率效率，實現(xiàn)多年電池續(xù)航

　　許多物聯(lián)網(wǎng)設備都是電池供電，單次充電支持盡可能長的續(xù)航時間非常必要?，F(xiàn)場維護相關成本是很大的問題，尤其在大規(guī)模部署情況下更是如此。不僅定期維護計劃是營業(yè)費用，而且實際上定位這些移動設備（例如資產(chǎn)跟蹤器分布在全世界）也可能變成噩夢。因此，最大化電池續(xù)航已變成LTE物聯(lián)網(wǎng)最重要的改進維度之一。除通過降低設備復雜性實現(xiàn)節(jié)電之外，已引入兩項全新低功耗增強特性：節(jié)電模式(PSM)和延長型非連續(xù)接收(eDRx兩項都適用于Cat-M1和Cat-NB1設備。
 
　　節(jié)電模式(PSM)：節(jié)電模式是讓設備跳過活躍數(shù)據(jù)傳輸之間的周期性尋呼監(jiān)測循環(huán)的全新低功耗模式，讓設備休眠更長時間。然而，當節(jié)電模式激活時，設備變成無法訪問；因此，最好由設備發(fā)起網(wǎng)絡通信的設備端發(fā)起型應用或預定應用使用。此外，設備在節(jié)電模式期間仍保持網(wǎng)絡注冊，它支持更節(jié)能的低功耗模式進/出，在每次節(jié)電模式退出活動之后無需額外注冊/連接循環(huán)?？衫霉?jié)電模式的范例應用包括定期向網(wǎng)絡推送數(shù)據(jù)的智能計量表、傳感器和任何物聯(lián)網(wǎng)設備。
　　延長型非連續(xù)接收(eDRx)：通過把連接模式中從網(wǎng)絡接收數(shù)據(jù)的最大時間延長到10.24秒并且把空閑模式中呼叫監(jiān)測和跟蹤區(qū)更新之間的時間延長到40+分鐘，eDRx優(yōu)化電池續(xù)航。它支持網(wǎng)絡和設備同步休眠期，這樣設備能夠不用頻繁地檢查網(wǎng)絡消息。但是，這增加延遲，因此面向設備終結型應用優(yōu)化eDRx。資產(chǎn)跟蹤和智能電網(wǎng)等使用場景能夠受益于通過更長eDRx周期而實現(xiàn)的更低功耗。

增強覆蓋，更好地支持挑戰(zhàn)性的位置部署

　　有許多物聯(lián)網(wǎng)使用場景能夠受益于更深網(wǎng)絡覆蓋，尤其對于在具挑戰(zhàn)性的位置部署的設備（例如公用事業(yè)計量表）更是如此。在許多使用場景中，權衡上行頻譜效率和延遲，能夠在無需提高輸出功率的情況下有效增強覆蓋，提高功率會消極影響設備電池續(xù)航。

　　冗余傳輸：在連續(xù)子幀（TTI綁定）中多次發(fā)射相同傳輸塊或在一段時間重復發(fā)送相同數(shù)據(jù)（重復傳輸），能夠顯著提高接收器（基站或設備）正確解碼被傳輸消息的概率。
　　功率譜密度(PSD)提升：服務基站能夠簡單地提高下行鏈路發(fā)射功率擴大覆蓋面，同時設備也能夠在一些減少的帶寬上集中全部功率（例如在新的參數(shù)配置中，Cat-NB1能夠在3.75 kHz子載波間隔上發(fā)射，vs. 在Cat-M1和LTE中15 kHz），有效地提高發(fā)射功率密度。
　　單音上行： _同樣地，Cat-NB1設備能夠利用單音上行（3.75 kHz或15 kHz子載波間隔）進一步擴大覆蓋面， 平衡峰值數(shù)據(jù)速率（限定為數(shù)十kbps）。
　　更低階調制：使用QPSK而非16-QAM，信號與干擾加噪聲比(SINR)限值顯著降低，平衡調制效率（更少比特/符號）。

　　借助這些新的覆蓋增強特性，Cat-M1設備的鏈路預算提高到155.7dB，比常規(guī)LTE提高+15dB。對于Cat-NB1，進一步提高到164dB。

優(yōu)化LTE核心網(wǎng)絡，更高效地支持物聯(lián)網(wǎng)設備

　　物聯(lián)網(wǎng)帶來海量聯(lián)網(wǎng)設備，將突破現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡能力極限。完全不同于移動寬帶服務，LTE物聯(lián)網(wǎng)流量僅占總體容量需求的一小部分，網(wǎng)絡容量不是支撐更多低端物聯(lián)網(wǎng)設備（例如計量表）的限制性因素，而是處理更多信令的能力。絕大部分物聯(lián)網(wǎng)設備零星而非以大數(shù)據(jù)包形式傳輸少量數(shù)據(jù)；因此，LTE核心網(wǎng)也需要演進，通過提供更高效的信令和資源管理，更好地支持物聯(lián)網(wǎng)流量特征。

　　更高效信令：新接入控制機制，例如擴展型接入限制(EAB)防止設備在網(wǎng)絡擁堵時生成接入請求，從而避免不必要的信令。網(wǎng)絡還能夠利用組尋呼和組消息與多個下行設備更高效地通信。
　　增強型資源管理：網(wǎng)絡能夠讓大量設備共享相同訂閱，這樣能夠整合資源與設備管理。例如，智慧城市中的一組水表可以集中配置、控制和計費。
　　簡化型核心網(wǎng)絡(EPC-lite)：能夠面向物聯(lián)網(wǎng)流量優(yōu)化LTE核心網(wǎng)，支持更高效地使用資源并將移動管理實體(MME)、服務網(wǎng)關(S-GW)和分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(P-GW)整合進單個EPC-lite。這樣，通過利用現(xiàn)有LTE核心網(wǎng)支撐LTE物聯(lián)網(wǎng)，運營商可以選擇進行優(yōu)化，降低運營支出(OPEX)或最小化資本支出(CAPEX)。

交付端到端LTE物聯(lián)網(wǎng)平臺

　　為了讓LTE物聯(lián)網(wǎng)取得成功，整個生態(tài)系統(tǒng)都需要參與簡化LTE物聯(lián)網(wǎng)服務的總體部署與管理。在許多方面，該項工作已經(jīng)開始。硬件制造商通過交付認證模塊加快設備開發(fā)，新的嵌入式SIM (eUICC)計劃勢頭大增，旨在支持更靈活地管理蜂窩服務。對于物聯(lián)網(wǎng)軟件開發(fā)，協(xié)議標準化將確保數(shù)據(jù)傳輸效率和廠商間互操作性；例如，oneM2M正推動通信協(xié)議標準化，實現(xiàn)更快產(chǎn)品上市和更可靠的端到端安全性。

5G路線圖將帶來甚至更多物聯(lián)網(wǎng)機會

　　5G將是連接新行業(yè)、支持新服務并營造新用戶體驗的更強大統(tǒng)一連接平臺。物聯(lián)網(wǎng)將是5G不可或缺的一部分，提供4G LTE無法支持的新型物聯(lián)網(wǎng)服務和效率。目前5G愿景定義明確，2020年開始商用，它將進一步增強移動寬帶、更高效地支持大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)并且促成全新關鍵任務服務。下面圖10展示新一代5G網(wǎng)絡ITU-RIMT-2020愿景。

向窄帶5G演進NB-IoT

　　5G新平臺將在3GPP標準第15版和未來版本中進行定義，但許多基礎技術已作為LTE升級專業(yè)版的一部分引入。NB-IoT將在3GPP第13版之外持續(xù)演進，離窄帶5G支持大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)更近一步。第14版的一些提議增強特性將包括但不限于語音/移動性、位置服務和面向更高效空口(OTA)固件更新的廣播支持。

為大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)帶來新功能

　　通過交付全新上行鏈路多址接入設計，稱為“資源擴展多址接入”(RSMA)，5G將改進LTE物聯(lián)網(wǎng)支持更高節(jié)點密度的能力。資源擴展多址接入是異步、非正交和競爭式接入，將進一步降低設備復雜性和減少信令開銷，因為它支持“物體”無需事先網(wǎng)絡調度即可傳輸。

　　為了面向物聯(lián)網(wǎng)設備將網(wǎng)絡覆蓋面擴大到最極端的位置（例如超遠距離、地下深處），5G將支持多跳網(wǎng)狀網(wǎng)，讓覆蓋范圍之外的設備直接連接可向接入網(wǎng)回傳數(shù)據(jù)的設備。這從根本上創(chuàng)建無邊緣網(wǎng)絡，在典型蜂窩接入（例如普通基站和小型基站）之外擴大覆蓋面。更重要的是，5G核心網(wǎng)還將對接入覆蓋范圍內的設備和那些對等連接網(wǎng)狀網(wǎng)網(wǎng)絡支持的設備進行廣域網(wǎng)(WAN)管理。

支持關鍵任務控制物聯(lián)網(wǎng)服務

　　LTE物聯(lián)網(wǎng)高效地縮減，面向非頻繁和容遲通信進行優(yōu)化；在滿足許多更低端物聯(lián)網(wǎng)應用（例如計量和傳感器）的同時，有一類物聯(lián)網(wǎng)應用需要更高性能。例如關鍵任務服務需要端到端延遲低至1毫秒、超高可靠性支持極低丟失率、通過多個鏈路支持容錯和移動性實現(xiàn)高可用性以及不容妥協(xié)的穩(wěn)健端到端安全性。5G關鍵任務控制設計考慮全部這些需求，無人機和工業(yè)機器人僅僅是驅動這些極端需求（但并非全部服務同時需要）的幾個創(chuàng)新使用場景。

全新5G網(wǎng)絡架構具有其他優(yōu)勢

　　全新靈活5G網(wǎng)絡將提供卓越性能和效率，面向相同物理網(wǎng)絡中托管的廣泛服務（例如增強型移動寬帶、關鍵任務服務和大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)）利用虛擬化網(wǎng)絡功能創(chuàng)建優(yōu)化的網(wǎng)絡切片。每個網(wǎng)絡切片能夠獨立配置，提供按照應用需求優(yōu)化的端到端安全性。這對物聯(lián)網(wǎng)特別有利，因其多樣性需求可能決定相同網(wǎng)絡部署支持的不同使用場景要求大相徑庭的服務等級協(xié)議(SLA)。除支持更高效的資源配置和利用之外，增強型5G網(wǎng)絡還支持靈活的訂閱模式和動態(tài)創(chuàng)建/控制服務。

總結

　　物聯(lián)網(wǎng)助力智能聯(lián)網(wǎng)設備大規(guī)模涌現(xiàn)，將在許多行業(yè)支持新服務和效率。物聯(lián)網(wǎng)將在未來數(shù)年改造企業(yè)、改變人類生活方式并且促進創(chuàng)新。蜂窩技術將在向廣泛的物體提供連接性方面發(fā)揮重要作用；LTE正演進交付可擴展的統(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)平臺，帶來超過非3GPPLPWA解決方案的巨大優(yōu)勢。它不僅通過既有全球網(wǎng)絡提供普適覆蓋，而且?guī)頍o與倫比的可靠性、安全性和性能水平，這是要求最高的物聯(lián)網(wǎng)應用需要的。

　　LTE升級專業(yè)版正交付全新LTE物聯(lián)網(wǎng)窄帶技術，將降低復雜性、延長電池續(xù)航、深化覆蓋并且支持高節(jié)點密度部署。在3GPP標準第13版中，LTE物聯(lián)網(wǎng)引入兩個全新用戶設備類別（Cat-M1和Cat-NB1），將縮減LTE以支持更高效的物聯(lián)網(wǎng)通信。Cat-M1將提供最廣泛的物聯(lián)網(wǎng)功能，支持更先進的特性，例如移動性和VoLTE，同時Cat-NB1面向容遲低吞吐量使用場景進一步縮減以提供最低成本和功率。

　　在LTE物聯(lián)網(wǎng)窄帶技術之上構建，5G將帶來更多物聯(lián)網(wǎng)機會。窄帶5G將借助新功能增強大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)，例如資源擴展多址接入(RSMA)支持免許可傳輸和多跳網(wǎng)狀網(wǎng)進一步擴展覆蓋面。5G也將通過交付超低延遲通信支持關鍵任務服務，提供顯著改善的系統(tǒng)可靠性、服務可用性和端到端安全性。全新靈活網(wǎng)絡架構也將支持在下一代5G網(wǎng)絡上托管的全部服務具有卓越性能和效率?？傊?，連接物聯(lián)網(wǎng)將是5G下一個十年和未來更強大統(tǒng)一連接平臺不可或缺的一部分。