LTE物聯網技術--邁向5G之路(一份看完可以吹三年的物聯網報告)

來源：美國高通

物聯網智庫  整理髮布

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-   【導讀】   -

無線網絡一直在不斷發展，隨著生活節奏的日益加快，人們對設備便利性的要求也變得非常高，而物聯網的出現能夠大大提高人們的生活效率。點擊「閱讀原文」，可下載報告原文！

物聯網(IoT)助力智能聯網設備大規模湧現，將在許多行業支持新服務和效率。物聯網將在未來數年改造企業、改變人類生活方式並且促進創新。在下一個十年，預計全球將部署數百億個聯網設備，以前所未有的速度增長，在多個關鍵市場創造數萬億美元經濟價值。物聯網是全互聯世界的基礎並且演進為萬物互聯只是時間問題。

在全互聯世界願景中，蜂窩技術將發揮建設性作用並且它們早已在發揮作用；1G和2G網絡通過語音連接人，3G和4G把連接性擴展到移動網際網路，交付極快移動寬帶服務。蜂窩網絡不僅提供普適覆蓋，而且它們還帶來前所未有的可靠性、安全性和性能水平，這是要求最高的物聯網應用需要的。

3GPP技術（例如4G LTE）能夠提供廣域物聯網連接LTE是在全球是增長最快的無線標準，在全世界已經有超過十億個連接。它將延續上升勢頭並且甚至將在未來十年激增。LTE已實現更快更好的移動寬帶承諾，目前正面向物聯網進行功能縮減以便支持多年電池續航和更低成本設備。LTE有通用全球標準(3GPP)支持以及強大的可互操作端到端生態系統支持。總之，LTE為未來物聯網增長提供堅實基礎，相較於非3GPP/私有解決方案，LTE展現了巨大優勢。

3GPP標準第13版引入一套面向物聯網優化的全新窄帶技術。統稱為LTE物聯網，它更高效地支持更低數據速率應用的兩個全新用戶設備(UE)類別。LTE Cat-M1 (eMTC)可以提供廣泛的物聯網應用覆蓋，LTE Cat-NB1 (NB-IoT)針對低成本物聯網使用場景進一步縮減成本和功率。兩個設備類別都是單一可擴展LTE路線圖的一部分，設計為與現有LTE基礎設施、頻譜和設備共存。LTE物聯網帶來諸多改進，包括降低複雜性支持更低成本設備、更節能的低功率模式實現多年電池續航和全新先進傳輸技術深化覆蓋面。除空口改進之外，LTE物聯網還增強核心網絡，更高效地處理以物聯網為中心的流量並支持大量設備。

NB-IoT也為窄帶5G奠定基礎，將帶來更多物聯網機會。5G將藉助新功能增強大規模物聯網，例如資源擴展多址接入(RSMA)支持免許可傳輸和多跳網狀網進一步擴展覆蓋面。5G也將藉助機器人、航空、醫療健康、工業控制和汽車等領域的許多創新使用場景支持新服務（例如關鍵任務控制），那些使用場景需要增強性能，例如1毫秒以下延遲、超高可靠性和可用性（但並非全部服務同時需要）。總而言之，連接物聯網將是5G下一個十年和未來的更強大統一連接平臺不可或缺的一部分。

迎接物聯網時代

物聯網(IoT)在廣義上描述物質實體網際網路概念，包括機器、汽車、樓宇和許多其他類型的設備。這些聯網「物體」將在家中、企業、城市和許多行業提供新服務。未來十年全球物聯網市場有望快速增長，預計到2020將有250-500億個聯網設備，在關鍵市場促進數萬億美元經濟增長。物聯網將遠遠不只是連接人和物，而是擴展現有網絡、讓機器和設備彼此協作，這樣它們能夠實現全新水平的效率。

連接物聯網將需要異構連接性

物聯網包括許多不同行業各種各樣的應用，設備能夠驅動非常多樣的計算與連接需求。在一些使用場景中，設備可能僅需短程通信連接網絡接入點，例如聯網家庭中部署的設備，同時許多其他應用需要更廣泛的普適覆蓋。在本質上，連接物聯網將需要異構連接技術提供不同層次的優化以滿足不同需求。圖1提供簡圖，按到達距離說明連接物聯網通常使用的不同無線技術。例如，辦公樓智能照明可能最適合採用短程無線技術，例如Wi-Fi，因為燈具通常部署在Wi-Fi合理覆蓋（即室內）的區域。相比之下，智慧城市中部署的停車計時器最可能採用廣域網。此類部署將需要能夠在戶外（例如路邊停車）和室內（例如停車樓）位置提供普適覆蓋的技術。

圖1：物聯網無線連接技術範例

蜂窩技術將支持範圍廣泛的物聯網服務

對於廣域物聯網，蜂窩技術不停地演進成，滿足日益增長的連接需求。蜂窩網絡已在全世界服務超過70億個連接，在所有地理區域的大多數都市、郊區和農村都有覆蓋。基於蜂窩的解決方案不僅提供戶外和室內位置，而且還具有許多其他優勢。高可用網絡設計支持物聯網設備全天候可靠地訪問應用服務；此外，行之有效的蜂窩部署已提供最嚴苛用戶（例如政府和金融機構）所需的端到端安全性。最重要的是，成熟生態系統，並有全球標準支持，確保跨區域和設備無縫地互聯互通。蜂窩技術將持續演進、向快速增長的物聯網市場提供更佳服務，到20255年物聯網/機器對機器(IoT/M2M)蜂窩連接總數預計超過50億。圖2提供一些能夠受益於採用基於蜂窩的解決方案的物聯網垂直行業和使用場景範例。

圖2：蜂窩物聯網在許多垂直行業市場支持範圍廣泛的服務

LTE是連接物聯網的可擴展統一平臺

LTE是全球確立和增長最快的無線標準，到2021年有望達到75%的世界人口覆蓋面。最初在3GPP標準第8版中引入LTE，開發宗旨是提供更快移動寬帶接入，較之3G實現代際性能飛躍。LTE核心技術隨時間推移長期演進，適應不斷變化的市場需求，確保網絡壽命。LTE升級版（3GPP第10、11、12版）持續演進，面向更佳移動寬帶體驗進行優化，引入先進技術支持千兆級吞吐量，例如載波聚合和更高階MIMO。一些物聯網應用能夠受益於LTE升級版中引入的改進（例如高清安防攝像頭），但許多物聯網設備需要針對一系列大幅精簡的功能進行優化。

圖3：LTE是能夠滿足廣泛連接需求的可擴展平臺

3GPP標準第13版引入一套面向物聯網優化的全新窄帶技術。統稱為LTE物聯網，它縮減LTE以便更高效地支持更低數據速率應用。LTE物聯網是LTE統一路線圖的一部分，提供在現有網絡部署中交付物聯網服務的無縫路徑；LTE能夠擴展以便向高性能應用提供千兆級數據速率，或面向需要高功率效率的應用進行縮減。

LTE蜂窩物聯網相較於非3GPP LPWA解決方案的優勢

隨著物聯網應用數量持續增長，預計將出現大量物聯網連接新技術。一些新技術（非3GPP）也能夠在一定程度上支持覆蓋需求，但較之3GPP標準化技術（例如eMTC和NB-IoT），它們在其他方面可能仍顯不足。

普適覆蓋：LTE物聯網利用現有LTE網絡，無需核心網重疊。迄今為止，已在160多個國家部署500多個LTE網絡，正在規劃更多未來部署。

可擴展性：LTE物聯網是統一平臺的一部分，能夠適應應用的性能需求。LTE能夠輕鬆擴展以支持需要高帶寬和低延遲的物聯網使用場景，縮減以面向低性能應用進行優化全都使用相同的網絡基礎設施。

共存：LTE物聯網兼容現有和規劃的LTE網絡與頻譜，與常規LTE流量共存，不幹擾其他設備或服務。

成熟生態系統：LTE物聯網有全球3GPP標準支持，有充實的5G路線圖。設備和網絡設計為跨不同廠商和區域互聯互通。

受管理服務質量(QoS)：LTE最重要的優勢之一是能夠利用授權頻譜，因為它允許網絡運營商通過分配網絡資源和管理並緩解幹擾與擁堵來保證服務質量。冗餘網絡設計還有助於確保服務可用性，最小化宕機時間。

端到端安全性：LTE物聯網將繼承LTE提供的既有/可信安全與認證特性，滿足許多高安全性應用的最嚴苛要求。

兩種全新LTE 物聯網窄帶技術eMTC和NB-IoT

3GPP第13版引入兩個帶來更高物聯網連接效率的全新用戶設備(UE)類別。

增強型機器類型通信(eMTC)標準定義的LTE Cat-M1提供最廣泛的物聯網功能，實現最高1 Mbps的數據速率，同時僅在現有LTE FDD/TDD頻譜中使用1.4 MHz設備帶寬（1.08 MHz帶內傳輸6個資源塊）。它設計為與常規LTE流量（Cat-0和以上）全面共存。Cat-M1也能夠支持語音(VoLTE)和完全到有限移動性。在增強型覆蓋模式中，它能夠實現15 dB鏈路預算提升，讓LTE信號穿透更多牆壁和樓層到達室內深處或偏遠位置部署的終端。

圖4：LTE物聯網Cat-M1和Cat-NB1設備

LTE Cat-NB1，或窄帶物聯網(NB-IoT)，進一步降低設備複雜性並擴展覆蓋面，應對低端物聯網使用場景需求。Cat-NB1利用窄帶工作，在LTE FDD中使用200 kHz設備帶寬（180 kHz帶內傳輸1個資源塊）實現數十kbps吞吐量。NB-IoT支持更靈活的部署選項：LTE帶內、LTE保護頻帶和獨立。為了進一步增強覆蓋，它權衡頻譜效率（例如數據速率）和功能（例如無移動性或語音支持），較之Cat-M1實現>5 dB額外增益。

全新LTE物聯網設備能夠與目前服務高效共存

Cat-M1和Cat-NB1都能夠在現有 _LTE升級版基礎設施和頻譜中部署，與目前移動寬帶服務高效地共存。Cat-M1使用1.4 MHz帶寬，利用現有LTE參數配置（vs.NB-IoT的200kHz新信道帶寬），能夠部署在常規LTE載波內（最多20MHz）工作。Cat-M1設備將利用傳統LTE同步信號（例如PSS（主同步信號）、SSS（輔同步信號）），同時引入對低帶寬工作來說更高效的控制和數據新信道。支持Cat-M1的LTE網絡能夠使用多個窄帶區，頻率重調支持可擴展資源配置，跳頻支持在整個LTE頻段分集。

圖5：Cat-M1 (eMTC)能夠在整個常規LTE頻段工作

Cat-NB1設備能夠在LTE保護頻帶內部署或除LTE帶內之外作為獨立載波部署。然而，新的200 kHz設備參數配置（利用單個LTE資源塊，或180 kHz RB）需要一組新的窄帶控制和數據信道。不同於Cat-M1帶內，Cat-NB1不允許頻率重調或跳頻並且佔有固定的頻譜位置。對於保護頻帶部署，NB-IoT利用未用資源塊，不幹擾鄰近載波。在獨立模式中，Cat-NB1設備能夠在重新劃分的2G/3G頻段內部署。

圖6：Cat-NB1(NB-IoT)靈活部署選項

全新物聯網優化型窄帶技術

全新LTE物聯網窄帶技術邁向窄帶5G之路，提出了四個主要領域的改進來更好地支持物聯網應用：降低複雜性、改進電池續航、增強覆蓋和支持更高節點密度部署。

降低複雜性，支持更低成本設備

物聯網擴散將為多種多樣的產業和應用帶來巨大優勢。許多物聯網使用場景有潛力促成媲美當今移動寬帶服務（例如智慧型手機、平板電腦）的更高每連接平均收入(ARPC)，但大多數使用場景將需要成本更低的設備和訂閱來證明大規模部署是合理的。例如，智慧型手機的硬體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設備將在技術複雜度上進行縮減以支持更低成本，同時仍滿足物聯網應用需求。圖7總結兩個全新LTE物聯網用戶設備類別的高級複雜性差異。

圖7：降低LTE物聯網設備複雜性

峰值數據速率：較之常規LTE設備（例如Cat-1），Cat-M1和Cat-NB1設備將降低峰值數據速率。Cat-M1有下行和上行方向最高1 MBps的有限吞吐量，同時Cat-NB1進一步將峰值數據速率降至數十kbps。降低峰值數據速率，支持在設備硬體中節省處理和內存。

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。對於LTE Cat-M1，設備帶寬限定為僅1.4 MHz（1.08 MHz外加用於帶內6個RB的保護頻帶），支持更低數據速率。另一方面，Cat-NB1將設備帶寬進一步降至200 kHz（180 kHz外加用於單個RB的保護頻帶）。Cat-M1帶寬降低，需要新控制信道（即M-PDCCH9）替代傳統控制信道（即PCFICH、PHICH、PDCCH10），後者在更窄帶寬中不再適合。同時對於Cat-NB1，引入一套新的NB-IoT同步、控制和數據信道適應更窄帶寬。 

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。但對於LTE物聯網應用，高數據速率相對而言沒有需求，但降低複雜性很重要。對於Cat-M1和Cat-NB1，將接收射頻降為單根天線，簡化射頻前端。儘管由於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：由於物聯網數據傳輸的低頻率和容遲性質，LTE物聯網設備能夠通過僅支持半雙工通信降低複雜性，給定時間僅發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。這讓設備實現更簡單的射頻交換而非更複雜和昂貴的全雙工。

發射功率：對於兩個全新LTE物聯網用戶設備類別 ，最大上行發射功率從LTE的23 dBm (200mW)降為20dBm (100mW)，支持集成功率放大器(PA)實現更低設備成本。

其他簡化：其他為了降低複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，實現多年電池續航

許多物聯網設備都是電池供電，單次充電支持儘可能長的續航時間非常必要。現場維護相關成本是很大的問題，尤其在大規模部署情況下更是如此。不僅定期維護計劃是營業費用，而且實際上定位這些行動裝置（例如資產跟蹤器分布在全世界）也可能變成噩夢。因此，最大化電池續航已變成LTE物聯網最重要的改進維度之一。除通過降低設備複雜性實現節電之外，已引入兩項全新低功耗增強特性：節電模式(PSM)和延長型非連續接收(eDRx兩項都適用於Cat-M1和Cat-NB1設備。

 

節電模式(PSM)：節電模式是讓設備跳過活躍數據傳輸之間的周期性尋呼監測循環的全新低功耗模式，讓設備休眠更長時間。然而，當節電模式激活時，設備變成無法訪問；因此，最好由設備發起網絡通信的設備端發起型應用或預定應用使用。此外，設備在節電模式期間仍保持網絡註冊，它支持更節能的低功耗模式進/出，在每次節電模式退出活動之後無需額外註冊/連接循環。可利用節電模式的範例應用包括定期向網絡推送數據的智能計量表、傳感器和任何物聯網設備。

延長型非連續接收(eDRx)：通過把連接模式中從網絡接收數據的最大時間延長到10.24秒並且把空閒模式中呼叫監測和跟蹤區更新之間的時間延長到40+分鐘，eDRx優化電池續航。它支持網絡和設備同步休眠期，這樣設備能夠不用頻繁地檢查網絡消息。但是，這增加延遲，因此面向設備終結型應用優化eDRx。資產跟蹤和智能電網等使用場景能夠受益於通過更長eDRx周期而實現的更低功耗。

圖8：PSM和eDRx優化設備電池續航

增強覆蓋，更好地支持挑戰性的位置部署

有許多物聯網使用場景能夠受益於更深網絡覆蓋，尤其對於在具挑戰性的位置部署的設備（例如公用事業計量表）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航。

圖9：先進技術將深化覆蓋

冗餘傳輸：在連續子幀（TTI綁定）中多次發射相同傳輸塊或在一段時間重複發送相同數據（重複傳輸），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（例如在新的參數配置中，Cat-NB1能夠在3.75 kHz子載波間隔上發射，vs. 在Cat-M1和LTE中15 kHz），有效地提高發射功率密度。

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， 平衡峰值數據速率（限定為數十kbps）。

更低階調製：使用QPSK而非16-QAM，信號與幹擾加噪聲比(SINR)限值顯著降低，平衡調製效率（更少比特/符號）。

藉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LTE提高+15dB。對於Cat-NB1，進一步提高到164dB。

優化LTE核心網絡，更高效地支持物聯網設備

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

更高效信令：新接入控制機制，例如擴展型接入限制(EAB)防止設備在網絡擁堵時生成接入請求，從而避免不必要的信令。網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錶可以集中配置、控制和計費。

簡化型核心網絡(EPC-lite)：能夠面向物聯網流量優化LTE核心網，支持更高效地使用資源並將移動管理實體(MME)、服務網關(S-GW)和分組數據網網關(P-GW)整合進單個EPC-lite。這樣，通過利用現有LTE核心網支撐LTE物聯網，運營商可以選擇進行優化，降低運營支出(OPEX)或最小化資本支出(CAPEX)。

交付端到端LTE物聯網平臺

為了讓LTE物聯網取得成功，整個生態系統都需要參與簡化LTE物聯網服務的總體部署與管理。在許多方面，該項工作已經開始。硬體製造商通過交付認證模塊加快設備開發，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。對於物聯網軟體開發，協議標準化將確保數據傳輸效率和廠商間互操作性；例如，oneM2M正推動通信協議標準化，實現更快產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網機會

5G將是連接新行業、支持新服務並營造新用戶體驗的更強大統一連接平臺。物聯網將是5G不可或缺的一部分，提供4G LTE無法支持的新型物聯網服務和效率。目前5G願景定義明確，2020年開始商用，它將進一步增強移動寬帶、更高效地支持大規模物聯網並且促成全新關鍵任務服務。下面圖10展示新一代5G網絡ITU-RIMT-2020願景。

圖10：IMT-2020關鍵功能增強

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升級專業版的一部分引入。NB-IoT將在3GPP第13版之外持續演進，離窄帶5G支持大規模物聯網更近一步。第14版的一些提議增強特性將包括但不限於語音/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。

為大規模物聯網帶來新功能

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物聯網支持更高節點密度的能力。資源擴展多址接入是異步、非正交和競爭式接入，將進一步降低設備複雜性和減少信令開銷，因為它支持「物體」無需事先網絡調度即可傳輸。

為了面向物聯網設備將網絡覆蓋面擴大到最極端的位置（例如超遠距離、地下深處），5G將支持多跳網狀網，讓覆蓋範圍之外的設備直接連接可向接入網回傳數據的設備。這從根本上創建無邊緣網絡，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核心網還將對接入覆蓋範圍內的設備和那些對等連接網狀網網絡支持的設備進行廣域網(WAN)管理。

圖11：5G新功能將支持大規模物聯網

支持關鍵任務控制物聯網服務

LTE物聯網高效地縮減，面向非頻繁和容遲通信進行優化；在滿足許多更低端物聯網應用（例如計量和傳感器）的同時，有一類物聯網應用需要更高性能。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高可用性以及不容妥協的穩健端到端安全性。5G關鍵任務控制設計考慮全部這些需求，無人機和工業機器人僅僅是驅動這些極端需求（但並非全部服務同時需要）的幾個創新使用場景。

全新5G網絡架構具有其他優勢

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

總結

物聯網助力智能聯網設備大規模湧現，將在許多行業支持新服務和效率。物聯網將在未來數年改造企業、改變人類生活方式並且促進創新。蜂窩技術將在向廣泛的物體提供連接性方面發揮重要作用；LTE正演進交付可擴展的統一物聯網平臺，帶來超過非3GPPLPWA解決方案的巨大優勢。它不僅通過既有全球網絡提供普適覆蓋，而且帶來無與倫比的可靠性、安全性和性能水平，這是要求最高的物聯網應用需要的。

LTE升級專業版正交付全新LTE物聯網窄帶技術，將降低複雜性、延長電池續航、深化覆蓋並且支持高節點密度部署。在3GPP標準第13版中，LTE物聯網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網通信。Cat-M1將提供最廣泛的物聯網功能，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物聯網窄帶技術之上構建，5G將帶來更多物聯網機會。窄帶5G將藉助新功能增強大規模物聯網，例如資源擴展多址接入(RSMA)支持免許可傳輸和多跳網狀網進一步擴展覆蓋面。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可靠性、服務可用性和端到端安全性。全新靈活網絡架構也將支持在下一代5G網絡上託管的全部服務具有卓越性能和效率。總之，連接物聯網將是5G下一個十年和未來更強大統一連接平臺不可或缺的一部分。