NB-IoT和eMTC让物联网进入4G网络时代

NB-IoT and eMTC Make 4G Networks Ready for the Internet of Things

Jörg Köpp

罗德与施瓦茨公司，德国慕尼黑

当前物联网（IoT）的大多数设备彼此之间，以及这些设备与云端应用之间的通信通常采用传统的机对机（M2M）无线通信技术。然而要求全球覆盖及移动性的某些应用，将会采用蜂窝技术。当前，主要采用2G和3G网络，但未来属于诸如增强型机器通信（eMTC）和窄带IoT（NB-IoT）等新技术。借助这些技术，移动运营商可以获得更大的无线IoT市场份额。

例如省电模式（PSM）、扩展不连续接收周期（eDRX）和增强覆盖（CE）等功能，可根据IoT应用的不同需求，对无线接口进行调整。为了满足性能和可用性方面的全部要求，所有通信层（物理层、信令层、IP层和应用层）必须相互协调地工作。因此，必须增强端到端的应用测试功能，以优化电源消耗和反应时间等指标。

高移动性和广覆盖的IoT应用利用了卫星技术或蜂窝移动无线电技术。目前，约86%的蜂窝IoT设备采用了第二或第三代移动网络¹。典型应用包括船队管理、集装箱跟踪、咖啡自动售卖机、ATM银行业务和个人健康监控等。这些应用中的绝大多数应用产生的数据流量很小，通常只需要SMS短信服务来传输这些数据即可。图1给出了M2M蜂窝连接的年预期增长率。

▲图1  M2M蜂窝连接的增长趋势。 图片来源：Cisco¹

第四代移动通信目前尚未在物联网领域成为主流。由于LTE主要是针对移动带宽市场优化的，因此，IoT对4G技术的需求很小。此外，相较于GSM数据卡，典型的LTE数据卡的成本仍偏高，且2G/3G网络的全球覆盖率仍遥遥领先。然而，LTE的某些方面正在不断地增强该技术的吸引力。其中之一即全球覆盖：根据GSMA的数据，4G LTE网络在2015年末覆盖了超过三分之一的全球人口；至2020年，发达国家预期达到“完全”覆盖。

在频谱利用率、延迟和数据吞吐率等方面，LTE具备额外的技术优势。LTE的长期可用性则是另一个考虑因素。第二代网络已经运营了25年以上，即使其技术规范中引入了某些未来发展可能性，运营商还是有可能关闭这些网络。因此，该领域正在寻找在成本、功耗和性能等方面比目前的2G解决方案更具竞争实力的LTE解决方案。

3GPP标准在IoT方面的进展

3GPP标准化委员会同样认识到IoT市场对优化解决方案的需求，并对机器类通信做了特定的强化处理。例如，该委员会在Rel.10/11中定义了相关功能，以防止移动网络过载。网络运营商必须应对数千个设备试图同时接入网络的可能性。出现例如电网断电后电力恢复等突发性事件时，可能出现这种情况。过载机制和信令流量减小等技术的引入正是为了处理这类事件的发生。许多IoT应用（例如传感器网络）很少发送数据，且更新速率无需精确到秒。这些设备可能通知网络它们可以接受连接建立期间的较长延迟（延迟容忍接入）。

Rel.10包含一个流程。该流程允许网络先拒绝这些设备的连接请求，并延迟到稍后的某个时间再处理这些设备（延长等待时间）。随着Rel.11的推出，可以采用接入等级机制，对蜂窝网络的接入进行控制。采用这种技术时，当且仅当网络为某个设备分配了当前容许的某个等级，该设备才可以建立（至该网络的）连接。网络会发送一种位图，即扩展访问限制（eab）位图，并通过该位图识别允许接入的等级。Rel.10和11中引入的这些流程可以确保IoT应用的运行可靠性和稳定性，以及蜂窝网络中当前和今后的设备不会对移动宽带服务产生危害性影响。

低成本、低功耗设备

对于用来解决低数据流量、低功耗和低成本等需求的IoT设备来说，目前仍缺乏优化解决方案。该委员会在Rel.12中开始关注这些问题。人们很快会明白，对于各种应用，这类问题的解决不存在单一的简单解决方案。例如集装箱跟踪、垃圾箱管理、智能电表、农用传感器以及运动和人身健康跟踪器等应用的需求呈现出极大的差异性。因此，Rel.12集中关注功耗更小的经济型调制解调器。定义了省电模式（PSM，对于采用电池供电的设备来说，尤其重要）和新的LTE设备等级0，其复杂性只有LTE 1类调制解调器的一半。其原则是牺牲某些功能，以减小硬件复杂性，从而实现低成本设计和高能效运行。

该PSM流程在数据链路中断后或周期跟踪区更新（TAU）过程结束后启动（见图2）。设备会先进入空闲模式；此后，周期性地切换到接收模式，以接收消息（不连续接收）。因此，通过寻呼操作仍然可以访问该设备。定时器T3324超时后，将进入省电模式。进入该模式后，设备应该保持在网络注册状态而始终处于消息发送就绪状态。

▲图2  PSM和扩展eDRX

但是，接收器实际上被关机，故通过寻呼操作不能访问到该设备。因此，PSM适用于仅向网络发送少量数据的传感器网络。该模式不适用于要求传感器给出快速响应或者实时性高的应用。使用了PSM的应用，必须容许这种行为特性，且其设计过程必须考虑空闲模式和节电模式最优定时器值的选择。

LTE等级0的引入，其最初意图是显著减小IoT市场中LTE调制解调器的成本。为此，通过将所支持的数据传输率下调至1Mbps减小调制解调器的复杂性。这将处理器和存储器容量等方面的需求降低至最小程度。制造商还可以弃用全双工模式（即同时接收和发送）和多天线设计。其结果是，这类设备不需要双工滤波器。LTE等级0是Rel.13中引入的LTE M1等级的一个过渡性阶段。借助M1等级，推出了其它更多成本削减措施，尤其是减小上行和下行链路的带宽、减小数据传输率和发射功率等。

与LTE M1等级同步推出了名为NB-IoT的新标准。该标准的需求模式包括极低功耗、极低成本、楼宇内增强型接收效果和利用极小数据流量支持大量设备。NB-IoT的带宽仅180kHz，可采用未用LTE带内资源块、相邻LTE载波（保护频带）之间的空闲频谱或独立频谱（例如未用GSM载波中的独立频谱）进行部署。借助NB-IoT，3GPP创建了一种全新的蜂窝空中接口。该接口完全符合典型机器通信的要求。表1简要列出了符合不同IoT应用需求的不同LTE终端等级。

其它特点，例如，降低功耗等，也已经实现。借助eDRX扩展了连接模式或空闲模式中的时隙；调制解调器可以进入接收模式以接收呼叫信息和系统状态信息。DRX定时器决定该操作的出现频率。目前，空闲DRX定时器的最短时间间隔为2.56秒。对于预期每15分钟才接收一次数据且延时要求较宽松的设备来说，该频度已经够高了。

PSM和eDRX间的主要差别在于允许设备驻留在某种掉电模式的时间长度和至接收模式的切换流程。采用PSM模式的设备，必须先进入Active模式，以接收数据，再在空闲模式驻留一段特定长度的时间。采用eDRX的设备可以驻留在空闲模式；无需任何信令，即可快速进入接收模式。

例如，某个设备可能期望收到来自服务器的、频度极小的自发性消息（例如每天一条），但应用要求在不超过10分钟的时间内给出应答。如果该设备采用PSM，则它必须至少以10分钟的间隔时间执行离开PSM模式、完成一次TAU，在空闲模式驻留一段短时间等操作。然而，若使用eDRX，该设备仅需每10分钟进入接收模式一次：这种方式的功耗更小；产生的信令开销更低。对于每天仅发送一次数据、且在除此之外的其它时段无需进行通信的传感器设备，PSM的节电功能可能是最合适的。某些情况下，在连接模式、空闲模式和节电模式中组合运用例如eDRX等的多种节电功能可能更为明智。

值得指出的是，在eMTC和NB-IoT中引入了某些覆盖增强功能，以覆盖例如安装在地窖中的智能电表等应用。其中的一个原理是冗余传输，例如，根据实际覆盖条件在一段时间里重复发送同样的数据。但是，多次发送相同数据显然会占用更长时间，且最终影响总功耗。如图3所示，设计所定义的一组参数会影响设备电池的使用寿命，某些场合下，这些参数取决于网络配置或实际网络条件。

▲图3  设备电池工作寿命的影响参数

端到端应用测试

基于应用的通信行为和参数的相关假设，从理论上计算电池的使用寿命是一个良好的起点。但实际中的应用行为可能差异极大且其行为特性还可能随着实际情况的改变而改变。例如，某个传感器当且仅当达到某个阈值时才会报告其实际值。但是，只要传感器的值大于该阈值，传感器会不断地给出周期性报告。一般情况下，端到端应用的整体性通信行为特性，包括通信触发器（客户端发起、服务器发起、周期性的）、延时要求、网络配置、数据吞吐率或移动性要求等，都必须予以考虑（见图4）。

▲图4  需要考虑的端到端因素。

PSM和eDRX的特性呈现稍许差异，但可以帮助实现电池使用寿命方面的要求。设备和应用开发人员面临的问题是：如何最高效地利用这些工具。这要求深入地理解功耗的全部影响因素并对其进行分析。首先要考虑设备上和服务器侧运行的应用，且包括移动网络的行为特性和IP网络的特性。

上述因素是对诸如RF性能、电池功耗、协议行为和应用性能等参数进行评估的动因。总体上，该工作首先要基于通信模型选择不同功能和不同参数进行详尽分析；且在良好受控的、仿真及实际的网络条件下进行结果的验证，验证结果对指导该工作非常有用。它不仅检测模型假设，而且还揭示非理想网络条件的影响作用。还可对网络不支持某个功能情形或使用不同定时器的情形进行检验。归根到底，可以更好地理解整个应用的行为特性。

独特的测试解决方案

对于端到端的应用，测试、检验和优化等方面的需求越来越多；且这些需求正在不断超出纯粹的RF测试和协议测试范畴。测试和测量设备制造商正在解决这类要求。例如，罗德和施瓦茨基于R&S CMW500/290综合无线测试平台和R&S CMWrun远程控制软件工具提供了一种解决方案。它允许在一个平台上实现与不同参数相关的详细测试。这些参数有移动信令流量、IP数据流量或功耗等。在实际网络中，很难可靠地重现和测试端到端的应用需求。但是，该测试平台可对无线通信系统和IP数据吞吐率同时进行仿真、参数设置和分析。

采用程控工具CMWrun可以直接配置测试脚本，且使用者不需要仪表远程控制方面的任何特定编程知识。对于参数配置和测试容限等工作，它还提供了全方位的灵活性。该解决方案的一个关键优势在于：用户可直观地对应用和来自信令或IP活动的通用事件标记进行组合和使用。

例如，在端到端应用测试中，同步的多条曲线可以显示当前流量和IP数据吞吐率。分析期间，用来指示信令事件或IP状态更新信息的同步事件标记会显示在两个图上。这确保可以达到更高测试级别，以便用户查看信令或IP事件对当前数据流和IP吞吐率的影响作用。这有助于理解应用参数之间的依赖关系以及如何优化这些参数。

首先用户可以仅仅查看综合通信行为，例如IP连接数量、发送的消息，或者，通信和信令事件。下一步，它还可让用户查看不同活动状态、eDRX或PSM状态下的功耗水平。进而，它还可用来帮助调节eDRX或PSM的相关参数，甚至调节应用特性。最后要指出的是，它可以帮助完成反映实际情况的不同场景的分析。综上，为了满足例如电池使用寿命长达10年的苛刻型应用需求，端到端（E2E）应用测试技术正变得越来越重要。

参考文献

1. Cisco Visual Network Index 2016 Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2015–2020 White Paper.