1、引言

自“智慧地球”提出以來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)的概念迅速在全球范圍內(nèi)被認(rèn)可，成為新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的核心驅(qū)動(dòng)力之一。物聯(lián)網(wǎng)不僅僅是簡(jiǎn)單的海量物體接入，更是辦公，交通，醫(yī)療，娛樂(lè)等多種垂直行業(yè)價(jià)值鏈等資源要素的高度融和。據(jù)Gartner的2016年報(bào)告預(yù)測(cè)，到2020年全球聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量將達(dá)到260億臺(tái)，其中物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備達(dá)到160億臺(tái)，其市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1.9萬(wàn)億美元。而其中低流量，低功耗，低成本的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將占據(jù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備總量的90%左右。2015年，全球通信產(chǎn)業(yè)對(duì)于低功耗廣域覆蓋（LPWA：Low Power Wide Area）的物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景達(dá)成共識(shí)，3GPP也正式啟動(dòng)NB-IoT的相關(guān)研究工作。

2、3GPP物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化概述

在NB-IoT提出之前，業(yè)界已經(jīng)啟動(dòng)了機(jī)器類(lèi)通信的研究。而在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，低功耗，廣覆蓋，低成本，低速率的LPWAN技術(shù)將涵蓋大部分物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)模型。因此面向LPWAN場(chǎng)景下的物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)成為蜂窩及非蜂窩物聯(lián)通信重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域。

在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)方面，3GPP一直努力推動(dòng)相關(guān)機(jī)器類(lèi)通信（MTC）技術(shù)的發(fā)展，且主要集中在兩個(gè)方向上，如圖1所示。

圖1、3GPP Rel-13中IoT相關(guān)項(xiàng)目關(guān)系簡(jiǎn)圖

一方面，在LTE及LTE-A演進(jìn)階段，3GPP定義了許多不同的終端類(lèi)型，從而適應(yīng)不同場(chǎng)景不同業(yè)務(wù)下的物聯(lián)網(wǎng)終端需求。在Rel-8版本中，從速率的角度定義了Category1~5的終端類(lèi)型。在之后的版本演進(jìn)中，不僅制定了支持高帶寬，高速率的Category6，Category9等終端類(lèi)型，同時(shí)也定義了更低成本，支持更低功耗的Category0終端類(lèi)型。但考慮到Category0技術(shù)需要對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造，升級(jí)成本與終端收益并不高，因此其被普遍商用的可能性不高，更多被認(rèn)為是一種過(guò)渡。因此3GPP于2014年成立Cat.M工作組。目前Cat.M核心標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)凍結(jié)。

另一方面3GPP基于窄帶傳輸?shù)乃悸罚懻撈溲葸M(jìn)和全新接入技術(shù)的研究。長(zhǎng)期以來(lái)，運(yùn)營(yíng)商的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)主要依靠成本低廉的GPRS模塊提供物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間通信需求。但近幾年由于LoRa，Sigfox等基于非蜂窩的新型物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，對(duì)于GPRS模塊在成本，功耗和覆蓋等方面有較大沖擊。因此3GPP在GERAN #62會(huì)議上成立新的SI，希望可以支持更低成本，更低功耗，更強(qiáng)覆蓋等特性。而NB-IoT正是基于第二種思路提出的一種新的傳輸方案。在時(shí)延不敏感，移動(dòng)性需求不高的LPWAN場(chǎng)景下，NB-IoT技術(shù)在續(xù)航、覆蓋方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，無(wú)疑更得到各方關(guān)注。

3、NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)化情況

3.1 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化情況

2014年，3GPP在GERAN組“FS-IoT_LC”的SI項(xiàng)目中在初始階段主要由3項(xiàng)技術(shù)被提出。分別是擴(kuò)展覆蓋GSM技術(shù)EC-GSM，由華為，高通主導(dǎo)的NB-CIoT，以及由愛(ài)立信，中興主導(dǎo)的NB-LTE。

CIoT作為GERAN#62次會(huì)議立項(xiàng)的SI課題，主要針對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)對(duì)面向物聯(lián)網(wǎng)終端的技術(shù)演進(jìn)。該立項(xiàng)課題得到華為、諾基亞、沃達(dá)豐、中國(guó)移動(dòng)、Orange和Telecom Italy等公司支持。其主要研究目標(biāo)有：

· 增強(qiáng)覆蓋（相比傳統(tǒng)GPRS覆蓋增強(qiáng)20dB，MCL目標(biāo)要求164dBm）
· 支持大量低速率終端設(shè)備接入
· 低成本設(shè)備
· 低功耗（電池壽命達(dá)10年）
· 支持上下行傳輸
· 盡量小的網(wǎng)絡(luò)改動(dòng)

該SI工作中，啟動(dòng)窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)研究，并最終形成了基于GSM的技術(shù)演進(jìn)和全新的技術(shù)方案研究報(bào)告TR45.820。主要提及3項(xiàng)技術(shù)，分別為：擴(kuò)展覆蓋GSM技術(shù)EC-GSM，由華為，高通主導(dǎo)的NB-CIoT，以及由愛(ài)立信，中興主導(dǎo)的NB-LTE。NB-CIoT提出了全新的空口技術(shù)，相對(duì)于現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)上改動(dòng)較大。網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的代價(jià)帶來(lái)NB-CIoT性能上的提高，可以全部滿(mǎn)足TSG GERAN會(huì)議所提出的5項(xiàng)性能目標(biāo)（提升室內(nèi)覆蓋，支持大規(guī)模設(shè)備連接，減小設(shè)備復(fù)雜度，減小功耗和時(shí)延）。而另一方面NB-LTE技術(shù)與NB-CIoT定位相似但更傾向于對(duì)兼容現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)，在部署上更簡(jiǎn)單。因此，在RAN#69次會(huì)議上，經(jīng)過(guò)激烈討論，各方最終達(dá)成一致，將NB-CIoT和NB-LTE兩個(gè)技術(shù)方案進(jìn)行融和形成NB-IoT，作為RAN工作組基于LTE的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)演進(jìn)方案，正式進(jìn)行立項(xiàng)。對(duì)NB-IoT的能力提出具體的指標(biāo)要求：

· 深度覆蓋，NB-IoT比現(xiàn)有GPRS網(wǎng)絡(luò)提升20dB；
· 支持單用戶(hù)上下行至少160bps，覆蓋面積擴(kuò)大100倍；
· 具備支撐海量連接能力，一個(gè)NB-IoT扇區(qū)可支持5萬(wàn)個(gè)連接；
· 更低功耗，5Wh的電池可供終端使用10年；
· 時(shí)延上更靈活，對(duì)某些應(yīng)用，上行的時(shí)延可放寬到10s。

考慮到未來(lái)GSM退網(wǎng)，以及頻譜資源等因素，EC-GSM方案作為Rel-13的GSM技術(shù)演進(jìn)方案，EC-GSM技術(shù)僅會(huì)在某些特殊場(chǎng)景，如無(wú)法建設(shè)NB-IoT等場(chǎng)景中采用。

圖2、NB-IoT技術(shù)演進(jìn)路線(xiàn)

NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)提主要可分為Core Part（核心部分），性能標(biāo)準(zhǔn)及一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)等。其中核心部分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的是協(xié)議的具體內(nèi)容，包括信令協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)接入等，主要與開(kāi)發(fā)相關(guān)。性能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了各子技術(shù)領(lǐng)域的性能，同測(cè)試相關(guān)。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)。目前NB-IoT的Rel-13版本核心標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)凍結(jié)。

一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是有3GPP RAN5工作組制定，RAN5的終端一致性測(cè)試子工作組（NB_IoT-UEConTest）根據(jù)運(yùn)營(yíng)商和終端廠商溝通情況，將相關(guān)測(cè)試?yán)齼?yōu)先級(jí)分為兩個(gè)階段，即Phase1和Phase2。目前Phase 1僅遺留少部分工作尚未完成，Phase 2也的工作也在持續(xù)推進(jìn)。具體參照表1。

表1、RAN5工作組進(jìn)度圖

在2016年6月RAN#72次會(huì)議上，由Vodafone, Huawei, HI Silicon, Ericsson和Qualcomm聯(lián)合提出了新的WI，即Enhancements of NB-IoT（Rel-14版本）。Rel-14版本的NB-IoT是對(duì)Rel-13版本的增強(qiáng)，同時(shí)保持現(xiàn)有NB-IoT的低成本、低復(fù)雜度、容量和覆蓋能力。

Rel-14版本的NB-IoT的增強(qiáng)功能包括：

· 定位：改進(jìn)Rel-13版本不支持定位的缺點(diǎn)
· 移動(dòng)性增強(qiáng)：改進(jìn)Rel-13版本的弱移動(dòng)性缺點(diǎn)
· 組播：用于UE（嵌入式芯片ROM）軟件升級(jí)、消息群發(fā)等
· 新功率等級(jí)：MCL能適當(dāng)放寬前提下，使用更低功率級(jí)別（14dBm）

3.2 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化情況

國(guó)內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)潛力巨大，但當(dāng)前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)缺乏統(tǒng)一，造成了物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)嚴(yán)重的碎片化，需要盡快展開(kāi)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作。一方面滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)發(fā)展要求，協(xié)助運(yùn)營(yíng)商轉(zhuǎn)型。另一方面，也能進(jìn)一步推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)主要有中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）和電信終端產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（TAF）在進(jìn)行NB-IoT及物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。其中中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)依托3GPP的現(xiàn)有框架，對(duì)面向物聯(lián)網(wǎng)的蜂窩窄帶接入的技術(shù)方法，測(cè)試方法等開(kāi)展工作。電信終端產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)則以行業(yè)為依托，以通信與垂直行業(yè)融和為基礎(chǔ)，完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系及內(nèi)容。

3.2.1 國(guó)內(nèi)行業(yè)進(jìn)展

電信終端產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)，于2017年開(kāi)始蜂窩窄帶物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作。考慮到產(chǎn)業(yè)鏈中物聯(lián)網(wǎng)模塊企業(yè)眾多，物聯(lián)網(wǎng)模塊形態(tài)各異，各廠家采用指令集亦不相同等情況，TAF在國(guó)內(nèi)首個(gè)完成物聯(lián)網(wǎng)模塊協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)。目前TAF協(xié)會(huì)具體工作進(jìn)展如下：

表2、TAF蜂窩窄帶接入標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展情況

在TAF蜂窩窄帶物聯(lián)網(wǎng)模組的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，全面參考和綜合來(lái)自各芯片、模組、終端、行業(yè)應(yīng)用提供商及運(yùn)營(yíng)商意見(jiàn)，對(duì)NB-IoT模組進(jìn)行相關(guān)定義，完成了NB-IoT模組標(biāo)準(zhǔn)的第一階段。隨著技術(shù)的發(fā)展，后面會(huì)更有針對(duì)性的制定第二階段的標(biāo)準(zhǔn)。面向窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）模組系列規(guī)范主要涉及如下相關(guān)內(nèi)容：

- 外形尺寸與封裝
- 工作頻段
- 工作環(huán)境（溫度及電壓）
- 接口
- 發(fā)射功率
- 功耗
- 管腳功能
- AT命令等方面進(jìn)行

3.2.2 CCSA標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面，CCSA于2016年開(kāi)始相關(guān)工作。目前完成報(bào)批稿7項(xiàng)，送審稿2項(xiàng)，具體如下。

表3、CCSA蜂窩窄帶接入標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展情況

在CCSA蜂窩窄帶接入的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，終端測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)基本沿用原LTE移動(dòng)終端標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)。在傳統(tǒng)RF、協(xié)議、RRM保持和3GPP一致，在業(yè)務(wù)功能方面做了簡(jiǎn)化，而在互聯(lián)互通方面，基于NB-IoT終端工作特點(diǎn)，進(jìn)行了全新的考慮。

4、NB-IoT終端測(cè)試驗(yàn)證及后續(xù)發(fā)展

4.1 GCF終端測(cè)試驗(yàn)證現(xiàn)狀

GCF已啟動(dòng)NB-IoT的驗(yàn)證和認(rèn)證工作。NB-IoT射頻（RF）、無(wú)線(xiàn)資源管理（RRM）和協(xié)議工作組分別為WI-259、WI-258和WI-257。與3GPP類(lèi)似，GCF也將相關(guān)測(cè)試?yán)?yàn)證工作分為優(yōu)先級(jí)1和優(yōu)先級(jí)2兩階段。其中射頻相關(guān)測(cè)試?yán)栩?yàn)證30條，P1有10條，P2有20條。無(wú)線(xiàn)資源管理測(cè)試?yán)?2條，P1階段有6條，P2階段有6條。協(xié)議測(cè)試?yán)篁?yàn)證73條，P1需要驗(yàn)證17條，P2需要驗(yàn)證56條。目前儀表平臺(tái)驗(yàn)證工作正在穩(wěn)步進(jìn)行中，大部分工作集中在協(xié)議和射頻測(cè)試例驗(yàn)證。無(wú)線(xiàn)資源管理部分尚未有廠商提交測(cè)試?yán)?yàn)證。截止到2017年4月初，根據(jù)GCF官方驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)，各儀表廠商驗(yàn)證情況如下：

表4、GCF各平臺(tái)測(cè)試驗(yàn)證進(jìn)展

4.2 NB-IoT行業(yè)測(cè)試驗(yàn)證發(fā)展趨勢(shì)

NB-IoT作為L(zhǎng)PWAN的一種重要技術(shù)，具備明顯的技術(shù)和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。目前全球運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)意識(shí)到物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的巨大潛力，并且開(kāi)始積極開(kāi)展業(yè)務(wù)演示和測(cè)試。目前國(guó)內(nèi)NB-IoT產(chǎn)業(yè)主要集中在如抄表，停車(chē)，資產(chǎn)追蹤，交通和農(nóng)業(yè)等垂直行業(yè)方面。對(duì)于傳統(tǒng)的通信功能（射頻，協(xié)議部分），芯片企業(yè)、終端企業(yè)可以依照現(xiàn)有LTE的標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試架構(gòu)進(jìn)行研發(fā)和測(cè)試，屬于比較完善的方案架構(gòu)體系。而在垂直行業(yè)方面，不同行業(yè)對(duì)于功耗、業(yè)務(wù)、工作環(huán)境等方面的要求不盡相同，目前面向垂直行業(yè)的測(cè)試驗(yàn)證體系及方案尚不夠完善。

TAF協(xié)會(huì)針對(duì)產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的問(wèn)題“功耗”和“互聯(lián)互通”，做了針對(duì)性的立項(xiàng)進(jìn)行研究，對(duì)測(cè)試維度及測(cè)試方法進(jìn)行調(diào)研與研究。利用TAF及其成員的生態(tài)圈，面向垂直行業(yè)進(jìn)行調(diào)研，收集行業(yè)的業(yè)務(wù)邏輯及應(yīng)用場(chǎng)景；在TAF工作組會(huì)議上發(fā)揮運(yùn)營(yíng)商、芯片－模組－終端的產(chǎn)業(yè)鏈各方力量，從“管”和“端”兩個(gè)層面充分研究“云”所需的應(yīng)用場(chǎng)景與業(yè)務(wù)邏輯；進(jìn)而將傳統(tǒng)通信領(lǐng)域的功耗測(cè)試和兼容性測(cè)試向“云”、“管”、“端”協(xié)作演進(jìn)，打造通信與垂直行業(yè)融合的測(cè)試方案體系。

在測(cè)試解決方案方面，不同垂直行業(yè)對(duì)無(wú)線(xiàn)接入環(huán)境以及物理工作環(huán)境要求不一，業(yè)務(wù)邏輯和業(yè)務(wù)特征呈現(xiàn)明顯發(fā)散態(tài)勢(shì)。單一的通信測(cè)試驗(yàn)證解決方案對(duì)垂直行業(yè)的參考意義有所下降。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶來(lái)垂直行業(yè)和通信業(yè)的新融和，進(jìn)而催生出垂直行業(yè)對(duì)于基于業(yè)務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)通信終端/模組測(cè)試的新需求。面向不同垂直行業(yè)，打造通用型的測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)，成為后續(xù)檢測(cè)驗(yàn)證的可能發(fā)展方向之一。

5、結(jié)論

本文首先從物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系入手，介紹了NB-IoT在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織中的來(lái)歷和現(xiàn)狀。進(jìn)而，結(jié)合國(guó)內(nèi)行業(yè)特點(diǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化組織在NB-IoT方面的標(biāo)準(zhǔn)工作情況進(jìn)行了介紹。其次對(duì)于目前NB-IoT的終端測(cè)試驗(yàn)證進(jìn)展和相關(guān)認(rèn)證組織的工作情況進(jìn)行了簡(jiǎn)單梳理。最后對(duì)于NB-IoT相關(guān)測(cè)試驗(yàn)證發(fā)展趨勢(shì)給出了一些建議。

作者：中國(guó)信息通信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室 蘇賡、劉笛、果敢

參考文獻(xiàn)：

[1] RP-151621. New Work Item：Narrowband IoT（NB-IoT），Qualcomm Incorporated[R]. 2015
[2] 3GPP TR 23.720 V13. Study on architecture enhancement for Cellular Internet of Things.
[3] 3GPP TR 45.820 V13.1.0 Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput Internet of Things (CIoT). 2015.
[4] 3GPP TR 36.888 V12.0.0. Study on provision of low-cost Machine-Type-Communications (MTC) User Equipment (UE) based on LTE. 2013
[5] Wang E, Lin X Q, Adhikary A, A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things (NB-IoT),2016
[6] 3rd Generation Partnership Project. Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network; Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput Internet of Things (CIoT)(Release 13).
[7] 3GPP TR 36.802. Narrowband Internet of Things (NB-IoT); Technical Report for BS and UE radio transmission and reception (Relase 13). 2016
[8] Ksentini A, Hadjadj-Aoul Y, Taleb T. Cellular-based Machine-to-Machine (M2M): Overload Control, IEEE Network, 2012,26(6):54-60
[9] 戴博，袁戈非，余媛芳，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）標(biāo)準(zhǔn)與關(guān)鍵技術(shù)，人民郵電出版社，2016
[10] 戴國(guó)華，余駿華，NB-IoT的產(chǎn)生別經(jīng)、比餓哦準(zhǔn)發(fā)展以及特性和業(yè)務(wù)研究，移動(dòng)通信，2016，40（7）：31-36
[11] 王曉周，藺琳，肖子玉，NB-IoT技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化及發(fā)展趨勢(shì)研究，現(xiàn)代電信可以寄，2016,46（6）：5-12