1、引言

自“智慧地球”提出以來，物聯網的概念迅速在全球范圍內被認可，成為新一輪科技革命與產業變革的核心驅動力之一。物聯網不僅僅是簡單的海量物體接入，更是辦公，交通，醫療，娛樂等多種垂直行業價值鏈等資源要素的高度融和。據Gartner的2016年報告預測，到2020年全球聯網設備數量將達到260億臺，其中物聯網接入設備達到160億臺，其市場規模將達到1.9萬億美元。而其中低流量，低功耗，低成本的物聯網設備將占據物聯網設備總量的90%左右。2015年，全球通信產業對于低功耗廣域覆蓋（LPWA：Low Power Wide Area）的物聯網場景達成共識，3GPP也正式啟動NB-IoT的相關研究工作。

2、3GPP物聯網標準化概述

在NB-IoT提出之前，業界已經啟動了機器類通信的研究。而在物聯網領域，低功耗，廣覆蓋，低成本，低速率的LPWAN技術將涵蓋大部分物聯網業務模型。因此面向LPWAN場景下的物聯網接入技術成為蜂窩及非蜂窩物聯通信重點關注領域。

在國際標準方面，3GPP一直努力推動相關機器類通信（MTC）技術的發展，且主要集中在兩個方向上，如圖1所示。

圖1、3GPP Rel-13中IoT相關項目關系簡圖

一方面，在LTE及LTE-A演進階段，3GPP定義了許多不同的終端類型，從而適應不同場景不同業務下的物聯網終端需求。在Rel-8版本中，從速率的角度定義了Category1~5的終端類型。在之后的版本演進中，不僅制定了支持高帶寬，高速率的Category6，Category9等終端類型，同時也定義了更低成本，支持更低功耗的Category0終端類型。但考慮到Category0技術需要對現有網絡進行改造，升級成本與終端收益并不高，因此其被普遍商用的可能性不高，更多被認為是一種過渡。因此3GPP于2014年成立Cat.M工作組。目前Cat.M核心標準已經凍結。

另一方面3GPP基于窄帶傳輸的思路，討論其演進和全新接入技術的研究。長期以來，運營商的物聯網業務主要依靠成本低廉的GPRS模塊提供物聯網設備間通信需求。但近幾年由于LoRa，Sigfox等基于非蜂窩的新型物聯網技術的出現，對于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會議上成立新的SI，希望可以支持更低成本，更低功耗，更強覆蓋等特性。而NB-IoT正是基于第二種思路提出的一種新的傳輸方案。在時延不敏感，移動性需求不高的LPWAN場景下，NB-IoT技術在續航、覆蓋方面的技術優勢，無疑更得到各方關注。

3、NB-IoT標準化情況

3.1 國際標準化情況

2014年，3GPP在GERAN組“FS-IoT_LC”的SI項目中在初始階段主要由3項技術被提出。分別是擴展覆蓋GSM技術EC-GSM，由華為，高通主導的NB-CIoT，以及由愛立信，中興主導的NB-LTE。

CIoT作為GERAN#62次會議立項的SI課題，主要針對蜂窩網絡對面向物聯網終端的技術演進。該立項課題得到華為、諾基亞、沃達豐、中國移動、Orange和Telecom Italy等公司支持。其主要研究目標有：

· 增強覆蓋（相比傳統GPRS覆蓋增強20dB，MCL目標要求164dBm）
· 支持大量低速率終端設備接入
· 低成本設備
· 低功耗（電池壽命達10年）
· 支持上下行傳輸
· 盡量小的網絡改動

該SI工作中，啟動窄帶蜂窩物聯網研究，并最終形成了基于GSM的技術演進和全新的技術方案研究報告TR45.820。主要提及3項技術，分別為：擴展覆蓋GSM技術EC-GSM，由華為，高通主導的NB-CIoT，以及由愛立信，中興主導的NB-LTE。NB-CIoT提出了全新的空口技術，相對于現有LTE網絡上改動較大。網絡升級的代價帶來NB-CIoT性能上的提高，可以全部滿足TSG GERAN會議所提出的5項性能目標（提升室內覆蓋，支持大規模設備連接，減小設備復雜度，減小功耗和時延）。而另一方面NB-LTE技術與NB-CIoT定位相似但更傾向于對兼容現有LTE網絡，在部署上更簡單。因此，在RAN#69次會議上，經過激烈討論，各方最終達成一致，將NB-CIoT和NB-LTE兩個技術方案進行融和形成NB-IoT，作為RAN工作組基于LTE的蜂窩物聯網技術演進方案，正式進行立項。對NB-IoT的能力提出具體的指標要求：

· 深度覆蓋，NB-IoT比現有GPRS網絡提升20dB；
· 支持單用戶上下行至少160bps，覆蓋面積擴大100倍；
· 具備支撐海量連接能力，一個NB-IoT扇區可支持5萬個連接；
· 更低功耗，5Wh的電池可供終端使用10年；
· 時延上更靈活，對某些應用，上行的時延可放寬到10s。

考慮到未來GSM退網，以及頻譜資源等因素，EC-GSM方案作為Rel-13的GSM技術演進方案，EC-GSM技術僅會在某些特殊場景，如無法建設NB-IoT等場景中采用。

圖2、NB-IoT技術演進路線

NB-IoT的標準提主要可分為Core Part（核心部分），性能標準及一致性測試標準等。其中核心部分標準規定的是協議的具體內容，包括信令協議，網絡接入等，主要與開發相關。性能標準規定了各子技術領域的性能，同測試相關。一致性測試標準，是射頻、協議、RRM的測試標準。目前NB-IoT的Rel-13版本核心標準已經凍結。

一致性測試標準是有3GPP RAN5工作組制定，RAN5的終端一致性測試子工作組（NB_IoT-UEConTest）根據運營商和終端廠商溝通情況，將相關測試例優先級分為兩個階段，即Phase1和Phase2。目前Phase 1僅遺留少部分工作尚未完成，Phase 2也的工作也在持續推進。具體參照表1。

表1、RAN5工作組進度圖

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

Rel-14版本的NB-IoT的增強功能包括：

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

3.2 國內標準化情況

國內物聯網市場潛力巨大，但當前行業標準缺乏統一，造成了物聯網市場嚴重的碎片化，需要盡快展開物聯網技術研究和標準化工作。一方面滿足物聯網市場發展要求，協助運營商轉型。另一方面，也能進一步推動物聯網產業加快發展。目前國內主要有中國通信標準化協會（CCSA）和電信終端產業協會（TAF）在進行NB-IoT及物聯網行業相關的標準化工作。其中中國通信標準化協會依托3GPP的現有框架，對面向物聯網的蜂窩窄帶接入的技術方法，測試方法等開展工作。電信終端產業協會則以行業為依托，以通信與垂直行業融和為基礎，完善相關標準體系及內容。

3.2.1 國內行業進展

電信終端產業協會，于2017年開始蜂窩窄帶物聯網的相關技術研究和標準化工作。考慮到產業鏈中物聯網模塊企業眾多，物聯網模塊形態各異，各廠家采用指令集亦不相同等情況，TAF在國內首個完成物聯網模塊協會標準。目前TAF協會具體工作進展如下：

表2、TAF蜂窩窄帶接入標準進展情況

在TAF蜂窩窄帶物聯網模組的相關標準規范中，全面參考和綜合來自各芯片、模組、終端、行業應用提供商及運營商意見，對NB-IoT模組進行相關定義，完成了NB-IoT模組標準的第一階段。隨著技術的發展，后面會更有針對性的制定第二階段的標準。面向窄帶物聯網（NB-IoT）模組系列規范主要涉及如下相關內容：

- 外形尺寸與封裝
- 工作頻段
- 工作環境（溫度及電壓）
- 接口
- 發射功率
- 功耗
- 管腳功能
- AT命令等方面進行

3.2.2 CCSA標準化進展

在行業標準方面，CCSA于2016年開始相關工作。目前完成報批稿7項，送審稿2項，具體如下。

表3、CCSA蜂窩窄帶接入標準進展情況

在CCSA蜂窩窄帶接入的相關標準中，終端測試方法的標準架構基本沿用原LTE移動終端標準的架構。在傳統RF、協議、RRM保持和3GPP一致，在業務功能方面做了簡化，而在互聯互通方面，基于NB-IoT終端工作特點，進行了全新的考慮。

4、NB-IoT終端測試驗證及后續發展

4.1 GCF終端測試驗證現狀

GCF已啟動NB-IoT的驗證和認證工作。NB-IoT射頻（RF）、無線資源管理（RRM）和協議工作組分別為WI-259、WI-258和WI-257。與3GPP類似，GCF也將相關測試例驗證工作分為優先級1和優先級2兩階段。其中射頻相關測試例需驗證30條，P1有10條，P2有20條。無線資源管理測試例有12條，P1階段有6條，P2階段有6條。協議測試例要求驗證73條，P1需要驗證17條，P2需要驗證56條。目前儀表平臺驗證工作正在穩步進行中，大部分工作集中在協議和射頻測試例驗證。無線資源管理部分尚未有廠商提交測試例驗證。截止到2017年4月初，根據GCF官方驗證統計，各儀表廠商驗證情況如下：

表4、GCF各平臺測試驗證進展

4.2 NB-IoT行業測試驗證發展趨勢

NB-IoT作為LPWAN的一種重要技術，具備明顯的技術和應用優勢。目前全球運營商已經意識到物聯網市場的巨大潛力，并且開始積極開展業務演示和測試。目前國內NB-IoT產業主要集中在如抄表，停車，資產追蹤，交通和農業等垂直行業方面。對于傳統的通信功能（射頻，協議部分），芯片企業、終端企業可以依照現有LTE的標準和測試架構進行研發和測試，屬于比較完善的方案架構體系。而在垂直行業方面，不同行業對于功耗、業務、工作環境等方面的要求不盡相同，目前面向垂直行業的測試驗證體系及方案尚不夠完善。

TAF協會針對產業界關注的問題“功耗”和“互聯互通”，做了針對性的立項進行研究，對測試維度及測試方法進行調研與研究。利用TAF及其成員的生態圈，面向垂直行業進行調研，收集行業的業務邏輯及應用場景；在TAF工作組會議上發揮運營商、芯片－模組－終端的產業鏈各方力量，從“管”和“端”兩個層面充分研究“云”所需的應用場景與業務邏輯；進而將傳統通信領域的功耗測試和兼容性測試向“云”、“管”、“端”協作演進，打造通信與垂直行業融合的測試方案體系。

在測試解決方案方面，不同垂直行業對無線接入環境以及物理工作環境要求不一，業務邏輯和業務特征呈現明顯發散態勢。單一的通信測試驗證解決方案對垂直行業的參考意義有所下降。同時，物聯網技術帶來垂直行業和通信業的新融和，進而催生出垂直行業對于基于業務的物聯網通信終端/模組測試的新需求。面向不同垂直行業，打造通用型的測試驗證平臺，成為后續檢測驗證的可能發展方向之一。

5、結論

本文首先從物聯網標準體系入手，介紹了NB-IoT在國際標準化組織中的來歷和現狀。進而，結合國內行業特點，對國內標準化組織在NB-IoT方面的標準工作情況進行了介紹。其次對于目前NB-IoT的終端測試驗證進展和相關認證組織的工作情況進行了簡單梳理。最后對于NB-IoT相關測試驗證發展趨勢給出了一些建議。

作者：中國信息通信研究院泰爾終端實驗室 蘇賡、劉笛、果敢

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