基于LTE的移动物联网通信新技术发展综述

王康年，张洪德，张晓克

(陆军工程大学 通信士官学校，重庆 400035)

0 引言

咨询机构IDC预测，截止到2020年，国际上物联网的商业规模将达1.7万亿美元[1]。同时，随着工业4.0和智能制造等概念的加速演进，可以预见，仅制造业领域的物联网市场即将达到2.5万亿美元。可见，物联网的市场驱动力前所未有的强大。物联网概念是 2005 年 11 月在信息社会世界峰会上正式提出[2]，由ITU国际电信联盟在报告中进行了明确。对我国而言，物联网的正式兴起则是始于2009 年，经过业界的共同努力，物联网已成为我国五大新型战略性产业之一。

在当前通信技术日益发展的今天，移动物联网中的核心通信技术有诸多选项，但是由于物联网和传统通信网络的区别，其对于通信技术有着特殊的需求，需要在众多通信技术中择优按需选择，已经引起了广大学者和产业界的极大关注。

1 基于LTE的移动物联网

1.1 移动物联网的需求

物联网，尽管不同国家的理解不甚相同，但普遍认为是由物与物互联而组成的网络，英文简写为IoT(Internet of Things)，属于一种泛在网[3]。物联网的内涵较为丰富，通常可以认为包含两层，即互联和交换。互联指的是物联网的基础和核心是互联网，IoT网络发展的基础是互联网。交换则指的是用户通过互联网与物体之间进行了信息传输和交换。综合而言，IoT依托互联网这一核心网络，借助智能感知技术，实现了用户、网络和物体的一体化传输和交换，是一种集智能感知、目标识别、信息处理、信息交换的新型网络技术。物联网经过目前的初级发展阶段，虽然还未全面成熟，但是在诸多领域，包括智慧交通、智能电力、智慧环保等领域已经取得了丰硕成果。

物联网首要解决的问题从用户端而言，即为互联网的接入。当前，传统物联网接入通常分为两大类，一是近距离无线接入技术，通常应用在智能家居、工业数据采集和智能制造领域，具体实现包括ZigBee、WiFi、Bluetooth等；二是蜂窝移动通信技术，通常应用于远程控制和不易部署近距离无线接入设施的场合。前者覆盖能力局限于小地域范围，同时也依赖于回传网络；后者覆盖范围广，并且具有一定的移动性，但是系统容量有限，通信成本较高[4]。

物联网对于通信技术的特色需求在于：广覆盖、大容量、低功耗和低成本。针对这种需求，一类新型的低功耗广域覆盖 (Low Power Wide Area，LPWA)通信技术应运而生，该类技术基于LTE实现，分为两种，一是NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)，也称为Cat-NB1；二是eMTC(enhanced Machine Type Communications)，也称为Cat-M1。这两种基于LTE的移动物联网技术均可以满足物联网对通信越来越高的需求，即实现无线网络的泛在覆盖，并提供给用户高质量的QoS保证，同时保证用户应用的端到端安全可靠，最终通过统一的国际标准规范实现物联网的互联互通互操作。

1.2 基于LTE的移动物联网系统架构

基于LTE的移动物联网体系架构可以分为三层，如图1所示。

图1 基于LTE的移动物联网系统架构

感知层主要实现对现实世界的感知、识别、采集和控制，由各类终端组成，包括IoT智能终端、RFID读写器、感知终端及传感器节点等[5]，各类终端的主要功能是感知数据并上报。网络层则是提供物联网数据传输通道和通信服务。

网络层充当感知层和应用层的中介，为上下两层提供网络接入和数据传输与交换服务。具体而言，主要是面向各类物联网终端和传感节点提供无线网络的接入服务。在该层中，主要基于LTE网络实现不同速率、时延和可靠性要求的物联网业务数据的汇聚、交换和传输。

应用层则是直接面向各领域、各行业不同用户的具体应用，目前比较典型的应用有可自动报警的智能安防、可实现远程抄表的智能电力、可自动感知的智慧交通、具备自动灌溉功能的智慧农业等。

2 基于LTE的移动物联网通信技术演进与比较

2.1 技术演进

LTE通信技术设计之初主要是为了解决移动宽带业务，并没有专门针对物联网的考虑。LTE通信技术要满足物联网需求，必须具备三个条件：一是大规模连接，物联网设备连接数量很多；二是网络覆盖增强；三是实现低功耗、低成本、低流量。

3GPP的Rel.10和Rel.11解决大规模连接问题。从Rel.12开始，3GPP主要着手解决低功耗、低成本、低流量问题，3GPP主要定义了PSM(Power Saving Mode)省电模式和LTE Cat 0。

PSM的启动是在数据连接终止或周期性TAU完成后开始的。数据连接终止后，终端首先进入空闲模式，同时进入不连续接收(DRX)状态，终端此时监听寻呼(Paging)。终端在DRX定时器超时后即进入PSM省电模式。终端在PSM省电模式下处于休眠模式，几近关机状态，从而大幅度省电，此时，终端不再监听寻呼，但仍然注册在网络中，因此，再发送数据时不需要重新连接或建立PDN连接。

LTE Cat 0模块的复杂度有50%的降低，主要是降低模块硬件复杂度、成本及功耗，当然牺牲了部分功能。LTE Cat 0采用半双工模式，取消了全双工，意味着终端无需同时接收和发送数据，从而不需要双工滤波器来防止收发信号间的干扰。LTE Cat 0的数据速率还降低为上下行仅1 Mbps，从而降低了模块的处理和存储能力，成本也得以降低。

Cat系列版本较多，其中业界普遍认为Cat 0是过渡版本，而真正适用于移动物联网的则是Cat-M1。由于Cat-M1采用了LTE移动通信技术，通常又被称为增强型机器类型通信eMTC。

3GPP在Rel.13中引入了LTE Cat-M1和LTE Cat-NB1。LTE Cat-M1更精简、更低成本、更低功耗，带宽从20 MHz降到1.4 MHz，终端发射功率更小，可达到20 dBm。LTE Cat-NB1，即NB-IoT，其带宽仅为180 kHz，可以部署于空闲LTE资源块、LTE载波之间的空闲频谱(保护带)或独立部署(空闲的GSM载波)[6-7]。LTE Cat-NB1的最佳应用就是面向远程抄表等更低速率、低成本、长电池寿命的物联网应用，接收带宽仅200 kHz、上行3.75 kHz的单子载波传输方式、扩展周期不连续接收 (enhanced Discontinuous Reception，eDRX)等特性，进一步降低了功耗，提升了覆盖，最大可能地满足了物联网应用需求[8]。

2.2 Cat-M1和Cat-NB1的关键技术与比较

2.2.1 Cat-M1

在3GPP标准中，基于LTE的Cat系列定义了两类终端类型。第一类是Cat 0终端类型，在3GPP R12中进行了定义，该类型终端的工作带宽为20 MHz，并以半双工的工作模式可提供23 dBm的最大发射功率，由于高工作带宽，使得该类型终端的成本过高。第二类则是Cat-M1类型终端，在3GPP R13中进行了定义，是对Cat 0终端类型的简化，为了降低射频要求，节约终端成本，将工作带宽从20 MHz降低到了1.4 MHz，并且该类型提供了2种省电模式，即PSM节能模式与eDRX接收技术，使得终端发射功率达到20 dBm，从而终端功耗大为降低。并且在3GPP R14中，进一步增加了定位功能、SC-P2M下行广播功能以及异频测量等功能[9-10]。

Cat-M1在四个方面体现出了独特的差异化特点：一是数据传输速率高，相比Cat-NB1而言，所支持的物联网应用更加丰富，其可支持的上下行最大峰值速率可达1 Mbps；二是高移动性，由于Cat-M1可支持连接态的移动性，使得智慧公交、智能电梯、智慧物流等领域用户可以实现无缝切换，确保应用的一致性和连续性；三是支持定位，基于TDD的Cat-M1可以在无需新增定位芯片的情况下实现基于网络位置的定位，充分利用基站侧的PRS位置测量信息，从而大大降低定位成本，促进仓库监管、物流跟踪的定位需求场景的应用普及；四是支持VoLTE语音，Cat-M1演进自LTE通信协议，其VoLTE语音技术可以方便地应用到具有语音功能需求的穿戴设备等应用场景中[11]。

2.2.2 Cat-NB1

Cat-NB1也是基于LTE通信协议，下行信道采用OFDMA技术，其子载波间隔为15 kHz；上行信道采用SC-FDMA技术，Single-Tone模式时子载波间隔为3.75 kHz或15 kHz，Multi-Tone模式时的子载波间隔为15 kHz[12-13]。Cat-NB1增强了小数据包发送功能，具备低功耗和大连接特性，其核心网的部署支持2种方式：独立部署和升级部署。

Cat-NB1的工作方式目前仅支持FDD，蜂窝组网基于授权频谱模式进行。单载波占用的频率带宽为200 kHz，实际占用的频率带宽仅为180 kHz，其中两端各预留了10 kHz的保护频谱间隔。Cat-NB1的部署方式有3种，即带内(In-band)部署、保护频带(Guard-band)部署或独立载波(Stand-alone)部署。并且支持与现有网络的共存，从而实现低成本的系统升级。3GPP对Cat-NB1正在持续进行功能增强和优化，具体包括基于E-CID、OTDOA/UTDOA的定位功能，基于SC-PTM的多播功能，以及移动性、业务连续性支持，并优化实现低功耗终端类型和TDD工作方式[8]。

Cat-NB1具备明显的四大优势[14]：一是网络覆盖能力强，在独立部署模式下，其覆盖能力与传统GSM相比较，提升20 dB，最大空口路径损耗可达164 dB，尤其适合无线信号微弱的地下车库、地下管道等应用场景；二是系统支持的容量大，可支撑海量节点的网络连接，仅单个扇区即可支持超过10万个的用户连接；三是终端能耗低，待机时间长，同Cat-M1类似，主要通过PSM节能模式与eDRX接收技术，达到超过10年的待机时长；四是终端模块成本低，基带复杂度低，使用180 kHz窄带频谱，并结合单天线和半双工的工作模式降低了终端射频的成本。

2.2.3 两种技术的比较

Cat-NB1与Cat-M1的主要技术比较如表1所示。

从带宽来看，Cat-NB1基于窄带模式，Cat-M1则具有更高的带宽；从工作模式上看，Cat-NB1基于FDD模式，Cat-M1则基于FDD模式和TDD模式，并可在LTE系统上软件升级；从应用上看，Cat-NB1专为成本高效、时延不敏感、低数据量、深度覆盖用例的需求设计，Cat-M1则为满足高可靠性、关键业务型和低延时用例的需求设计。

从技术的局限性来看，Cat-NB1与Cat-M1都有着各自的短板。Cat-NB1对数据速率支持较差，没有语音通道，且移动性弱，在实测环境中，无法满足超过30 km/h的速度。Cat-M1性能优于Cat-NB1，导致芯片模组成本略高，且在小区容量上，没有进行过定向优化，难以满足超大容量的连接需求[15]。

从表1可以发现，尽管eMTC和NB-IoT均适用于低功耗、广域覆盖的应用需求，但是在数据传输速率、网络覆盖能力和功耗方面还是有差异的，两者的应用场景互为补充，共同支撑业务领域广泛的物联网应用。其中Cat-NB1尤其适用于低吞吐量的应用需求，比如智能电力、智慧停车等[8]，而Cat-M1则更加适用于高移动性、高数据速率和支撑VoLTE语音等功能需求的应用场景。

表1 Cat-NB1与Cat-M1的主要技术比较

技术特征类型Cat⁃M1Cat⁃NB标准制式FDD/TDDFDD下行峰值速率1Mbps<250kbps下行峰值速率1Mbps<250kbps(MultiTone)20～40kbps(SingleTone)天线数量11延时ms级s级语音能力支持不支持双工方式半双工半双工载波带宽1．4MHz200kHz发射功率23/20dBm23dBm覆盖155．7dB独立部署可达164dB终端复杂度20%<15%

3 基于LTE的移动物联网中的低功耗技术与比较

3.1 省电模式 (PSM)

用户终端的PSM模式是在Rel.12中引入的。为了最大化用户终端的停机时间，在执行完周期性跟踪区更新 (TAU)之后，在空闲时间的可配置窗口期间，始终保持可寻呼状态。一旦空闲时间窗口结束，则设备进入休眠状态，并且直到下一个周期性TAU才能继续访问。

在PSM模式中，用户终端一旦接入PSM模式，将关闭接收机，不再接收空中接口的系统消息和寻呼消息，因此网络侧无法主动联系用户终端，只有等待用户终端需要发送上行数据(MO data)或者需要执行周期性位置更新(Periodic TAU)时，才会主动唤醒执行上行业务流程[16]，如图2所示。

图2 省电模式PSM示意图

PSM模式对于需要稀疏周期性报告的应用场景特别适合，比如每天汇报数据一次的情形。从延时角度来看，PSM模式对于下行业务时延无要求的场景，比如智能水表的下行业务主要为参数位置、固件升级等，均可以等待用户终端发送上行数据进入连接态后再发起，从而可以使用PSM进一步节省终端功耗。

3.2 扩展不连续接收(eDRX)

扩展不连续接收eDRX的核心思想在于，延长了原来DRX的时间，减少了终端的DRX次数和频率，以达到省电的目的。DRX的最小间隔为2.56 s，这对于隔很长一段时间才发送数据的物联网设备来说，过于频繁。

在每个eDRX周期内，有一个寻呼时间窗口(Paging Time Window，PTW)，用户终端只在PTW内按DRX周期监听寻呼信道，以便接收下行业务，PTW外的时间处于睡眠态，不监听寻呼信道，不能接收下行业务。如图3所示，eDRX可工作于空闲模式和连接模式。

图3 eDRX应用示意图

在连接模式下，eDRX把接收间隔扩展至10.24 s；在空闲模式下，eDRX将寻呼监测和TAU(Tracking Area Update)更新间隔扩展至超过40 min[17]。在规范中定义设备可以请求的超帧的最大数量有所区别，对于Cat-M1而言，延长睡眠加起来约有40 min，而对于Cat-NB1来说，则将近约有3 h。

3.3 PSM和eDRZ技术的比较

PSM模式和eDRX模式之间的不同之处在于，用户终端从休眠模式进入可接收模式这个时间间隔的长短。在PSM模式下，用户终端需要首先从休眠模式进入激活模式，然后才进入空闲模式。在eDRX模式下，用户终端本身就处于空闲模式，可以更快速地进入接收模式，无需额外信令[18]。

比如，某物联网应用需要终端每10 min要回应一次，假如采用PSM模式，终端不得不每10 min终止PSM模式，并进行TAU，需经历这个过程后才能进入空闲模式。假如采用eDRX模式，用户终端将会每10 min直接进入接收模式，这样就可以更加省电，并且能够减少信令负荷。从另一个角度来看，对于那些每天才发一次数据的物联网用户终端，采用PSM模式将会更加省电。因此，如何配置PSM和eDRX，需要根据实际应用场景的不同需求来决定。

4 基于LTE的物联网通信新技术的实现策略与应用

4.1 实现策略

2016年全球标准化组织3GPP冻结了Rel.13中基于LTE的物联网技术标准[19]，即Cat-M1(eMTC)和Cat-NB1(NB-IoT)，前者指定在1.4 MHz窄带中提供高达1 Mbps的可变速率，后者指定在200 kHz窄带中提供小于100 kbps的速率，标准冻结后，提供基站、芯片、应用服务的企业蓄势待发，为其实现提供了广泛的支持。

从具体实现上来看，Cat-M1和Cat-NB1可以很大程度上复用现有 LTE的网络基础设施，只需要通过投资少量设备，就可以实现网络对未来Cat-M1和Cat-NB1的完全支持，该策略实现简单，无需重建新的网络。对于大多数在网系统设备而言，无线侧通过升级基站的方式即可支持Cat-M1和Cat-NB1。对于传统核心网而言，可以直接实现对Cat-M1的支持，如果要实现支持Cat-NB1的功能，则需要对核心网进行一定的升级。

Cat-NB1可通过核心网升级来实现，有两种策略方案：即控制侧优化方案和用户侧优化方案。控制侧优化方案，无需建立空口和核心网之间的连接，传输小数据包主要利用包含在NAS消息中的控制侧，但该方式需要引入C-SGN新功能实体[8]。用户侧优化方案中，空口和核心网需要为小数据业务建立数据承载，传输小数据包主要在用户侧进行，但该方案无需引入新功能实体。从目前的应用现状来看，各大运营商比较倾向于控制侧优化方案。

4.2 应用

根据第三方统计，到2025年，全球物联网的终端连接将达到50亿以上，这显然是一个颠覆性的机会。而连接性基于LTE的蜂窝技术毫无疑问将是最主流的技术，主要就是Cat-M1和Cat-NB1。

从生产厂家角度来看，目前，国际主流的系统厂家和芯片公司纷纷投入Cat-M1和Cat-NB1 产品的研发。比如，高通为Cat-M1和Cat-NB1定制了多模多频芯片MDM9206，该产品支持Cat-M1和Cat-NB1两种模式，以及Cat-M1、Cat-NB1的全球所有频段。

从运营商角度来看，欧洲同时兼顾Cat-M1和Cat-NB1，但Cat-NB1部署更快；北美主要侧重于Cat-M1的部署。2017年2月底，AT&T、KPN、KDDI、NTT docomo、Orange、Telefonica、Telstra、Verizon等主流运营商在MWC2017会议上明确支持Cat-M1全球部署[1]。从我国运营商的部署来看，Cat-M1和Cat-NB1正在同时展开。因此，从运营商部署的角度来看，欧洲和我国优先选择NB-IoT网络，而美国则主要选择Cat-M1技术。

5 结束语

物联网和人们的生活息息相关，特别是智慧城市、远程医疗、卫生环保、智能制造等应用领域，而基于LTE的移动IoT通信技术无疑已经成为物联网技术得以推广的重要技术支撑。相信在不远的将来，基于Cat-M1和Cat-NB1的移动IoT应用将得到最广泛的发展。

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