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Paving the path to Narrowband 5G with LTE Internet of Things (IoT) 1. 摘要
物联网(IoT)正在带来大量的智能连接设备，这将孕育出许多新业务并提升产业效率。IoT将改变商业模式和人们的生活方式，在未来很长时间内推动创新。未来十年，据预测全球将部署100亿个连接的设备，很多重要的商业领域将依赖物联网，并产生上万亿美元的经济价值。物联网是全互联世界的基石，万物互联的到来只是时间问题。
在这个全互联世界的愿景中，蜂窝技术将发挥重要作用，就如同它现在的角色一样。1G和2G网络通过语音将人们彼此连接，3G和4G扩展到移动互联网的连接，提供高速的移动宽带服务。蜂窝网络不仅提供无处不在的覆盖，还提供了最苛刻的IoT应用所需的无与伦比的可靠性、安全性和性能。3GPP技术，如4G LTE，可提供广域IoT连接。目前为止LTE是全球部署、增长最快的无线标准，已经在全球提供超过10亿的连接。LTE将继续保持活力，并在未来十年内进一步增长。LTE兑现了提供更快、更好的移动宽带的承诺，现在LTE正在适配物联网的需要，使IoT设备的电池可以持续使用数年，设备的成本更低。总而言之，LTE为物联网的未来发展提供了坚实的基础，与非3GPP 和各种专有解决方案相比，LTE IoT方案有显著优势。
3GPP R13版本引入了一套针对物联网进行优化过的新的窄带技术，统称为LTE IOT，它包括两个新的用户设备类别，可以更有效地支持较低数据速率的应用程序。LTE Cat-M1（eMTC）实现了广泛的IoT功能；而LTE Cat-NB1（NB-IoT）在支持低端物联网使用情况下，成本和功耗进一步降低。这两种设备类别都是单一的，可扩展的LTE路线图的一部分，旨在与现有的LTE-A基础设施、频谱和设备共存。LTE物联网带来了许多改进，包括降低复杂性以实现更低成本的设备，更有效的低功耗模式提供可持续数年的电池寿命，以及通过新的高级传输技术实现深度覆盖。除了改进空中接口，LTE IoT还升级了核心网络，以更有效地处理以IoT为中心的业务并支持大量设备。
NB-IoT为窄带5G建立了基础，窄带5G将为物联网带来更多的机会。5G采用资源扩展多址(ResourceSpread Multiple Access)技术支持自由接入，使得上行传输不再受限于有限的接入资源；5G还通过多跳网格技术支持增强扩展覆盖。5G还将实现新的服务，如关键任务控制在机器人，航空，医疗保健，工业控制和车辆方面有许多创新用例，其中增强的维度包括亚毫秒延迟，超高可靠性和可用性（但不是所有服务同时需要）。总而言之，物联网将成为5G的不可或缺的组成部分，这是一个统一的，更有能力的，可服务未来十年甚至更长时期的连接平台。
2. 迎接物联网时代
物联网（IoT）广泛地描述了物理对象互联网络的概念，包括机器、车辆、建筑物和许多其他类型的设备。这些连接的对象将在家庭，企业，城市和各个行业提供新的服务。预计全球物联网市场在未来十年将大幅增长，预计到2020年将有250亿到500亿台连接设备，促进主要市场经济达到万亿美元增长。物联网不仅是把人与物联网，还扩展现有网络，使机器和设备相互协作，从而实现更高水平的效率。
2.1物联网需要异构连接
物联网涵盖了许多不同行业的各种应用，可满足各种计算和连接要求。在一些使用场景下，设备仅需要到网络接入点的短距离通信，诸如部署在家庭中的那些连接设备，而很多其他应用需要更广域的和完全的覆盖。实质上，连接物联网将需要异构连接技术，通过进行不同级别的优化以满足不同的需求。图1提供了不同无线技术的简化图示，这些技术能达到的传输距离不同，适用的IoT场景也不同。例如，办公楼中的智能照明最好使用诸如Wi-Fi的短距离无线技术来提供服务，因为灯具通常部署在具有合适的Wi-Fi覆盖（即室内）的区域中。
2.2 蜂窝技术将支持广泛的物联网服务
对于广域物联网，蜂窝网络正在发展成为一个有吸引力的平台，以满足不断增长的连接需求。蜂窝网络已经在全球为超过70亿的连接提供服务，在所有的大城市、郊区和农村地区仍在增长。基于蜂窝的解决方案不但无缝地在户外和室内扩展，而且还给桌面应用带来了许多额外的好处。高度可用的网络设计使物联网设备可以全天候可靠地访问应用服务，久经考验的蜂窝部署已为最苛刻的用户（例如政府和金融机构）提供了所需要的端到端安全性。最重要的是，成熟的生态系统得到全球标准的支持，确保了跨地区和跨设备的无缝的互操作性。图2显示了物联网垂直分类以及可以从采用基于蜂窝的解决方案中获益的用例。
2.3 LTE是一个统一的，可扩展的物联网平台
LTE是全球范围建立、增长最快的无线标准，预计到2016年全世界75%的人口提供网络覆盖。3GPPR8引入的LTE被开发用于提供更快的移动宽带接入，提供远超3G网络的性能。LTE技术不断适应变化的市场需求，保证了这项网络技术的活力。LTE-A （R10，R11,R12）演进优化提供了更好的用户体验，通过引入高级技术（例如载波聚合和高阶MIMO）实现千兆级的吞吐量。尽管一些IoT应用可以受益于在LTE-A（例如，HD安全摄像机）引入的改进，但是大量IoT设备则需要针对极大缩减的功能集合进行优化。
3GPP R13引入了一套针对物联网优化的新窄带技术，统称为LTE IoT，它缩减LTE有效地支持更低的数据速率应用。LTE IoT是统一LTE路线图的一部分，可基于网络部署无缝地提供IoT服务; LTE既可以向上适配为高性能应用提供千兆位级数据速率，也可以向下适配支持需要高功率效率的应用。
2.4 LTE IoT比非3GPP LPWA解决方案有显著的优势
随着物联网应用数量的不断增长，预计将会出现许多新的物联网连接技术。虽然这些新技术中的一些可能潜在地解决广域覆盖要求，但是与诸如eMTC和NB-IoT的3GPP标准化技术相比，它们在其他方面可能不足。
3. 两种新的LTE IoT窄带技术 - eMTC和NB-IoT
3GPP版本13引入了两种新的用户设备（UE）类别，通过缩简功能为物联网带来更高的效率。
LTE Cat-M1提供最广泛的物联网功能，提供高达1Mbps的数据速率，在现有的LTEFDD / TDD频谱中仅使用1.4 MHz设备带宽（1.08 MHz带内传输6 资源块）。它被设计为与常规LTE业务（Cat-0及以上）完全共存。 Cat-M1还支持语音（VoLTE）和受限的移动性。在增强覆盖模式下，它可以提供15 dB的链路预算提升，允许LTE信号穿透更多的墙壁和地板，以覆盖部署在室内或偏远地区的设备。
LTE Cat-NB1或NB-IoT，进一步降低了设备复杂性并扩展了覆盖范围，以满足低端IoT用例的需求。Cat-NB1利用窄带操作，在LTE FDD中使用200 kHz设备带宽（1个资源块的180 kHz带内传输），以提供10 kbps的吞吐量。NB-IoT支持更灵活的部署选项：LTE带内（LTE In-band），LTE 保护带（LTE Guard-band）和LTE独立 (LTE Standalone)。为了进一步增强覆盖，它折衷频谱效率（例如数据速率）和能力（例如，没有移动性或语音支持），实现了超过Cat-M1 技术5dB的额外增益。
3.1 新的LTE物联网设备可以有效地与当前的服务共存 Cat-M1和Cat-NB1都可以部署在现有的LTE-A基础设施和频谱中，与当前的移动宽带服务高效并存。Cat-M1使用1.4 MHz带宽，利用现有的LTE信道编号（与NB-IoT 200 kHz的新信道带宽相比），并可部署在常规LTE载波（高达20 MHz）内运行。Cat-M1设备利用传统LTE的同步信号（例如PSS，SSS），同时引入对于低带宽操作更有效的新的控制信道和数据信道。支持Cat-M1的LTE网络可以通过频率重调技术使用用多个窄带区域，以实现可扩展资源分配，还支持跳频以在整个LTE带宽上实现分集。
Cat-NB1设备可以部署在LTE频宽内，也可以部署在LTE保护频带中，或者部署在独立载波上。然而，新的200kHz设备（利用单个LTE资源块或180kHz的RB）需要一组新的窄带控制信道和窄带数据信道。与带内Cat-M1的不同，Cat-NB1不允许频率重调或跳频，并占用固定的频谱位置。对于保护带部署(Guard-band)，NB-IoT利用未使用的资源块，并且不干扰相邻载波。在独立模式下，Cat-NB1设备可以部署在重用的2G / 3G频段。
4. 面向物联网优化后的新窄带技术 新的LTE IoT窄带技术为窄带5G铺平了道路，在四个主要领域做了改进，以更好地支持物联网：降低复杂性，延长电池寿命，增强覆盖范围，实现更高密度节点部署。
4.1 降低复杂性以实现更低成本的设备
物联网激增将为各个行业和应用带来显著的好处。相对于当前的移动宽带服务（例如智能手机和平板电脑），尽管很多物联网使用案例属于高ARPC（每连接的平均收入），但大多数使用案例将使用低成本的设备和的签约来促进大规模部署。例如，智能手机的硬件和服务成本与每天提供几次温度测量数据的简单的远程传感器会差别很大。因此，Cat-M1和Cat-NB1器件都将在复杂性等级上进行缩减，以实现更低的成本，同时仍然满足IoT应用要求。图7总结了两种新型LTE IoT UE在复杂程度上的差异。 峰值数据速率：与常规LTE设备（例如Cat-1）相比，Cat-M1设备和Cat-NB1设备都降低了峰值数据速率。Cat-M1设备在下行链路和上行链路方向上的吞吐量受限，最高可达1 MBps，而Cat-NB1进一步将峰值数据速率降低到10 kbps。降低峰值数据速率导致设备硬件的处理器和存储器的成本也得以降低。
带宽：LTE支持从1.4 MHz到20 MHz的可扩展载波带宽，使用6到100个PRB。对于LTE Cat-M1，设备带宽仅限于1.4MHz（1.08 MHz加上6 RB带内的保护频带），以支持更低的数据速率。另一方面，Cat-NB1进一步将设备带宽减少到200 kHz（180 kHz加上单个RB的保护带）。Cat-M1的带宽减少需要新的控制信道（即M-PDCCH9）来替换不适合较窄带宽内的传统控制信道（即，PCFICH，PHICH，PDCCH10）。而Cat-NB1引入了一组新的NB-IoT同步、控制和数据信道以适应较窄的带宽。
Rx天线：LTE用多天线MIMO和接收分集，提高了频谱效率。LTE IoT应用不需要追求高数据速率，而更看重降低复杂性。Cat-M1和Cat-NB1把接收RF减少到单个天线，简化了RF前端。由于缺乏接收分集而存在一些RF劣化，但是丢失的信号灵敏度可以通过其它高级的覆盖增强技术来补偿。
双工模式：由于IoT数据传输的特点是频度低、延迟大，LTE IoT设备可以通过仅支持半双工通信来降低复杂性，在给定时间内只有发送或接收路径是激活的。除了TDD之外，Cat-M1器件可以支持半双工FDD。Cat-NB1器件仅支持半双工FDD。这允许设备实现更简单的RF开关，而不需要更复杂和昂贵的全双工器。
发射功率：对于这两个新的LTEIoT UE类别，最大上行链路发射功率从LTE的23 dBm（200mW）降低到20 dBm（100mW），还允许集成功率放大器（PA）以降低设备成本。
其他简化：其他复杂性降低技术包括Cat-NB1对语音（VoLTE或电路交换服务）和移动性（无链路测量或报告）的有限支持。
4.2 提高用电效率使电池可使用多年
许多IoT设备是电池供电的，单次充电后应持续使用尽可能长的时间，这也一直是大家期望的。对于大规模部署，现场维护的相关成本巨大。不但制定维护计划会提高运营成本，在物理上定位这些移动设备也是一个噩梦。因此，最大限度地延长电池寿命已成为最重要的一个目标。除了通过减少设备复杂性实现的功率节省，还引入了两种新的低功耗增强功能：省电模式（PSM）和扩展不连续接收（eDRx） - 两种技术适用于Cat-M1和Cat-NB1器件。
节电模式（PSM）：PSM是一种新的低功耗模式，允许器件在数据传输的间隔期间忽略周期性寻呼监视周期，从而允许器件休眠更长时间。然而，当PSM激活时，设备可能不可达。因此，PSM更适合设备发起/调度的应用业务，由设备发起到网络的通信。此外，由于设备在PSM期间保持注册在网络，不需要在每个PSM退出事件之后花费额外的周期来设置注册/连接，因此它能实现更有效的低功率模式进入/退出。利用PSM的典型应用包括智能电表，传感器和定期将数据推送到网络的任何物联网设备。
扩展不连续接收（eDRx）：eDRx把在连接模式下从网络接收数据的最大时间间隔延长到10.24s，并将空闲模式下寻呼监控和TA更新扩展到40分钟以上，以优化电池寿命。它允许网络和设备同步睡眠周期，以便设备不需要频繁地检查网络消息。eDRX增加了延迟，因此eDRx针对网络发起的应用进行了优化。诸如资产跟踪和智能电网的使用案例可以通过更长的eDRx周期实现较低功耗。
4.3 增强覆盖，更好覆盖具有挑战性的位置
许多物联网用例可以受益于更深的网络覆盖，特别是对于部署在具有挑战性的位置（例如公用事业计量表）的设备。在许多使用情况下，折衷上行链路频谱效率和延迟时间可以有效地增加覆盖而不增加输出功率。
冗余传输：在连续子帧（TTI绑定）中多次传输相同传输块或在一段时间内重复发送相同数据（重复传输）可以显著提高接收机（小区或设备）正确解码的概率。
功率谱密度（PSD）增强：虽然服务小区可以简单地增加下行链路中的发射功率以扩展覆盖，但是设备也可以将所有功率一起放在一些缩小的带宽上发射（例如，Cat-NB1可以在3.75 kHz子载波间隔，在Cat-M1和LTE中为15kHz），有效增加发射功率密度。
单Tone上行链路：类似地，Cat-NB1设备可以利用单Tone上行链路（3.75kHz或15kHz子载波间隔）来进一步扩展覆盖，折衷峰值数据速率（限制为10kbps）。
低阶调制：通过利用QPSK而不是16-QAM，SINR（信号与干扰加噪声比）阈值显著降低，但降低了调制效率（每个符号承载的比特数减少）。
通过这些新的覆盖增强方法，Cat-M1设备的链路预算增加到155.7dB，比常规LTE提高超过15dB。Cat-NB1链路预算可达到164dB。
4.4 优化LTE核心网，更高效地支持物联网设备
IoT带来了大量的连接设备，需要提高现有LTE网络的能力。与移动宽带服务有很大不同，网络容量不会成为支持大量物联网设备（如电表）的限制因素，因为LTE IoT流量只占总体容量需求的很小部分，但增加的信令数量除外。大多数IoT设备偶尔传输少量数据，因此，LTE核心网络还需要通过提供更有效的信令和资源管理演进以更好地支持IoT业务。
更高效的信令：新的接入控制机制，如扩展接入禁止（Extended Access Barring），可防止设备在网络拥塞时生成接入请求，消除不必要的信令。 网络还可以使用基于组的寻呼和消息传递来更有效地与多个下行链路设备通信。 增强的资源管理：网络可以允许大量设备共享相同的签约数据，从而可以合并资源和设备管理。例如，智能城市中的一组水表可集中配置、控制和记帐。
简化核心网络（EPC-lite）：LTE核心网络可对物联网流量进行优化，允许更有效地利用资源，并将MME，S-GW和P-GW合并为单个EPC-lite。运营商可以选择EPC-lite降低OPEX，或使用现有的LTE核心网络来支持LTE IoT，从而最小化CAPEX支出。
4.5 提供端到端的LTE物联网平台
为了使LTE IoT成功，整个生态系统都需要参与简化LTE物联网服务的整体部署和管理。许多方面的努力已经开始。硬件制造商通过提供认证的模块加速设备开发，新的嵌入式SIM（eUICC）计划正在加快发展，旨在实现更灵活的蜂窝服务管理。对于物联网软件开发，协议标准化可确保数据传输效率和厂商之间的互操作性; 例如，一个M2M正在推动通信协议的标准化，以提供更快的上市时间和可靠的端到端安全性。
5. 5G路线图将带来更多的物联网机会
5G将是一个统一的，更有能力的连接平台，这个平台将连接新的行业，激活新的服务，并带来新的用户体验。物联网将成为5G不可或缺的一部分，提供新型物联网服务和4G LTE无法达到的效率。5G愿景现已明确，预计2020年之前实现商业化，进一步加强移动宽带，更有效地支持大规模IoT，激活新的关键任务类型的服务。下面的图10显示了下一代5G网络的ITU-R IMT-2020愿景。
5.1 NB-IoT向窄带5G演进
新的5G平台将在3GPP R15及后续版本中定义，许多基础技术已经作为LTE-A Pro的一部分被引入。NB-IoT基于3GPP R13将继续演进，更接近窄带5G以实现大规模IoT。针对R14的一些建议的增强将包括但不限于语音、移动性、位置服务和用于更高效的空中（OTA）固件更新的广播支持。
5.2 大规模IoT带来新功能
5G将通过使用资源扩展多路访问（ResourceSpread Multiple Access）的新的上行链路多址接入设计来提升LTE IoT能力以支持更高的节点密度。RSMA是一种异步、非正交和基于竞争的接入协议，进一步降低设备复杂性和信令开销，它允许“物”在没有网络预先调度的情况下发起传输。
为了将物联网设备的网络覆盖扩展到最极端的位置（例如超远程，地下深处），5G将支持多跳网格技术，允许覆盖之外的设备直连接到其他覆盖内的设备，通过覆盖内设备将数据中继到接入网。通过这种方法能建立一个将覆盖扩展到典型蜂窝接入（例如，基站和小基站）之外的无边缘的网络。更重要的是，5G核心网络能对覆盖内设备进行广域网管理，也能管理通过多跳网格技术接入的设备。
5.3 实现关键任务控制类型的IoT服务
LTE IoT适用于低频度通信和对延迟不敏感的通信，如计量表和传感器这样的低端物联网应用。还有一类物联网应用需要更高的性能。例如要求端到端延迟低至1ms的关键任务服务，需要超高可靠性、只允许极低丢包率的任务，采用多条链路实现高可用性的任务，还有需要强壮的端到端安全性的任务。所有这些要求已经反映在5G任务关键控制的设计考虑之中，无人机和工业机器人只是驱动这些极端要求的一些典型的创新案例。
5.4 利用新的5G网络架构提供额外的好处
新的更加灵活的5G网络将提供无与伦比的性能和效率，利用虚拟化网络功能为同一物理网络上托管的各种服务创建优化的网络切片（例如增强型移动宽带，关键任务服务和大规模IoT）。每个网络切片可独立配置后提供端到端连接，最优化的满足应用需要。这对物联网尤其有利，对于使用相同网络部署支持的不同的用户案例，不同的用户需求可以对应不同的SLA服务等级。除了允许更有效的分配资源和使用资源外，5G增强网络还实现了灵活的订购模型及动态创建和控制服务。
6. 结论
物联网正在带来大量的智能互联设备，并将为各个行业提供新服务、高效率。物联网将改变商业，改变人们的生活方式，促进未来创新。蜂窝网络技术将在万物互联过程中发挥重要作用。与其他非3GPP 的LPWA解决方案相比，LTE演进在提供统一、可扩展的IoT平台方面有显著的优势。通过已建立的全球网络，LTE不仅提供无所不在覆盖，还能给最苛刻的物联网应用带来无与伦比的可靠性，安全性和高性能。
LTE-A Pro提供的新LTE IoT窄带技术，能降低设备复杂性，延长电池寿命，深化覆盖，并实现高节点密度部署。在3GPP R13中，LTE IoT引入了两个新的UE类别（Cat-M1和Cat-NB1），通过缩减LTE技术实现了更高效的IoT通信。Cat-M1提供广泛的物联网能力，支持一些高级的功能，如移动性和VoLTE。而Cat-NB1在技术上进一步缩减，用最低的成本和电力来支持高延迟容忍度，低吞吐量的用例。
在LTE物联网窄带技术的基础上，5G将为物联网带来更多的机会。窄带5G通过RSMA和Multi-hop Mesh技术来实现Massive IOT，RSMA支持无授权传输，Multi-hop Mesh可扩展网络覆盖。在支持关键任务类型的业务方面，5G可提供超低延迟通信服务，高可靠性，高可用性和端到端的安全性。新的灵活的网络架构还能为下一代5G网络上托管的所有服务提供无与伦比的性能和效率。总之，物联网是5G的一个组成部分，在未来十年和更远的将来成为一个统一的、高能力的网络连接平台。
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