5G关键技术剖析 NB-LTE与NB-CIoT谁更胜一筹

前3GPP所提出之NB-IoT也包含各项不同的技术，目前主要可分为两个方向，一为由诺基亚(Nokia)、爱利信(Ericsson)和英特尔(Intel)等阵营支持的NB -LTE(Narrowband-LTE)以及华为和Vodafone支持的NB-CIoT(Narrowband-Cellular IoT)，两种技术对于营运商最大的差别在于其可以在现有的LTE环境中，有多少可以重新使用于物联网的应用中。
现今无线通讯发展飞快，全球无线通讯，发展得如火如荼，人们对于行动通讯、影音传输或终端应用的需求日与俱增，所到之处网路无所不在，因此即便4G还再持续扩展布建时， 5G的世代也宣告即将到来，当中所含的商机更是无限。
为了迎接这庞大的通讯蓝海，各国无不积极地要抢先一步占得先机，纷纷投入许多资源及研究，对于下一代5G通讯进行规划和开发，想掌握其中的关键技术及专利，以提高被第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)标准采纳的机会，俾助国内通讯相关产业未来的发展。
5G通讯性能大耀进
在产业发展迅速的情况下，用户端的各样应用也随之增加，在面对全球用户对于数据传输与网路容量需求越来越高的状况下，5G网路便因应而生，3GPP的5G相关的标准技术预计将在2016定案，在2020年预估相关产品将可步入商用阶段。在其未来发展，不仅需要大的传输速率，并且还要比现今大以数倍的连结数，全球将走入万物皆联网的时代(图1)。
图1 5G发展趋势
知名咨询机构麦肯锡指出，2025年物联网(IoT)的应用产值将达到111兆美元，5G提出低延迟、高传输、低耗能、大连结等特性，5G行动通讯预计在2020年全球将有500亿个终端产品具备上网功能，整体系统容量(Capacity)需求也较4G增加1000倍以上，并且其传输延迟必须小于1毫秒(ms)，因此下一代5G通讯的效能提升及技术挑战势必比先前更加严峻。
随着智慧电表、智慧家电、智慧工厂、可穿载设备这些应用型终端的大量出现，越来越多的工作和生活都须要透过智慧终端来解决，对此，高密度的连结及降低终端成本需求变得越来越大，必要有新的技术来因应这样的需求。
5G关键技术剖析
在5G未来发展，不仅需要大的传输速率，并且还要比现今大以数倍的连结数，全球将走入万物皆联网的时代，在3GPP首先提出机器对机器(M2M)/机器类型通讯( Machine Type Communication, MTC)，其设计的目标主要有更低的设备成本、更低的功耗、更大的覆盖率和支援大量的设备连线，但外界多数认为这只是一个过渡阶段的版本，因为其功耗和建置成本还是过高，对于需要更低功耗及更大量的连结数的应用来说，其还是不够为一可使用的技术，因此3GPP在R13提出一种更低传输资料量，更低的设备成本、更广覆盖率的技术，称做NB-IoT(Narrowband-Internet of Thing)，其最大的传输资料量为200kbit/s，频宽也降至200kHz，并且其覆盖率可在提升数倍，因此各主流电信营运商无不极力支持此技术(表1)。
NB-IoT抢进物联网蓝海
物联网已发展多年，各式的应用及技术都相继被提出，如LoRa和SIGFOX，也都强调低功耗以及广大覆盖率的需求，但由于LoRa及SIGFOX使用非授权频谱，因此代表不管任何人皆可使用此频段，也形成许多不可控制的干扰问题，这变成在使用上非常不可靠，因此全球各大电信营运商倾向支持3GPP所提出之NB-IoT的技术，由于其使用授权频段，并且可以在原本的蜂巢式网路设备上快速部署NB-IoT的建置，对营运商而言便可以节省布建成本及快速整合原有长程演进计画(LTE)网路，因此可以预见未来NB -IoT将为全球主流电信商所推行的方向。
NB-IoT为一低功耗广域网路(Low Power Wide Area,LPWA)的技术，其特点便是极低的功耗和广大的覆盖率及庞大的连结数，其装置覆盖范围可以提升20dB，并且电池寿命可以超过10年以上，每个NB-IoT载波最多可支援二十万个连结，而且根据容量需求，可以透过增加更多载波来扩大规模，使单一基地台便能支援数百万个物联网连结。
在NB-IoT的设计上有几项目标，一为提升涵盖率，可以藉由降低编码率(Coding Rate)来提升讯号的可靠性，进而使讯号强度微弱时，依旧能够正确解调，达到提高覆盖率的目的，另外为要大幅提升电池使用周期，其发送的能量最大为23dBm，约为200毫瓦(mW)，还有为降低终端的复杂度，因此其调变上使用恒定包络(Constant Envelope)的方式，可以使功率放大器(Power Amplifier, PA)运作于饱和区间，让传送端有更好的使用效率，在实体层设计上，也可以简化部分元件，使复杂度降低，还有为减少系统频宽，其频宽设计在200kHz，因为在物联网上不需要这么高的传输速率，所以便不需要这么大的频谱，在使用上也能够更d性地分配，而还有一个重要设计目标就是要大幅的提升系统容量，使得大量的终端能够同时连结，其中一种方法为可以使子载波区间更小，使得在频谱资源分配上能够更加的d性，切出更多子载波分配给更多的终端。
NB-IoT在频谱上有三种布建方式，第一种为单独布建(Standalone)，此种布建方式为使用独立或全球行动通讯系统(GSM)的频谱，彼此不会互相干扰，是最单纯的布建方式，但需要一段自己的频谱。第二种是使用保护频段(Guard Band)来布建，利用LTE频谱边缘保护频段，讯号强度较弱的部分布建，优点是不需要一段自己的频谱，缺点是可能发生与LTE系统干扰问题。而第三种是在现行运作频段内布建(In Band)，部署情境如图2所示，在使用的频谱则选择在低频段上，像是700MHz、800MHz、900MHz等，因为在低频段能有更广的覆盖率，并且有较好的传波特性，对于室内环境可以有更深的渗透率。
图2 NB-IoT三种部署情境来源：NB-IoT enabling new business opportunities, 华为
然而，目前3GPP所提出之NB-IoT也包含各项不同的技术，目前主要可分为两个方向，一为由诺基亚(Nokia)、爱利信(Ericsson)和英特尔(Intel)等阵营支持的NB -LTE(Narrowband-LTE)以及华为和Vodafone支持的NB-CIoT(Narrowband-Cellular IoT)，两种技术对于营运商最大的差别在于其可以在现有的LTE环境中，有多少可以重新使用于物联网的应用中。
在NB-LTE几乎可与目前现行的LTE设备相容，但NB-CIoT可说是一个重新设计的技术，须要建构新的晶片，但在其涵盖率可望更加地提升，设备成本也更为降低，因此两个技术可说各有千秋，下面将对两个技术做一概述。
NB-LTE向后兼容降成本
在NB-LTE使用的频宽为200KHz，在下行使用的是正交分频多工存取(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)的技术，子载波频宽为15kHz，而在正交频分多工(OFDM)符元(Symbol)以及时隙(Time Slot)和子讯框(Subframe)的区间，与原有的LTE规范相同。
NB-IoT上行使用的是单载波分频多重存取(Single-carrier Frequency-Division Multiple Access, SC-FDMA)，子载波频宽为25kHz，是原本LTE子载波频宽的六分之一，而在符元以及时隙和子封包的区间为原有LTE的六倍。NB-LTE最主要希望能够使用旧有的LTE实体层部分，并且有相当大的程度能够使用上层的LTE网路，使得营运商在布建时能够减少设备升级的成本，在建置上也能够沿用原有的蜂巢网路架构，达到快速布建的目的。
以下行部分来看，在同步讯号(PSS/SSS)、实体广播通道(PBCH)及实体下行控制通道(PDCCH)等须要去做调整或重新设计，并且在原来一些控制通道，如实体控制格式指示通道(PCFICH)和实体混合自动重传请求指示通道(PHICH)，则省略去给资料做传送。而在NB-LTE中，为了将频宽缩减至200kHz，为原本LTE最小频宽14MHz的六分之一，因此将传送的时间周期拉长，所以在NB-LTE定义一种新的时间单位，称作M-subframe，其为原有LTE系统连续六个Subframe所构成，因此其时间长度为6毫秒，而六个M-subframe构成一个M-frame(图3)，在一个M-subframe，最小的调度单位为一个实体层无线资源区块(Physical Resource Block,PRB)，代表一个M-subframe中最多能够支援六个终端。
图3 NB-LTE下行封包设计来源：3GPP TR 45820
在上行部分，使用的是SC-FDMA，终端能够d性的使用各个单载波资源，在NB-IoT的应用上，接收端必须要能够容忍非常弱的讯号，而且时间延迟可能会很大，由于每个终端要与基地台做时间的对齐，其时间的误差要小于循环字首(Cyclic Prefix,CP)，所以在CP的设计上必须要更加地拉长，因此在子载波频宽的设计上为原来的六分之一，到25kHz，这么做也可以使终端设备在频谱上做更d性的配置。
NB-CIoT新设计大应用
在NB-CIoT中，下行使用的是OFDMA，与以往的LTE系统不同，NB-CIoT使用四十八个频宽为375 kHz的子载波，并使用六十四点的快速傅立叶转换(FFT)，其取样频率240kHz，也与旧有的LTE系统不同。在时间单位上，NB-CIoT一个封包由八个子封包组成，而在每个子封包可在分为三十二个时隙，每个时隙又分为十七个符元(图4)。
图4 NB-CIoT下行封包设计来源：3GPP TR 45820
其在各个讯号通道也重新设计，如同步讯号(PSS/SSS)，虽也像LTE系统使用固定振幅(Constant Amplitude)的ZC序列(Zadoff-Chu Sequence)，但其会复制两次传送，为的是增加侦测的可靠度，而在实体下行分享通道(PDSCH)原本使用涡轮码(Turbo Coding)的编码，也改为适合小资料传输的卷积编码(Convolution Coding)，可更加简化系统架构及复杂度，提高系统应对物联网需求的能力。
在上行部分，采用的是分频多重存取(Frequency Division Multiple Access,FDMA)系统，与OFDM系统相比，每个子载波间不需要正交，因此并不需要精确的时间及频率校准，而在频率使用上，NB-CIoT使用三十六个5kHz频宽的子载波，而其支援GMSK(Gaussian-shaped Minimum Shift Keying)的调变，GMSK为恒定包络的调变并且有PSK(Phase Shift Keying)的特性，可提供较高的频谱效益，并且可以使PA运作在饱和区间，得到更有效率的表现。
可以发现在NB-CIoT在整体设计上和以往LTE系统有非常大的不同，不仅在封包时间的架构上，在各个使用的通道也重新设计，因此对于营运商来说，必须要重新设计晶片模组，对于成本及建置的速度上便是一大需要顾及的地方。
NB-LTE与NB-CIoT各有千秋
NB-LTE与NB-CIoT各项技术的比较如表2所示，在NB-LTE中，大部分与原有LTE系统相同，如使用的接取技术和FFT与取样频率的大小等，但NB -CIoT，却是截然不同的设计规格。
对于营运商来说，NB-LTE能够与旧有的系统直接套用，无须耗费太大的成本，并且能够快速度布建在原有的蜂巢式网路基站中，而NB-CIoT中，不论在封包设计、取样频率或子载波频宽大小上，都与原本LTE不同，但正由于其是专为物联网所重新设计的规格，因此它在各样应用于物联网的特性上，会比NB- LTE更加地适合，如在取样频率上，NB-LTE依旧是192MHz，这在设备的成本上依旧会是一大考量，而NB-CIoT的取样频率就降至240kHz，便可以大幅降低设备成本以及耗电量。
NB-CIoT的CP也较NB-LTE更加地长，便更能够抵抗时间的延迟，使传输距离可以更远，所以NB-LTE与NB-CIoT都各有不同的优势与劣势，因此最后定案的技术与运作模式可能要等到3GPP所订出之标准规范后才能明朗化。
最终的NB-IoT的版本可能是这两个版本中选择一个，或是两个技术尽量融合成一个版本，但有几项技术原则必须要存在，包括：NB-IoT要同时支援Standalone、Guard Band及In Band的三种布建方式；使用180kHz的频宽；在下行链路使用OFDMA的系统；在上链使用GMSK或SC-FDMA系统；在L2以上的技术与通信规范，要尽量与原有LTE系统重用。
NB-IoT势在必行
在未来进入万物联网的时代，各种后端应用相继产生，因此要如何使这些应用彻底地实现，以及营运商要如何在这当中分得其中一块大饼，NB-IoT无疑是一个必要推行的技术，由于如SIGFOX或LoRa，其使用免授权频段，对于资料可靠性和安全性是一大考量，重要的是营运商如何在其中获取利益也是须要考量的部分，而NB-IoT由既有的LTE网路架构，再更新其部分设备元件，便能够快速地打入物联网市场，对于未来一日千里的通讯发展及需求，建置及部署的速度无疑是非常关键的考量，并且其使用的是授权频段，对于资料的安全性及可靠度便大大的提升，且可以减少许多不必要的干扰问题，在今年(2016)的年中预计会定出一版NB-IoT的标准规范，届时便能够看见将来的窄频物联网的发展。

5G技术带来的绝不仅仅是更快的网速，而是将万物智能互联成为可能其实，而NB-IoT是5G商用的前奏和基础，因此，NB-IoT的演进更加重要，例如支持组播、连续移动性、新的功率等级等等，只要NB-IOT等基础建设完整，5G才有可能真正实现。

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网），属于5G技术的窄带部分，基于蜂窝网络构建，消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，因其低功耗、连接稳定、成本低、架构优化出色等特点备受关注。

Cat-NB1精简的更为彻底，基本上把LTE的能力压缩到极致了，追求最低的成本，最长的续航时间，没有移动性、没有语音通讯能力、数据速率非常低，适合对成本很敏感但是终端数量级大，同时单个能力要求比较弱的应用，比如各种表计类（水表、电表、气表等），定期上传数据。

3典型场景网络覆盖不足 ，例如深井、地下车库等覆盖盲点，4G室外基站无法实现全覆盖。而在广覆盖方面，eMTC比LTE增强15dB（可多穿一堵墙），比GPRS增强了11dB，信号可覆盖至地下2-3层。

本文主要是给大家梳理一下目前市面上常用的一些无线通讯协议标准，帮助大家了解一下不同的无线网络技术由来和各自特点。

首先说一下IEEE 802154，IEEE 802154是一种技术标准，目前常用的无线通讯协议大多数是在802154标准规定的底层协议基础上，开发的上层协议而演变出来的，它规定了低速率无线个域网 （LR-WPAN）的 物理层 和 媒体访问控制 ，并由 IEEE 80215 工作组维护，该工作组在2003年定义了该标准。它是 Zigbee 的基础，另外像诸如 ISA10011a ， WirelessHART ，WIA-PA ， 6LoWPAN 和 SNAP 规范，每个标准规范都是通过开发IEEE 802154中未定义的上层进一步扩展了标准。类似于以上几种协议标准，Lora是基于IEEE802154g标准进行了上层标准的扩展定义，而IEEE802154g是在IEEE802154基础上对物理层和MAC层做了调整。除此之外wifi是基于IEEE80211b标准创建的一种无线局域网技术，通常使用24G UHF或者5G SHF ISM射频频段。IEEE 802151是由 IEEE 制定的一种蓝牙无线通信规范标准，应用于无线个人区域网（WPAN）。可以说原版IEEE802151来源于蓝牙规范并与蓝牙11完全兼容使用。

接下来我们详细说一下目前在工业物联网和消费电子领域应用比较广泛的几种无线技术，有ZigBee、WirelessHart、WIA-PA、Lora、WiFi、蓝牙bluetooth、NB-IOT、BeeLPW-T。

ZigBee是基于IEEE802154标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802154标准的规定。在工业领域的典型应用是中国油气田生产物联网自动化采集控制设备规范中明确物理层、链路层、网络层采用ZigBee通讯协议，应用层通讯采用A11-GRM通讯协议。

WirelessHART是第一个专门为过程工业而设计的开放的可互 *** 作的无线通讯标准，满足了工业工厂对于可靠、强劲、安全的无线通讯方式的迫切需求。作为HART7技术规范的一部分，除了保持现有HART设备、命令和工具的能力，它增加了HART协议的无线能力。国际电工委员会于2010年4月批准发布了完全国际化的WirelessHART标准IEC 62591（Ed10），是第一个过程自动化领域的无线 传感器 网络国际标准。该网络同样使用运行在24GHz频段上的无线电IEEE802154标准，采用直接序列扩频（DSSS）、通信安全与可靠的信道跳频、时分多址同步、网络上设备间延控通信等技术，WirelessHART标准协议主要应用于工厂自动化领域和过程自动化领域，弥补了高可靠、低功耗及低成本的工业无线通信市场的空缺。典型应用以Emerson为例，从2010年就已经开始供应WirelessHART兼容产品，从压力、流量、液位、温度、振动、pH测量等各类仪表变送器到网关节点等，逐渐有了品类齐全的无线类工业仪表产品系列。

WIA-PA标准是具有我国自主知识产权、符合我国工业应用国情的一种无线标准体系，2008年10月，该规范获得了国际电工委员会（IEC）全体成员国96%的投票，成为与Wireless HART被同时承认的两个国际标准化文件之一。WIA-PA同样基于IEEE802154标准，通讯速率250kbps，频段24GHz，工业室内通讯距离200m，室外环境可达800m，数据可靠性大于99%，自适应跳频技术，避免干扰，冗余路由技术，自组织修复网络。同时支持HART命令，兼容WirelessHART标准。典型应用是中科院沈阳自动化研究所提供技术支持参与合作的在国内辽河油田、吉林油田、大庆油田、新疆油田等现场的远程油井监测控制系统。

LoRa是semtech公司创建的低功耗局域网无线协议，基于IEEE 802154g标准，它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。Lora的工作频率在ISM 频段，包括433、868、915 MHz。

WiFi俗称无线宽带，又叫80211b标准，工作在24GHz或者5GHz频段，最高传输速率能达到11Mbps，网络覆盖范围最高可达300m，适合办公室和楼内区域使用。由于WiFi技术在结构上与以太网完全一致，所以能够将WLAN集成到已有的宽带网络中，也能够将已有的宽带业务集成到WLAN中，这样，就可以利用已有的宽带有线接入资源，迅速地部署WLAN网络，形成无缝覆盖。

蓝牙是一种短距离无线通信的技术规范，它最初的目标是取代现有的掌上电脑、移动电话等各种数字设备上的有线线缆连接。在制定蓝牙规范之初，就建立了统一全球的目标，向全球公开发布工作频段为全球统一开放的24GHz工业、科学和医学（ISM）频段。从目前的应用看，蓝牙体积小、功率低，其应用早已不局限于计算机外设，可以集成到任何数字设备中，尤其是对数据传输速率要求不高的移动设备。蓝牙有几大特点，一是全球范围适用，无需申请许可证，二是同时可传输语音和数据，三是可以建立临时性对等连接，四是具有很好的抗干扰能力。

窄带物联网（NB-IOT）是国际移动通信标准化组织为了应对日渐强烈的物联网需求，制订的一个新的蜂窝物联网的标准（CIOT），这个新标准要实现超强覆盖、超低功耗、超低成本、超大连接。NB-IOT是一个空中接口标准，主要是用在终端与基站之间的约定，包括物理层和数据链路层的一些设计规定。NB-IoT构建于 蜂窝网络 ，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

BeeLPW-T是必创科技聚焦工业场景应用，基于IEEE802154标准自主开发的一种无线通信协议，具有同步精度高、功耗低、网络自恢复等优点。大容量的同步网络节点数量和多跳能力，可为工业现场的网络覆盖及节点架设提供强大的网络协议支撑。该协议具有的天然物联网基因，能以更优的功耗将传感器的感知层数据传输至云端，较往代产品效率提高近四倍。

1、更高速灵敏的反馈

基于高精度的网络同步性能，所有设备可以工作在最优的功耗状态下，保持全网秒级的响应速度，可以满足绝大多数尤其是具有边缘计算能力低功耗设备的需求。

2、更丰富的应用方式

同步网络下的节点，真正实现协同工作，赋予数据在无线应用中时间的属性，无论星型，树状等网络模式，均可满足各种设备密度、覆盖距离的应用要求。

3、更低的维护成本

协议可以随意切换周期采样及大数据采集状态 ，针对不同工况及应用需要，兼容有线状态分析系统的采集需求；时间同步及低功耗设计，在确保网络运行精准的同时，降低了设备的无效工作时间，使得设备整体更加简练、高效。更低的功耗，可改善设备的维护周期，降低维护难度和平均维护成本，为客户提供一个安心可靠并几近无感的防护体验。
最后附表总结一下几种典型无线技术标准的特点区别：
 NB-IOTLoRaZigbeeWIFIbluetoothBeeLPW-TWIAPA

组网方式基于现有蜂窝组网基于LoRa网关基于Zigbee网关基于无线路由器基于蓝牙Mesh网关基于BeeLPW-T网关基于WIA-PA网关

网络部署方式节点节点+网关

受现场遮挡影响

节点+网关节点+路由器节点-节点节点+中继+网关节点+中继+网关

传输距离远距离，基站覆盖10公里以上远距离，可达十几公里短距离

10-100m

短距离50米10米不含中继200m不含中继200m

单网接入节点容量约20万理论约6万，实际500-5000理论6万，一般200-500个约50个理论6万理论5000通道理论6万，一般200-500个

电池续航理论10年/AA电池理论10年/AA电池理论约2年/AA电池数小时数天理论约2年/AA电池理论约2年/AA电池

成本30-70元30-40元5-15元模块约7-8s小于10元  

频段License频段

运营商频段

unLicense频段

Sub-GHZ（433/868/915MHz）

unLicense频段

24GHz

24G和5G24GunLicense频段

24GHz

unLicense频段

24GHz

传输速度理论160kbps-250kbps

实际小于100kbps

03-50kbps理论250kbps，实际小于100kbps24G：1-11Mbps

5G：1-500Mbps

1M理论250kbps理论250kbps

网络时延6-10sTBD＜1s＜1s＜1s＜1s＜1s

适合领域户外户外，工厂工厂，室内办公室，工厂移动设备工厂，车间工厂，车间

联网所需时间3 30ms3s10s3s3s

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