蜂窝物联网技术一览-Cat-1,Cat-0,Cat-M1,NB-IoT



前言

        本文将对蜂窝物联网的几个关键规范做一个概述，对于初学者可以作为一个敲门砖，抛砖引玉。

1.   物联网通讯和LTE的蜂窝物联网技术

用在物联网应用中的技术解决方案非常多，各种各样的行业、技术标准组织都在制定对应的物联网技术方案，有的在制定中，有的还在原型测试，有的具有独立知识产权的技术方案已经在市场中应用。表-1-是目前比较流行的物联网方案的对比表，从中可以看到各种物联网通讯技术的技术特点。

表-1- 主流物联网通讯技术对比表

        物联网设备其实主要具备如下6大特点：

（1）          设计简单： 系统复杂度低能保证IoT设备在恶劣环境下正常工作，

（2）          成本低廉： IoT设备一般都是成本低，量很大，

（3）          大覆盖范围： 要保证一些在地下室的仪表、设备的数据能传输出去，

（4）          低功耗：大部分应用场景都需要使用电池功能，而且需要能工作好几年，

（5）          低速率：比如一些抄表的应用中，一天也只需要传输几十个字节就足够了，

（6）          海量设备接入：你可以想象一下一个小区里面的各种仪表和机器的数量是上万的。

 

尽管用于物联网的通讯技术很多，但到目前为止也没看到哪个技术有一统江湖的趋势。不过这个局面可能很快就要被打破了，3GPP终于开始在物联网方面采取了行动，在LTE增强版中制定了Release12和Release13的标准，用来应对各种不同机器设备之间的通讯（MTC）和物联网（IoT）需求。

对于3GPP针对物联网的技术标准，相关的信息总是很零碎，所以我在这里做一次汇总，希望大家能对蜂窝物联网技术有个基本的了解。

 

为什么单纯的LTE网络对于物联网是不理想的？

LTE设计时是为了解决一个最主要的需求：它必须足够快。尽管该技术可以满足移动宽带通讯的需求，但是它无法用在别的一些应用产品中得到很好的运用，比如穿戴式设备，工业传感器，家用电器等等。这种设备的特点是尺寸小，电池供电，而且经常会被放在诸如地下室等网络覆盖不好或者甚至无信号的地方。在大多数情况下，家里的IoT设备会利用本地局域网或者一个附近的IoT集中器，将IoT设备的数据通过WiFi，有线，DSL和光纤转发出去。但有些情况这种方法不适用，比如，对于地下室安装的功率计或者工业用的功率计，所以，最好是能使用现成的蜂窝网络作为骨干网。

LTE和物联网

尽管GSM曾经是，现在仍旧是很多物联网通讯使用的技术，但是这个技术太陈旧，而且很多网络运行商迟早会关掉它。这样未来只能在LTE网络中增加物联网通讯的特功能，但是，LTE当初的设计并没有考虑到要在一个扇区里面处理成千上万的机器设备，或者支持那些只传输很少数据的低复杂度的便宜玩意。在过去的几年，3GPP对LTE技术增加了几个增强型的标准，一些做了简化，一些是完全新的，用来实现连接IoT设备，这些新制定的标准能够满足如下几个条件：

(1)设备的射频模块成本很低，低于5美金，

(2)室内深入覆盖，以及比现有的LTE更大的覆盖范围，

(3)每个扇区支持最大50,000个设备，这些设备一天只会传很少的字节，

(4) 超低功耗，对于一天只需要传几个字节的设备，电池寿命要最大到10年,

(5)支持设备在低速率下工作，比如说，最大吞吐量只有几百K每秒，实现设计简单和低成本，而且可以极大的提高射频的灵敏度（实现室内的深度覆盖）。

很明显，单独一种IoT射频标准是不能满足所有的物联网应用场景的。一些IoT设备想比较频繁的传输数据，比如采用每秒几百K的速率进行传输，尽管这样会牺牲一些功耗，降低室内的覆盖范围。一些IoT设备可能只需要在一天里面传输50个字节数据就够了，但是这些设备可能距离基站的距离非常远，或者安装在一些很深的地下室，以至于10或者20MHz带宽的LTE网络是不能覆盖的。为了满足这两种极端情况，3GPP制定了一些增强型的标准：

(1) LTE Category 1 这种设备可以速率达到10Mbps

(2) LTE Category 0 这种设备速率可以达到1Mbps

(3) LTE Category M1 这种设备速率可以达到1Mbps，并且在降低功耗方面上做了优化。

(4) LTE Category M2 也被称为Narrow-Band IoT（NB-IoT），这种设备速率只有几百Kbps，但是在功耗上做了很大的优化，并且可以扩大室内覆盖范围。

上面四个类型设备的共同点是，他们都能和现在部署好的LTE网络通讯，只需要对基站和核心网的软件进行升级即可。有个很重要的一点就是，基站可以同时处理传统的LTE网络、LTE-Advanced移动宽带网络、以及上述的增强型物联网网络。简言之，就是不需要为IoT物联网通讯专门设计一个特有网络。

2.   LTE Cat-1和Cat-0设备

我们先介绍两个早期的针对3GPP针对物联网应用的通讯规格，以及他们的应用场景。

LTE Cat-1设备

实际上在3GPP LTE很早期的标准里，EUTRAN规范（3GPP Release 8）里面就包含了一种设备叫Category 1（Cat-1）,这种设备的设计很简单并且很省电，它的速率最大只能达到10Mbps。为了降低复杂度，Cat-1是在2008年唯一种可以使用单天线的设备类型，也就是说它不支持MIMO(多进多出)。这些都是理论描述，但是在过去的8年时间里,这种类型的设备不是很受欢迎,以至于在市面上从来没有见过这种类型的设备。

 

LTE Cat-0设备 and PSM

又过了很多年，3GPP在Release12中更进了一步,定义了LTE Category 0(Cat-0)设备。该设备的速率被进一步裁剪到1Mbps。采用半双工机制,尽管是可选特性,但是却大大降低了成本,复杂度和功耗，原因是用一个天线收发切换开关(switch)代替了全双工滤波器,这种机制使得设备不能同时收发。

另外，该标准还定义了省电模式(Power Save Mode/PSM)，该模式扩展了LTE规范，增加了一个射频接口状态。以前的设备连接模式是这样的，一种情况是和网络建立一个射频连接（RRC connected），另一种情况是实际上没有建立连接（RRC Idle），但是可以通过保持它的IP地址建立一种逻辑上的连接。就算没有连接，设备仍旧能收到来自基站发送的寻呼（paging）包，并被唤醒工作。PSM扩展了这个机制，PSM规定设备可以继续保持IP地址，并且可以在一个非常长的时间内都不需要接收paging请求，这个时间最大可以设置成12.1天。在PSM状态下，设备甚至不需要定期发送Tracking Area Updates。这样做的缺点是，当在PSM状态时，设备是无法通讯的。因为不同的应用需要不同的PSM时间，设备需要设置一个定时器值，用来控制在进入PSM之前需要保持多长时间可通讯状态。第二个定时器值是在LTE Attach Message里面发送出去的，表示PSM的持续时间。网络可以在Attach Accept Message里面确认和修改这些值。

尽管PSM不需要对射频接口的物理层进行修改，但是需要修改NAS，这样才能，当有数据来的时候，核心网知道哪些设备是可以通讯的，哪些是不可以的。Cat-1设备可以工作上现在的所有LTE网络中，但是CAT-0设备只在3GPP的Release12中规定，所以在网络侧需要进行软件更新才能支持该标准。

3.   Cat-M1设备

标准LTE设备的20MHz带宽是增加LTE产品复杂度和功耗的一个主要原因，所有LTE设备类型的LTE设备被要求能检测控制信道或者在某个信道接收数据，这些信道的带宽最大能到20MHz这么宽。对于IoT设备来说，速率是次要的。

LTE Category M1 (Cat-M1)设备

Cat-M1设备，是在3GPP Release 13标准中制定的，他的最大工作带宽只有1.4MHz，所能支持的最大速率是1Mbps。这需要对LTE的物理层进行修改，因为标准的LTE控制信道一般都是工作在标准的LTE信道带宽（比如说20MHz）。

为了满足Cat-M1设备的需求，LTE标准新增了几个控制信道，这些控制信道对标准LTE设备是不可见的，并且带宽只有1.4MHz。要注意的是，LTE总的占用频谱宽度仍旧是20MHz，但是CAT-M1设备只占用其中的1.4MHz带宽。为了能扩展扇区覆盖范围或者为了进一步改善室内覆盖，信号信息和用户数据可以重复传输，但是这样做会增加额外的冗余。

跟CAT-0设备一样，CAT-M1类型设备一样也要对网络进行软件升级。如果不升级，CAT-M1设备甚至不能搜索到网络，因为针对CAT-M1的新的信号频道都没有广播数据出来。

在很多资料里面提到了CAT-M设备，那么CAT-M和CAT-M1之间有什么区别呢？我觉得他们指的是一个东西。有些人的观点是CAT-M被改名成了CAT-M1，因为3GPP IoT工作组在Release 13规定中引入了新的窄带物联网标准，现在这个标准叫NB-IOT，也叫CAT-M2。

4.   NB-IoT/Cat-M2设备

事实上，前面的三种类型设备只是对现有3GPP LTE标准的细枝末节的修改，NT-IOT工作组致力于提出了一个更加激进的技术方案。在3GPP内部，针对NO-IOT的技术方案有几个在学习研究中，在3GPP TR45.820里面，里面有500多页详细介绍了这些技术方案。在2015年9月，3GPP终于达成了一致，从中选择了一种解决方案。关于这个决策的细节现在归档在NB-IOT工作组的描述文档中，可以参考RP-151620。

可以用在任何地方的超窄带

物联网模块的成本要很低，必须低于5美金一块，速率可以非常低，这样可以降低功耗，增强室内覆盖范围，NB-IoT对于曾经针对移动宽带应用的LTE技术来说，是一个革命性的突破：NB-IOT的工作带宽只有180KHz。这个带宽跟移动宽带LTE的20MHz带宽来说是太小了，更别用说那些三倍于20MHz带宽的载波聚合设备，现在的载波聚合设备可以绑定3个下行信道。不仅如此，NB-IOT信道也是用和LTE物理层一样的正交频分复用技术（OFDM），采用相同的子载波空间，OFDM符号周期，时隙格式，时隙长度和子帧时长，而且还是用相同的LTE的RLC，RRC和MAC协议。

部署灵活和后向兼容

NB-IOT的180KHz带宽还有一个很显著的特点是，它的部署可以有3种不同的方案，如图-1-所示。一个方案是在LTE带宽内部署一个或几个NB-IOT信道。第二种方案是使用LTE全信道的保护信道（guard band）.第三种方案是直接将一个GSM信道替换成NB-IOT信道。所有这三种部署都是后向兼容的，也就是说那些不具备NB-IOT特性的LTE设备（比如智能手机，笔记本等等）将不会在LTE主信道中看到NB-IOT信道，或者在保护带宽（guard band）里面也看不到。传统的GSM设备也不会在GSM的180KHz载波信号里面检测出NB-IoT载波信号。这些设备只会把NB-IoT信号识别成噪音。

图-1- NB-IoT的部署方式

海量设备接入和低速率

   除了窄带宽，NB-IOT的新增信道和访问管理流程都被设计成可以支持在一个扇区内连接50,000个设备，是的，是一个扇区，所以你可以想象每个设备每天能够传输的数据是很低的。

根据高通的说法，NB-IoT的设备可以实现下行500Kbps和上行40Kbps的速率，前提是信号质量好。这只是理论值，实际上，由于很多设备占用一个信道，所以摊到每个设备的速率就更低了、并且NB-IoT的设计中专门考虑到信号强度很低的情况下也能工作，这也不得不牺牲速率来实现。爱立信的一片论文提出过一个有趣的计算，当信号强度很低的时候，传输一个小UDP包需要最大7秒的时间，在这种情况下，每次数据交互，（比如基站访问，带宽分配，用户数据传输和确认），都需要重复好多次。

载波（Tone）的用法

在下行传输时，信道使用OFDM调制，集成了几个15KHz间隔的子载波，也叫作“tones”.在上行传输时，移动设备可以使用标准的15KHz载频间隔子载波传输，或者也可以采用3.75KHz载频间隔，结合在LTE里面使用的SC-FDMA调制。什么时候采用3.75KHz载频间隔呢，当终端设备可以接收到来自基站的数据，但是由于设备的小天线、低发射功率、或者是环境导致信号条件恶化等情况时，往往无法让基站接收到终端发出的数据。通过使用3.75KHz载频间隔，可以让终端设备的发射功率更加集中在更窄的带宽内，这样可以改善线路预算（link budget），提供基站收到数据的成功率。一些信号很低的场景我们叫做“极端覆盖”，NB-IoT可以工作比GSM临界工作环境再恶化20dB的环境。

对于那些更关注功耗的终端设备，NB-IoT定义了Class 5设备，限制了最大发射功率为20dBm（0.1瓦）。另外，可以根据现场射频环境和速率要求，设备可以在单载波（Single Tone）或者3、6个多载波（Multi-Tone）上进行通讯。根据我们前面描述、我们会发现传统的LTE信道不会被用作NB-IOT。尽管一些基本概念（类似随机访问、分派传输机会）是一样的，但是NB-IoT的信道包格式和信道部署都是全新的。

射频安全性和后向兼容

从射频安全性的角度看，NB-IoT完全采用了LTE的认证、加密机制，这些机制依靠SIM卡。小的终端设备会采用嵌入式SIM卡（eSIM），它的作用跟普通的SIM卡一样，但是尺寸更小，并且可以直接焊在电路板上。NB-IoT无法和LTE、GSM、UMTS后向兼容，所以NB-IoT设备只能和支持NB-IoT协议的设备通讯。在实际应用中，终端设备可以通过增加必要的电路来支持上面提到的所有标准，但是重选择和切换是不支持的。

总结

跟3GPP以前制定的那些物联网通讯协议比较，NB-IoT是目前为止最全面，也最接近实施的一个标准。NB-IoT主要在功耗、成本和低速率上做了优化，他为硬件制造商在未来两年提供了解决方案，也可以让很多机器设备增加通讯的功能，而且还不需要再额外增加本地集中器之类的东西了。表-2-是前面讨论的几个技术的参数对比。

 

表-2-蜂窝物联网几个主流技术的技术对比

目前本章中没提到，但是也是很重要的一点是，NB-IoT的射频协议栈的上层也支持IP协议。由于NB-IoT定义的速率很低、还有我们前面的一个论文里提到传输一个IP包可能需要7s的时间，所以TCP传输不能适用于大部分的NB-IoT应用场景，UDP有可能会在IoT领域里广泛采用。但是IP还是很重要的，IoT设备可以不需要通过某些中间设备而直接连入Internet。很多用户和我一样，希望有种智能设备，他可以直接进行通讯，而不是需要在终端设备和Internet之间还要有一个设备用来翻译更高层的协议栈内容。

5.   如何在3GPP中找到关于NB-IoT的资料

上文的大部分内容都是基于3GPP的技术报告（Technical Report），这些技术报告里面总结了前期曾经研讨过的不同的技术方案，RP-151621包含了工作组对于NB-IoT的描述，以及为了适应IoT应用的折衷策略。但是，究竟NB-IOT在3GPP的哪里规定的呢？

答案是：无处不在！原因是3GPP已经决定不会专门给NB-IoT设置一个专门的标准文档。因为NB-IoT是基于LTE技术的，所以所有针对NB-IoT的新增规范就会增加到现有的标准文档中。比如说，当前的Release 13版本中，物理层、MAC或者RRC层的协议规范中，不包含NB-IoT。

新增的NB-IoT协议层部分在哪里

大部分的NB-IoT协议内容都是在RAN ad-hoc会议中催生出来的，所有的内容都集中在几个大的CR里面，这样在不远的将来会集中到一个实际的标准文档中。这些大CR中有一个是和NB-IoT强相关的，当前的版本可以在R2-163218中找到(E-UTRAN Overall Description – Stage 2)。但是这只是一篇文档，我们可在RAN2 ad-hoc关于NB-IoT的文档列表中，找到更多的信息。网址如下：

http://www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN/WG2_RL2/TSGR2_AHs/2016_05_LTE_NB_IoT/Docs/

在列表的最后，有个Excel表格，里面包含了所有文档的概述。U列表示这个CR将会合入到哪个3GPP规范里去，那些已经明确标明规范标准号的文档要优先去看。

NB-IoT物理层修改的协议部分在哪里

3GPP RAN2 NB-IoT ad-hoc负责实施Layer2和3，RAN1负责实施物理层，也就是Layer1。RAN1也为了NB-IoT成立了一个ad-hoc，该标准的状态可以在下面的链接中找到。

http://www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN/WG1_RL1/TSGR1_AH/LTE_NB-IoT_1603/Docs/

在这个连接的最后也有一个Excel文档来概述所有文档，但是这边文档没有“rolling CRs”去记录所有的修改。这些ad-hoc的文档是非常有用的，因为这些文档标示出了所有跟NB-IoT相关的增加和修改，这样方便读者可以很快的熟悉该技术。