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NB-IoT终端标准化进展与测试验证
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  1 引言

  自“智慧地球”提出以来,物联网的概念迅速在全球范围内被认可,成为新一轮科技革命与产业变革的核心驱动力之一。物联网不仅仅是简单的海量物体接入,更是办公,交通,医疗,娱乐等多种垂直行业价值链等资源要素的高度融和。据Gartner的2016年报告预测,到2020年全球联网设备数量将达到260亿台,其中物联网接入设备达到160亿台,其市场规模将达到1.9万亿美元。而其中低流量,低功耗,低成本的物联网设备将占据物联网设备总量的90%左右。2015年,全球通信产业对于低功耗广域覆盖(LPWA:Low Power Wide Area)的物联网场景达成共识,3GPP也正式启动NB-IoT的相关研究工作。

  2 3GPP物联网标准化概述

  在NB-IoT提出之前,业界已经启动了机器类通信的研究。而在物联网领域,低功耗,广覆盖,低成本,低速率的LPWAN技术将涵盖大部分物联网业务模型。因此面向LPWAN场景下的物联网接入技术成为蜂窝及非蜂窝物联通信重点关注领域。

  在国际标准方面,3GPP一直努力推动相关机器类通信(MTC)技术的发展,且主要集中在两个方向上,如图1所示。

  图1 3GPP Rel-13中IoT相关项目关系简图

  一方面,在LTE及LTE-A演进阶段,3GPP定义了许多不同的终端类型,从而适应不同场景不同业务下的物联网终端需求。在Rel-8版本中,从速率的角度定义了Category1~5的终端类型。在之后的版本演进中,不仅制定了支持高带宽,高速率的Category6,Category9等终端类型,同时也定义了更低成本,支持更低功耗的Category0终端类型。但考虑到Category0技术需要对现有网络进行改造,升级成本与终端收益并不高,因此其被普遍商用的可能性不高,更多被认为是一种过渡。因此3GPP于2014年成立Cat.M工作组。目前Cat.M核心标准已经冻结。

  另一方面3GPP基于窄带传输的思路,讨论其演进和全新接入技术的研究。长期以来,运营商的物联网业务主要依靠成本低廉的GPRS模块提供物联网设备间通信需求。但近几年由于LoRa,Sigfox等基于非蜂窝的新型物联网技术的出现,对于GPRS模块在成本,功耗和覆盖等方面有较大冲击。因此3GPP在GERAN #62会议上成立新的SI,希望可以支持更低成本,更低功耗,更强覆盖等特性。而NB-IoT正是基于第二种思路提出的一种新的传输方案。在时延不敏感,移动性需求不高的LPWAN场景下,NB-IoT技术在续航、覆盖方面的技术优势,无疑更得到各方关注。

  2 NB-IoT标准化情况

  2.1 国际标准化情况

  2014年,3GPP在GERAN组“FS-IoT_LC”的SI项目中在初始阶段主要由3项技术被提出。分别是扩展覆盖GSM技术EC-GSM,由华为,高通主导的NB-CIoT,以及由爱立信,中兴主导的NB-LTE。

  CIoT作为GERAN#62次会议立项的SI课题,主要针对蜂窝网络对面向物联网终端的技术演进。该立项课题得到华为、诺基亚、沃达丰、中国移动、Orange和Telecom Italy等公司支持。其主要研究目标有:

  • 增强覆盖(相比传统GPRS覆盖增强20dB,MCL目标要求164dBm)
  • 支持大量低速率终端设备接入
  • 低成本设备
  • 低功耗(电池寿命达10年)
  • 支持上下行传输
  • 尽量小的网络改动

  该SI工作中,启动窄带蜂窝物联网研究,并最终形成了基于GSM的技术演进和全新的技术方案研究报告TR45.820。主要提及3项技术,分别为:扩展覆盖GSM技术EC-GSM,由华为,高通主导的NB-CIoT,以及由爱立信,中兴主导的NB-LTE。NB-CIoT提出了全新的空口技术,相对于现有LTE网络上改动较大。网络升级的代价带来NB-CIoT性能上的提高,可以全部满足TSG GERAN会议所提出的5项性能目标(提升室内覆盖,支持大规模设备连接,减小设备复杂度,减小功耗和时延)。而另一方面NB-LTE技术与NB-CIoT定位相似但更倾向于对兼容现有LTE网络,在部署上更简单。因此,在RAN#69次会议上,经过激烈讨论,各方最终达成一致,将NB-CIoT和NB-LTE两个技术方案进行融和形成NB-IoT,作为RAN工作组基于LTE的蜂窝物联网技术演进方案,正式进行立项。对NB-IoT的能力提出具体的指标要求:

  • 深度覆盖,NB-IoT比现有GPRS网络提升20dB;
  • 支持单用户上下行至少160bps,覆盖面积扩大100倍;
  • 具备支撑海量连接能力,一个NB-IoT扇区可支持5万个连接;
  • 更低功耗,5Wh的电池可供终端使用10年;
  • 时延上更灵活,对某些应用,上行的时延可放宽到10s。

  考虑到未来GSM退网,以及频谱资源等因素,EC-GSM方案作为Rel-13的GSM技术演进方案,EC-GSM技术仅会在某些特殊场景,如无法建设NB-IoT等场景中采用。

  图2 NB-IoT技术演进路线

  NB-IoT的标准提主要可分为Core Part(核心部分),性能标准及一致性测试标准等。其中核心部分标准规定的是协议的具体内容,包括信令协议,网络接入等,主要与开发相关。性能标准规定了各子技术领域的性能,同测试相关。一致性测试标准,是射频、协议、RRM的测试标准。目前NB-IoT的Rel-13版本核心标准已经冻结。

  一致性测试标准是有3GPP RAN5工作组制定,RAN5的终端一致性测试子工作组(NB_IoT-UEConTest)根据运营商和终端厂商沟通情况,将相关测试例优先级分为两个阶段,即Phase1和Phase2。目前Phase 1仅遗留少部分工作尚未完成, Phase 2也的工作也在持续推进。具体参照表1。

  表1 RAN5工作组进度图

  在2016年6月RAN#72次会议上,由Vodafone, Huawei, HI Silicon, Ericsson和Qualcomm联合提出了新的WI,即Enhancements of NB-IoT(Rel-14版本)。Rel-14版本的NB-IoT是对Rel-13版本的增强,同时保持现有NB-IoT的低成本、低复杂度、容量和覆盖能力。

  Rel-14版本的NB-IoT的增强功能包括:

  • 定位:改进Rel-13版本不支持定位的缺点
  • 移动性增强:改进Rel-13版本的弱移动性缺点
  • 组播:用于UE(嵌入式芯片ROM)软件升级、消息群发等
  • 新功率等级:MCL能适当放宽前提下,使用更低功率级别(14dBm)

  2.2 国内标准化情况

  国内物联网市场潜力巨大,但当前行业标准缺乏统一,造成了物联网市场严重的碎片化,需要尽快展开物联网技术研究和标准化工作。一方面满足物联网市场发展要求,协助运营商转型。另一方面,也能进一步推动物联网产业加快发展。目前国内主要有中国通信标准化协会(CCSA)和电信终端产业协会(TAF)在进行NB-IoT及物联网行业相关的标准化工作。其中中国通信标准化协会依托3GPP的现有框架,对面向物联网的蜂窝窄带接入的技术方法,测试方法等开展工作。电信终端产业协会则以行业为依托,以通信与垂直行业融和为基础,完善相关标准体系及内容。

  2.2.1 国内行业进展

  电信终端产业协会,于2017年开始蜂窝窄带物联网的相关技术研究和标准化工作。考虑到产业链中物联网模块企业众多,物联网模块形态各异,各厂家采用指令集亦不相同等情况,TAF在国内首个完成物联网模块协会标准。目前TAF协会具体工作进展如下:

序号

项目名称

进展

1

面向窄带物联网(NB-IoT)的终端模组总体规范-第一阶段

完成

2

面向窄带物联网(NB-IoT)的终端模组规范_Band 5分册 -第一阶段

完成

3

面向窄带物联网(NB-IoT)的终端模组规范_Band3和 Band5和Band8分册-第一阶段

完成

4

NB-IoT设备互联互通测试方法

已立项,在研

5

NB-IoT终端及模组功耗测试方法

已立项,在研

  表2 TAF蜂窝窄带接入标准进展情况

  在TAF蜂窝窄带物联网模组的相关标准规范中,全面参考和综合来自各芯片、模组、终端、行业应用提供商及运营商意见,对NB-IoT模组进行相关定义,完成了NB-IoT模组标准的第一阶段。随着技术的发展,后面会更有针对性的制定第二阶段的标准。面向窄带物联网(NB-IoT)模组系列规范主要涉及如下相关内容:

  - 外形尺寸与封装

  - 工作频段

  - 工作环境(温度及电压)

  - 接口

  - 发射功率

  - 功耗

  - 管脚功能

  - AT命令等方面进行

  2.2.2 CCSA标准化进展

  在行业标准方面,CCSA于2016年开始相关工作。目前完成报批稿7项,送审稿2项,具体如下。

  表3 CCSA蜂窝窄带接入标准进展情况  

序号

项目名称

进展

1

面向物联网的蜂窝窄带接入(NB-IoT)终端设备测试方法

完成标准报批稿

2

面向物联网的蜂窝窄带接入(NB-IoT)核心网总体技术要求

重新审查标准送审稿

3

面向物联网的蜂窝窄带接入(NB-IoT)基站设备测试方法

完成标准报批稿

4

面向物联网的蜂窝窄带接入(NB-IoT)核心网设备技术要求

重新审查标准送审稿

5

面向物联网的蜂窝窄带接入(NB-IoT)核心网设备测试方法

完成标准报批稿

6

面向物联网的蜂窝窄带接入(NB-IoT)终端设备技术要求

完成标准报批稿

7

面向物联网的蜂窝窄带接入(NB-IoT)安全技术要求

完成标准报批稿

8

面向物联网的蜂窝窄带接入(NB-IoT)基站设备技术要求

完成标准报批稿

9

面向物联网的蜂窝窄带接入(NB-IoT)无线网总体技术要求

完成报批稿

10

面向物联网的蜂窝窄带无线接入终端OTA测试方法研究

秘书处转发标准计划项目

  在CCSA蜂窝窄带接入的相关标准中,终端测试方法的标准架构基本沿用原LTE移动终端标准的架构。在传统RF、协议、RRM保持和3GPP一致,在业务功能方面做了简化,而在互联互通方面,基于NB-IoT终端工作特点,进行了全新的考虑。

  4 NB-IoT终端测试验证及后续发展

  4.1 GCF终端测试验证现状

  GCF已启动NB-IoT的验证和认证工作。NB-IoT射频(RF)、无线资源管理(RRM)和协议工作组分别为WI-259、WI-258和WI-257。与3GPP类似,GCF也将相关测试例验证工作分为优先级1和优先级2两阶段。其中射频相关测试例需验证30条,P1有10条,P2有20条。无线资源管理测试例有12条,P1阶段有6条,P2阶段有6条。协议测试例要求验证73条,P1需要验证17条,P2需要验证56条。目前仪表平台验证工作正在稳步进行中,大部分工作集中在协议和射频测试例验证。无线资源管理部分尚未有厂商提交测试例验证。截止到2017年4月初,根据GCF官方验证统计,各仪表厂商验证情况如下:

  表4 GCF各平台测试验证进展

 

国内仪表A

国外仪表B

国外仪表C

射频测试例

7

5

/

无线资源管理

/

/

/

协议测试例

9

/

6

  4.2 NB-IoT行业测试验证发展趋势

  NB-IoT作为LPWAN的一种重要技术,具备明显的技术和应用优势。目前全球运营商已经意识到物联网市场的巨大潜力,并且开始积极开展业务演示和测试。目前国内NB-IoT产业主要集中在如抄表,停车,资产追踪,交通和农业等垂直行业方面。对于传统的通信功能(射频,协议部分),芯片企业、终端企业可以依照现有LTE的标准和测试架构进行研发和测试,属于比较完善的方案架构体系。而在垂直行业方面,不同行业对于功耗、业务、工作环境等方面的要求不尽相同,目前面向垂直行业的测试验证体系及方案尚不够完善。

  TAF协会针对产业界关注的问题“功耗”和“互联互通”,做了针对性的立项进行研究,对测试维度及测试方法进行调研与研究。利用TAF及其成员的生态圈,面向垂直行业进行调研,收集行业的业务逻辑及应用场景;在TAF工作组会议上发挥运营商、芯片-模组-终端的产业链各方力量,从“管”和“端”两个层面充分研究“云”所需的应用场景与业务逻辑;进而将传统通信领域的功耗测试和兼容性测试向“云”、“管”、“端”协作演进,打造通信与垂直行业融合的测试方案体系。

  在测试解决方案方面,不同垂直行业对无线接入环境以及物理工作环境要求不一,业务逻辑和业务特征呈现明显发散态势。单一的通信测试验证解决方案对垂直行业的参考意义有所下降。同时,物联网技术带来垂直行业和通信业的新融和,进而催生出垂直行业对于基于业务的物联网通信终端/模组测试的新需求。面向不同垂直行业,打造通用型的测试验证平台,成为后续检测验证的可能发展方向之一。

  6 结论

  本文首先从物联网标准体系入手,介绍了NB-IoT在国际标准化组织中的来历和现状。进而,结合国内行业特点,对国内标准化组织在NB-IoT方面的标准工作情况进行了介绍。其次对于目前NB-IoT的终端测试验证进展和相关认证组织的工作情况进行了简单梳理。最后对于NB-IoT相关测试验证发展趋势给出了一些建议。

  参考文献:

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