縱論物聯(lián)網(wǎng)（三）：3GPP物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

張宏韜 2018-09-01

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導(dǎo)語

縱論物聯(lián)網(wǎng)（三）：3GPP物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

本文重點介紹一下國際電聯(lián)下的標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用推進(jìn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其中最具知名度的技術(shù)就是NB-IoT了。

3GPP是什么？

為了解決各國2G蜂窩通信系統(tǒng)互不兼容的問題，各國通信標(biāo)準(zhǔn)化組織在1998年12月成立了3GPP，最初成立的目標(biāo)是實現(xiàn)由2G網(wǎng)絡(luò)到3G網(wǎng)絡(luò)的平滑過渡，保證未來技術(shù)的后向兼容性，支持系統(tǒng)間的漫游。

現(xiàn)在3GPP已經(jīng)發(fā)展成為最具權(quán)威的國際移動通信標(biāo)準(zhǔn)制訂機(jī)構(gòu)，4G以及未來5G的通信標(biāo)準(zhǔn)都是由3GPP來制訂。3GPP每一個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范都叫做一個Release，簡稱R-xx，xx是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字編號，比如最早1999年的R99，之后的版本號是R4，R5，等等。

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3GPP與各種標(biāo)準(zhǔn)化組織的關(guān)系

GPRS是在GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，用來解決2G網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)需求。現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)項目中。不過由于GPRS的功耗較高、系統(tǒng)容量有限等缺點，所以業(yè)界一直尋求GPRS的低功耗低成本的替代方案，也就是LPWAN技術(shù)。前文介紹過的LoRa、SigFox都屬于這類技術(shù)。

不過LoRa，SigFox都是公司提出的私有標(biāo)準(zhǔn)，3GPP作為國際性的標(biāo)準(zhǔn)化組織當(dāng)然也沒閑著，針對物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)需求，3GPP也提出了一系列物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，總的來說可以分為三類：

基于LTE網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的LTE-M技術(shù)
基于GSM/EDGE網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的EC-GSM
以NB-IoT為代表的Clean Slate技術(shù)。

LTE-M（eMTC）

LTE-M，即LTE-Machine-to-Machine，是基于LTE演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。LTE-M在3GPP標(biāo)準(zhǔn)R12中叫低功耗MTC（Low-Cost MTC），其中MTC是Machine Type Communications的縮寫。

在R13中LTE-M被稱為 enhanced MTC ，也就是目前媒體在宣傳的eMTC。旨在基于現(xiàn)有的LTE載波滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需求。

為了適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，3GPP在早期的LTE標(biāo)準(zhǔn)中，曾定義了最低速率的UE設(shè)備為Cat-1，這種設(shè)備不支持MIMO，使用單天線傳輸速率低，功耗也低，上行速率為5Mbps，下行速率為10Mbps。

為了進(jìn)一步降低功耗并滿足低速率需求，3GPP到了R12中又定義了更低成本、更低功耗的Cat-0，其上下行速率為1Mbps。

一般的LTE設(shè)備的信道帶寬可以達(dá)到20MHz，對于低速率的IoT設(shè)備來說，完全不需要這么寬的工作帶寬。在R13標(biāo)準(zhǔn)中制定了Cat-M1設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，最大工作帶寬只有1.4MHz，所能支持的最大速率是1Mbps。下圖可以看出LTE cat-M1與LTE cat-1、LTE cat-0的傳輸速率比較。

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各種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的速率比較

EC-GSM

3GPP下面有好幾個技術(shù)規(guī)范組（TSG），比如TSG RAN是負(fù)責(zé)制訂LTE標(biāo)準(zhǔn)的。另外還有一個專門負(fù)責(zé)GSM/EDGE標(biāo)準(zhǔn)的TSG GERAN。GERAN是GSM/EDGE Radio Access Network是縮寫，意思是GSM/EDGE無線接入網(wǎng)絡(luò)?；贕SM演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)自然也由TSG GERAN來負(fù)責(zé)。

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3GPP組織結(jié)構(gòu)

2014年3月，3GPP GERAN 提出，要將窄帶（200 kHz）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)遷移到GSM上，尋求比傳統(tǒng)GPRS高20dB的更廣的覆蓋范圍，并提出了5大目標(biāo)：提升室內(nèi)覆蓋性能、支持大規(guī)模設(shè)備連接、減小設(shè)備復(fù)雜性、減小功耗和時延。這些目標(biāo)也可以認(rèn)為是LPWAN技術(shù)的共同追求。

2015年，TSG GERAN #67會議報告表示，制訂的EC-GSM技術(shù)已滿足5大目標(biāo)。EC-GSM，即擴(kuò)展覆蓋GSM技術(shù)（Extended Coverage-GSM）。雖然標(biāo)準(zhǔn)化已經(jīng)完成，但沒有什么落地的應(yīng)用。

NB-IoT

3GPP在R12/R13在LTE標(biāo)準(zhǔn)中加入了MTC相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但其本質(zhì)是在既有LTE技術(shù)與架構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，并不是針對物聯(lián)網(wǎng)全新設(shè)計。不同于MTC，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)(Cellular Internet of Thing, CIoT)項目建議針對物聯(lián)網(wǎng)特性全新設(shè)計，不一定要兼容既有的LTE技術(shù)框架。

2015年8月，3GPP的TSG RAN開始立項研究窄帶無線接入全新的空口技術(shù)，稱為Clean Slate CIoT。Clean Slate的字面意思就是清白歷史，意味著拋掉LTE技術(shù)的歷史包袱，重新開始設(shè)計。

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