回顧NB-IoT 和 eMTC的作用和應(yīng)用分析

當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的大多數(shù)設(shè)備彼此之間，以及這些設(shè)備和與云端的應(yīng)用之間的通信通常采用傳統(tǒng)的機(jī)對(duì)機(jī)（M2M）無線通信技術(shù)。然而要求全球性覆蓋率及移動(dòng)性的某些應(yīng)用，將會(huì)采用蜂窩技術(shù)。當(dāng)前，主要采用2G和3G網(wǎng)絡(luò)，但未來屬于例如增強(qiáng)機(jī)型通信 (eMTC) 和窄帶 IoT (NB-IoT)等新技術(shù)。借助這些技術(shù)，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商可以覆蓋更大的無線 IoT 市場(chǎng)份額。

例如省電模式(PSM)、擴(kuò)展 不連續(xù)接收周期 (eDRX) 和增強(qiáng)覆蓋 (CE) 等功能，可根據(jù) IoT 應(yīng)用的不同需求，對(duì)無線接口進(jìn)行調(diào)整。為了滿足性能和可用性方面的全部要求，所有通信層（物理層、信令層、IP 層和應(yīng)用層）必須相互協(xié)同地工作。因此，必須增強(qiáng)端到端的應(yīng)用測(cè)試功能，以優(yōu)化電源消耗和反應(yīng)時(shí)間等指標(biāo)。

圖 1 M2M 蜂窩連接的增長(zhǎng)趨勢(shì)圖片來源：Cisco.1

高移動(dòng)性和廣覆蓋的 IoT 應(yīng)用利用了衛(wèi)星技術(shù)或蜂窩移動(dòng)無線電技術(shù)。目前，約 86% 的蜂窩 IoT 設(shè)備采用了第二或第三代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)1。典型應(yīng)用包括船隊(duì)管理、集裝箱跟蹤、咖啡自動(dòng)售賣機(jī)、ATM 銀行業(yè)務(wù)和個(gè)人健康監(jiān)控等。這些應(yīng)用中的絕大多數(shù)應(yīng)用產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量很小，通常只需要 SMS短信 服務(wù)來傳輸這些數(shù)據(jù)即可。圖 1 給出了 M2M 蜂窩連接的年預(yù)期增長(zhǎng)率。

第四代移動(dòng)通信目前尚未在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域成為主流。由于 LTE 的優(yōu)先主要針對(duì)移動(dòng)帶寬市場(chǎng)，因此，IoT 對(duì) 4G 技術(shù)的需求很小。此外，相較于 GSM 數(shù)據(jù)卡，典型的 LTE 數(shù)據(jù)卡的成本仍偏高，且 2G/3G 網(wǎng)絡(luò)的全球覆蓋率仍遙遙領(lǐng)先。然而，LTE 的某些方面正在不斷地增強(qiáng)該技術(shù)的吸引力。其中之一即全球覆蓋：根據(jù) GSMA預(yù)測(cè)，4G LTE 網(wǎng)絡(luò)將在 2015 年末覆蓋超過三分之一的全球人口；至2020年，發(fā)達(dá)國(guó)家預(yù)期達(dá)到“完全”覆蓋。

在頻譜利用率、延遲和數(shù)據(jù)吞吐量等方面，LTE 具備額外的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。LTE 的長(zhǎng)期可用性則是另一個(gè)考慮因素。第二代網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)運(yùn)營(yíng)了25年以上，即使其技術(shù)規(guī)范中引入了某些未來發(fā)展可能性，運(yùn)營(yíng)商還是有可能關(guān)閉這些網(wǎng)絡(luò)。因此，該領(lǐng)域正在尋找在成本、功耗和性能等方面比目前的 2G 解決方案更具競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力的 LTE 解決方案。

3GPP 組織在IoT方面的進(jìn)展

3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)同樣認(rèn)識(shí)到 IoT 市場(chǎng)對(duì)優(yōu)化解決方案的需求，并對(duì)機(jī)器類通信做了特定的強(qiáng)化處理。例如，該委員會(huì)在 Rel. 10/11 中定義了相關(guān)功能，以防止移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)過載。

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商必須應(yīng)對(duì)數(shù)千個(gè)設(shè)備試圖同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)的可能性。出現(xiàn)例如電網(wǎng)斷電后電力恢復(fù)等突發(fā)性事件時(shí)，可能出現(xiàn)這種情況。過載機(jī)制和信令流量減小等技術(shù)的引入正是為了處理這類事件的發(fā)生。許多 IoT 應(yīng)用（例如傳感器網(wǎng)絡(luò)）很少發(fā)送數(shù)據(jù)，且更新速率無需精確到秒。這些設(shè)備可能通知網(wǎng)絡(luò)它們可以接受連接建立期間的較長(zhǎng)延遲（延遲容忍接入）。

Rel.10 包含有一個(gè)流程。該流程允許網(wǎng)絡(luò)先拒絕這些設(shè)備的連接請(qǐng)求，并延遲到稍后的某個(gè)時(shí)間再處理這些設(shè)備（延長(zhǎng)等待時(shí)間）。隨著 Rel.11 的推出，可以采用接入等級(jí)機(jī)制，對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的接入進(jìn)行控制。采用這種技術(shù)時(shí)，當(dāng)且僅當(dāng)網(wǎng)絡(luò)為某個(gè)設(shè)備分配了當(dāng)前容許的某個(gè)等級(jí)，該設(shè)備才可以建立（至該網(wǎng)絡(luò)的）連接。網(wǎng)絡(luò)會(huì)發(fā)送一種位圖，即擴(kuò)展訪問限制 (eab) 位圖，并通過該位圖識(shí)別允許接入的等級(jí)。

對(duì)于用來解決低數(shù)據(jù)流量、低功耗和低成本等需求的 IoT 設(shè)備來說，目前仍缺乏優(yōu)化解決方案。該委員會(huì)在 Rel.12 中開始關(guān)注這些問題。人們很快會(huì)明白，對(duì)于各種應(yīng)用，這類問題的解決不存在單一的簡(jiǎn)單解決方案。

Rel. 10 和 11 中引入的這些流程可以確保 IoT 應(yīng)用的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性，以及蜂窩網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)前和今后的設(shè)備不會(huì)對(duì)移動(dòng)寬帶服務(wù)產(chǎn)生危害性影響。

低成本、低功耗設(shè)備

例如集裝箱跟蹤、垃圾箱管理、智能電表、農(nóng)用傳感器以及運(yùn)動(dòng)和人身健康跟蹤器等應(yīng)用的需求呈現(xiàn)出極大的差異性。

因此，Rel.12 集中關(guān)注功耗更小的經(jīng)濟(jì)型調(diào)制解調(diào)器。定義了省電模式(PSM，對(duì)于采用電池供電的設(shè)備來說，尤其重要)和新的 LTE 設(shè)備等級(jí) 0 - 其復(fù)雜性只有 LTE 1類 調(diào)制解調(diào)器的一半。其原則是犧牲某些功能，以減小硬件復(fù)雜性，從而實(shí)現(xiàn)低成本設(shè)計(jì)和高能效運(yùn)行。

該 PSM 流程在數(shù)據(jù)鏈路中斷后或周期跟蹤區(qū)更新 (TAU) 過程結(jié)束后啟動(dòng)（見圖 2）。設(shè)備會(huì)先進(jìn)入空閑模式；此后，周期性地切換到接收模式，以接收消息（不連續(xù)接收）。因此，通過尋呼操作仍然可以訪問該設(shè)備。定時(shí)器 T3324 超時(shí)后，將進(jìn)入省電模式。進(jìn)入該模式后，設(shè)備應(yīng)該保持在網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)狀態(tài)而始終處于消息發(fā)送就緒狀態(tài)。

圖 2 PSM 和擴(kuò)展 eDRX.

但是，接收器實(shí)際上被關(guān)機(jī)，故通過尋呼操作不能訪問到該設(shè)備。因此，PSM 適用于僅向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送少量數(shù)據(jù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)。該模式不適用于要求傳感器給出快速響應(yīng)或者實(shí)時(shí)性高的應(yīng)用。

使用了 PSM 的應(yīng)用，必須容許這種行為特性，且其設(shè)計(jì)過程必須考慮空閑模式和節(jié)電模式最優(yōu)定時(shí)器值的選擇。

LTE 等級(jí) 0 的引入，其最初意圖是顯著減小 IoT 市場(chǎng)中 LTE 調(diào)制解調(diào)器的成本。為此，通過將所支持的數(shù)據(jù)傳輸率下調(diào)至 1 Mbps 減小調(diào)制解調(diào)器的復(fù)雜性。這將處理器和存儲(chǔ)器容量等方面的需求降低至最小程度。制造商還可以棄用全雙式模式（即，同時(shí)接收和發(fā)送）和多天線設(shè)計(jì)。其結(jié)果是，這類設(shè)備不需要雙工濾波器。LTE 等級(jí) 0 是 Rel.13 中引入的 LTE M1等級(jí) 的一個(gè)過渡性階段。 Release 13.借助M1等級(jí)，推出了其它更多成本消減措施，尤其是減小上行和下行鏈路的帶寬、減小數(shù)據(jù)傳輸率和發(fā)射功率等。

與 LTE M1等級(jí) 同步推出了名為 NB-IoT 的新標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)的需求模式包括極低功耗、極低成本、樓宇內(nèi)增強(qiáng)型接收效果和利用極小數(shù)據(jù)流量支持大量設(shè)備。NB-IoT 的帶寬僅 180 kHz，可采用未用 LTE 帶內(nèi)資源塊、 相鄰 LTE 載波（保護(hù)頻帶）之間的空閑頻譜或獨(dú)立頻譜（例如，未用 GSM 載波中的獨(dú)立頻譜）進(jìn)行部署。

借助 NB-IoT，3GPP 創(chuàng)建了一種全新的蜂窩空中接口。該接口完全符合典型機(jī)器型通信的要求。表 1 簡(jiǎn)要列出了符合不同 IoT 應(yīng)用需求的不同 LTE 終端等級(jí)。

其它特點(diǎn)，例如，降低功耗等，也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。借助 eDRX 擴(kuò)展了連接模式或空閑模式中的時(shí)隙；

調(diào)制解調(diào)器可以進(jìn)入接收模式以接收呼叫信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息。DRX 定時(shí)器決定該操作的出現(xiàn)頻率。目前，空閑 DRX 定時(shí)器的最短時(shí)間間隔為 2.56 秒。對(duì)于預(yù)期每 15 分鐘才接收一次數(shù)據(jù)且延時(shí)要求較寬松的設(shè)備來說，該頻度已經(jīng)高了。

PSM 和 eDRX 間的主要差別在于允許設(shè)備駐留在某種掉電模式的時(shí)間長(zhǎng)度和至接收模式的切換流程。采用 PSM 模式的設(shè)備，必須先進(jìn)入 Active 模式，以接收（數(shù)據(jù)），再在空閑模式駐留一段特定長(zhǎng)度的時(shí)間。采用 eDRX 的設(shè)備可以駐留在空閑模式；無需任何信令，即可快速進(jìn)入接收模式。

例如，某個(gè)設(shè)備可能期望收到來自服務(wù)器的、頻度極小的自發(fā)性消息（例如，每天一條），但應(yīng)用要求在不超過 10 分鐘的時(shí)間內(nèi)給出應(yīng)答。如果該設(shè)備采用 PSM，則它必須至少以 10 分鐘的間隔時(shí)間執(zhí)行離開 PSM 模式、完成一次 TAU，在空閑模式駐留一段短時(shí)間等操作。然而，若使用 eDRX，該設(shè)備僅需每 10 分鐘進(jìn)入接收模式一次：這種方式的功耗更??；產(chǎn)生的信令開銷更低。對(duì)于每天僅發(fā)送一次數(shù)據(jù)、且在除此之外的其它時(shí)段無需進(jìn)行通信的傳感器設(shè)備，PSM 的節(jié)電功能可能是最合適的。某些情況下，在連接模式、空閑模式和節(jié)電模式中組合運(yùn)用例如 eDRX 等的多種節(jié)電功能可能更為明智。

值得指出的是，在 eMTC 和 NB-IoT 中引入了某些覆蓋增強(qiáng)功能，以覆蓋例如安裝在地窖中的智能電表等應(yīng)用。其中的一個(gè)原理是冗余傳輸，例如，根據(jù)實(shí)際覆蓋條件在一段時(shí)間里重復(fù)發(fā)送同樣的數(shù)據(jù)。但是，多次發(fā)送相同數(shù)據(jù)顯然會(huì)占用更長(zhǎng)時(shí)間，且最終影響總功耗。如圖 3 所示，設(shè)計(jì)所定義的一組參數(shù)會(huì)影響設(shè)備電池的使用壽命 - 某些場(chǎng)合下，這些參數(shù)取決于網(wǎng)絡(luò)配置或?qū)嶋H網(wǎng)絡(luò)條件。

圖 3 設(shè)備電池工作壽命的影響參數(shù)

端至端應(yīng)用測(cè)試

基于應(yīng)用的通信行為和參數(shù)的相關(guān)假設(shè)，從理論上計(jì)算電池的使用壽命是一個(gè)良好的起點(diǎn)。

但實(shí)際中的應(yīng)用行為可能差異極大且其行為特性還可能隨著實(shí)際情況的改變而改變。例如，某個(gè)傳感器當(dāng)且僅當(dāng)達(dá)到某個(gè)閾值時(shí)才會(huì)報(bào)告其實(shí)際值。但是，只要傳感器的值大于該閾值，傳感器會(huì)不斷地給出周期性報(bào)告。一般情況下，端至端應(yīng)用的整體性通信行為特性，包括通信觸發(fā)器（客戶端發(fā)起、服務(wù)器發(fā)起、周期性的）、延時(shí)要求、網(wǎng)絡(luò)配置、數(shù)據(jù)吞吐率或移動(dòng)性要求等，都必須予以考慮（見圖 4）

圖 4 需要考慮的端至端因素。

PSM 和 eDRX 的特性呈現(xiàn)稍許差異，但可以幫助實(shí)現(xiàn)電池使用壽命方面的要求。設(shè)備和應(yīng)用開發(fā)人員面臨的問題是：如何最高效地利用這些工具。這要求深入地理解功耗的全部影響因素并對(duì)其進(jìn)行分析。首先要考慮設(shè)備上和服務(wù)器側(cè)運(yùn)行的應(yīng)用，且包括移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的行為特性和IP 網(wǎng)絡(luò)的特性。

上述因素對(duì)諸如 RF性能、電池功耗、協(xié)議行為和應(yīng)用性能等參數(shù)進(jìn)行評(píng)估提供了參考?？傮w上，該工作首先要基于通信模型選擇不同功能和不同參數(shù)進(jìn)行詳盡分析；且在良好受控的、仿真及實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)條件下進(jìn)行結(jié)果的驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果對(duì)指導(dǎo)該工作非常有用。它不僅檢測(cè)模型假設(shè)，而且還揭示非理想網(wǎng)絡(luò)條件的影響作用。還可對(duì)網(wǎng)絡(luò)不支持某個(gè)功能情形或使用不同定時(shí)器的情形進(jìn)行檢驗(yàn)。歸根到底，可以更好地理解整個(gè)應(yīng)用的行為特性。

獨(dú)特的測(cè)試解決方案

對(duì)于端至端的應(yīng)用，測(cè)試、檢驗(yàn)和優(yōu)化等方面的需求越來越多；且這些需求正在不斷超出純粹的 RF 測(cè)試和協(xié)議測(cè)試范疇。測(cè)試和測(cè)量設(shè)備制造商正在解決這類要求。例如，羅德和施瓦茨基于R&S CMW500/290 綜合無線測(cè)試平臺(tái)和 R&S CMWrun 遠(yuǎn)程控制軟件工具提供了一種解決方案。

它允許在一個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)與不同參數(shù)相關(guān)的詳細(xì)測(cè)試結(jié)果；這些參數(shù)有例如移動(dòng)信令流量、IP 數(shù)據(jù)流量或功耗。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，很難可靠地重現(xiàn)和測(cè)試端至端的應(yīng)用需求。但是，該測(cè)試平臺(tái)可對(duì)無線通信系統(tǒng)和IP 數(shù)據(jù)吞吐量同時(shí)進(jìn)行仿真、參數(shù)設(shè)置和分析。

采用程控工具CMWrun可以直接配置測(cè)試腳本，且使用者不需要儀表遠(yuǎn)程控制方面的任何特定編程知識(shí)。對(duì)于參數(shù)配置和測(cè)試容限等工作，它還提供了全方位的靈活性。該解決方案的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于： 用戶可直觀地對(duì)應(yīng)用和來自信令或 IP 活動(dòng)的通用事件標(biāo)記進(jìn)行組合和使用。

例如，在端至端應(yīng)用測(cè)試中，同步的多條曲線可以顯示當(dāng)前流量和 IP 數(shù)據(jù)吞吐量。分析期間，用來指示信令事件或 IP 狀態(tài)更新信息的同步事件標(biāo)記會(huì)顯示在兩個(gè)圖上。這確?？梢赃_(dá)到更高測(cè)試級(jí)別，以便用戶查看信令或 IP 事件對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)流和 IP 吞吐量的影響作用。這有助于理解應(yīng)用參數(shù)之間的依賴關(guān)系以及如何優(yōu)化這些參數(shù)。

首先用戶可以僅僅查看綜合通信行為，例如IP 連接數(shù)量、發(fā)送的消息，或者，通信和信令事件。下一步，它還可讓用戶查看不同活動(dòng)狀態(tài)、eDRX 或 PSM 狀態(tài)下的功耗水平。進(jìn)而，它還可用來幫助調(diào)節(jié)eDRX 或 PSM 的相關(guān)參數(shù)，甚至于調(diào)節(jié)應(yīng)用特性。最后指出的是，它可以幫助完成同實(shí)際情況的不同場(chǎng)景進(jìn)行分析。綜上，為了滿足例如電池使用壽命長(zhǎng)達(dá) 10 年的苛刻型應(yīng)用需求，端到（E2E）端應(yīng)用測(cè)試技術(shù)正變得越來越重要。