NB-IoT与LoRa技术详解及竞争态势分析（一）

“物联网”概念在1999年美国麻省理工学院首次被提出，狭义的物联网指的是“物—物相连的互联网”，这里相连的主体既包括物品到物品，也包括物品到识别管理设备。物联网是继互联网后对人类发展起到促进作用的重大技术创新。中国政府为此提出《物联网2020行动计划》。

物联网技术主要体现在通讯和传感器两个方面：

物联网通信技术

NB-IoT的标准及进展

1、RAN方面

2014年5月，华为收购了Nuel公司，开始和沃达丰进行窄带蜂窝物联技术的研究，提出了窄带技术NB M2M。2015年5月，华为、沃达丰联合高通共同制定了相关的上下行技术标准，融合NB OFDMA形成了NB-CIoT。

NB-CIoT提出了全新的空口技术，相对来说在现有LTE网络上改动较大，但NB-CIoT是提出的6大Clean Slate技术中，唯一一个满足在TSG GERAN #67会议中提出的5 大目标（提升室内覆盖性能、支持大规模设备连接、减小设备复杂性、减小功耗和时延）的蜂窝物联网技术，特别是NB-CIoT的通信模块成本低于GSM模块和NB-LTE模块。

此时，爱立信和诺基亚联合推出窄带蜂窝技术NB-LTE，与NB-CIoT的定位较为相似，但NB-LTE更倾向于与现有LTE兼容，其主要优势在于容易部署。2015年7月，爱立信和华为分别向3GPP提交标准提案。最终，在2015年9月的RAN #69会议上经过激烈讨论后协商统一，由3GPP在Rel-13版本中将两种技术融合形成了NB-IoT标准。

NB-IoT从窄带技术演变为3GPP的正式标准，相关厂商、运营商积极的推动和市场真实存在的需求是两个不可忽略的因素。

3GPP的通信技术标准主要可分为Core Part（主体功能）、性能标准及RF一致性测试标准等。其中，主体功能标准指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；性能标准主要是各个子技术领域的性能，跟测试强相关；一致性测试标准，主要包括一些流程及功能的测试标准。

2、SA\CT 方面

从Rel-12开始，3GPP逐步在研究MTC通信增强的核心网架构，至Rel-13开始重点研究NB-IoT及DECOR/eDECOR相关技术。

3GPP核心网侧与NB-IoT相关的主体标准大部分处于stage2（业务与系统架构），2016下半年至2017年初启动stage3（核心网与终端）的相关工作。

为了满足海量碎片化、低成本、低速率、低功耗的NB-IoT物联网应用，核心网方面主要考虑了以下方面的问题。

面向NB-IoT进一步提高对非频繁小包传送的处理效率。由于NB-IoT终端的数量可能呈指数型增长，但每个终端的数据量及通信周期都比较低，而以现有的EPS核心网（基于S1接口）去处理此类业务，其效率将非常低且有过载的风险，因此，需要最小化整个EPS系统的信令开销，尤其是空口部分（如：RRC连接的建立和释放），此外，还需要加强EPS系统安全流程（此部分是由SA WG出）。

目前有两种优化方向，一种是基于控制面的优化方案，即通过NAS过程来传送小包；另外一种是基于用户面的优化方案，即通过RRC suspend 态在UE 和RAN节点同时缓存用户的上下文，以减少信令的交互。以上两种优化方案在TS23.401 Rel-14版本中均已加入，方案一作为必选方案，而方案二为可选方案。目前，3GPP倾向于采用基于控制的优化方案，此部分标准在CT（核心网与终端）的主体工作目前还在进行当中。

3GPP没有专门定义此类业务的业务模型，目前还处于研究状态，预计在Rel-14版本中解决，其业务模型属于MAR（移动终端周期性上报）业务模型的变种，需要在定位、移动性、传输效率等方面有进一步的增强和优化。

针对海量静止或限制移动性的终端，由于空口资源稀缺、核心网接口资源有限等原因，3GPP SA2目前还在进行寻呼优化的讨论，预计将在Rel-14中完善此部分功能。寻呼优化的主要思路是考虑仅在用户上一次接入的eNB 或小区内进行寻呼而非整个TA（初步假设，NB-IoT小区的TA code与现有eNB小区的TA code 是不同的），以节省空口及核心网的相关资源。

在同样的覆盖区域，NB-IoT 的设备是海量的，远多于传统的蜂窝终端设备。运营商在窄带频谱下运营，有可能并不能提供足够的寻呼所需资源、UE的标识（S-TMSI，IMSI）。与传统蜂窝相比，由于小数据包的消息量限制，单次寻呼消息中要包含以上标识是极为受限的；另外一方面，覆盖增强是标准中强制要求的，因此，寻呼消息可能要占用更长时间（重复发送相同的寻呼消息的间隔周期更长）。

大部分NB-IoT设备被认为是静止或很少移动的，因此可以对其寻呼范围进行限制，不需要在其所属的整个TA进行寻呼，这样可以减少对寻呼资源的消耗。但是，当UE 进入IDLE模式时，eNB上报给MME的上一次为NB-IoT UE服务的小区信息可能是不准确的（甚至静止的用户也存在这种可能）。这是因为在UE 静止的情况下，用户的主服小区的改变可能由各种原因引起，如射频负载条件改变、邻小区的射频条件改变（类似建筑物的阻挡，导致UE接入其他基站）。

现网部署时，核心网可能会存在多个NB-IoT的DCN（DedicatedCore Network）。根据TSG RAN侧TS23.236的输出，NB-IoT DCN可能会同时连接到E-UTRAN和NB-IoT的RAN节点，可以根据用户类型采取两种不同方案为其选择合适的DCN。一种是重定向方案，参考TR23.707 DECOR功能；另一种是UE辅助，参考TR23.711中的eDECOR。从目前协议的进展来看，由于重定向流程会导致UE与RAN及网络侧之间产生额外的信令交互，所以DECOR部署的可能性较小，可能会作为过渡方案；而eDECOR由于对UE有影响，目前还处于初期研究阶段，将在Rel-14后期逐步完善，未来随着虚拟化网络的部署，有望被广泛采用。

在M2M应用中，非I 数据使用是常见的，如6LowPAN、MQTT-S等。当此类应用部署在NB-IoT 网络时，应用服务器AS或业务能力服务器SCS与用户间的non-IP数据需要通过网络进行传送，有两种方案可供选择，一种是通过non-IP专属的PDN点对点隧道方式通过SGi接口进行传送，另外一种是通过SCEF进行传递。目前，由于CSGN与SCEF之间的T6a接口还处于初步研究阶段，而通过SGi接口传送non-IP数据可以使C-SGN统一数据出口，便于未来面向NB-IoT类业务进行计费点选择及计费模式设计，因此，SGi方式可能会被运营商优先采用。

部分已有M2M业务是采用SMS支持的，为了能够全面的覆盖此类业务，在部署NB-IoT后，需要考虑两个问题：①是否保留联合附着以获取短信传递能力或者只进行PS 的附着；②是否会存在只使用SMS进行信息传递而无需建立任何PDN连接的终端及其解决方案。在Rel-14中会进一步完善NBIoT核心网支持SMS的解决方案，但运营商现网部署时可以根据实际需求考虑是否部署SMS功能，例如仅部署IP 及non-IP数据承载方式，主要是考虑到支持SMS功能需C-SGN与短信中心之间开通SGd接口，且需对现网短信中心进行升级改造，对CSGN也有相关功能要求。

对于传播环境较差的用户，例如地下管道内的设备，需要很强的穿透性能，此时需要使用CE技术以获得更好的穿透效果。但CE技术的使用，需要网络侧提供额外的资源。因此，应该对用户进行认证，对可使用CE技术的用户加以限制，以保证只有签约并得到CE授权的用户方可享受此特性，实现差异化的服务。

关于减少核心网过载的风险的议题，3GPP发起了多项研究，提出了包括接入等级划分、基于eNB辅助的（在eNB侧进行拒绝、延迟、队列）等多种方案，而在TS23.401中，针对NB-IoT设备采用的拥塞控制方案是基于EPS系统原有backoff timer机制的升级，采用离散化的方式对NB-IoT设备并发请求进行处理来实现过载控制。

由于NB-IoT大部分应用场景使用的都是小数据包且通信频率很低，