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NB-IoT终端标准化进展与测试验证
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LPWALow PowerWide Area的物联网场景达成共识,3Gpp也正式启动NBToT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所示工作项目WI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Rei-8版本中,从速率的角度定义了Category]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,支持更低功耗组的工作RAN eMTC项目组Cat.M的CategoryO终端类型但考虑到CategoryO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NBOIoT组的工作RAN NBdoT项目组TR
36.802电研丽目GERANNB-LTEFS_kT_LCTO45820组的GERAN ECGSM工作项目组EC-GSM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图
1、3GPP Rel-13中IoT相关项目关系简图来,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
3、NB-IoT标准化情况
3.1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技未EC-GSM,由华为,高通主导的NB-CIoT,以及由爱立信,中兴主导的NB-LTECIoT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TelecomItaly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164dBni)•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TR
45.820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-LTEoNB-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NB-OFDM年月20148高通提出演进方案,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、NBToT技术演进路线饵月2015华为提出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月初步耐为201s^5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,主仿案Clo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Re-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而个阶段,即Phasel和Phase2目前Phase1仅遗留少部分工作尚未完成,Phase2也的工作也在持续推进具体参照表1年月爱立信.中兴诺20156•基亚提出Phase1Testing areaCompl TestTesting areaComplspecification etionspecification etionTS36^68Common testenvironments for95%~TS36521-1E4JTRA User Equipment UE85%conformance speoticabon.RadtoUse Equipment UE,transmission and reception.Part1:Conformance lestingconfonnancetestingTS36509ES-pUeTcfitaAl caonndfoErPmCancetestingTS365212E-ITFRA User Equipment UEfunctionsconformance speaficaton RadioUser Equipment UEjtransmission and receptionPart2■TS36521-1E-UTirt^User Equipment UE ImplementationConlocmanceconformance specification;Radio Statement ICSTS36521-380%transmission and reception;Part1E-IFTRA UEconfocmance speoficabonconformanceteslwigRadio transmissionandreceptionPartTS36521-2User EquipmentUE3Radio ResourceManagement RRMconformancespeafication;Radioconformance lestogtransmissionandreception;Part2TS36523-180%Imptementabon ConformanceE-UTRA and EPC;Statement ICSEWTandEPC;UserEqumentUE conformanceTS36523-1User EquipmentUEconformancespeafication Part1Protocolconformance specificatxMispecification,Part1:PrdocotTS36523-280%conformance specificationE-UTRA andEPC;gut ftAand e2User EquipmentUEUser Equ^xnent UEconformanceconformance speaficaton;speaicat»on.TS3652军2Part2Implementation ConformancePart2Implementation ConformanceStatementICS proformaStatementICSproforma speaftcationspeaftcationE UTRA andEPC;TS36523-3t-UTRAandEPC.User EqiapmentUE conformanceUserEquipmentUEconformancespecificationspeaf»caton Part3Test suitesntPart3Test suitesTR36903E-UTRAN.Denvabon oftest tolerancesTS365230for RadioResource ManagementRRMconformance testsTft於004E4TRAN;Oenvation oftesl tolerancesforUserEquipmentUE radioreceptionconlocmance tests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 ofNB-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-1丁的低成本、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RelT3版本不支持定位的缺点•移动性增强改进Re厂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)
3.2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
3.
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表
2、TAF蜂窝窄带接入标准进展情况-接口-发射功率-功耗-管脚功能-AT命令等方面进行-.
2.2CCSA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,具体如下序号项目名称进展1完成标准报批落面向街唳网的蛭离窄带接入(IBToT)终端设备测试方法2面向物联网的蝉京窄带接入(MBToT)核心网总体技术重新审查标准送审相要求3面向物联网的蜂禽窄带接入(MBToT)基站设备测试方完成标准报批落法4面向物联网的蝉京窄带接入《MBToT)核心网设备技术重适审查标准送审稿要求5面向物联网的蛭京窄带接入(MBToT)核心网设备刊完成标准报枇若试方法6面向物联网的蛭京窄带接入(MBToT)终就设备技术要完成标准报批稿求7面向物联网的蛭京窄带接入(MBToT)安全技术要求完成标准报批苕8完成标准报批落面向物联网的蜂寓窄带接入(IB-I T)基站设备技术要求O9面向物联网的蟋息窄带接入(MBToT)无线网总体技术完成报批稿要求10面向物联网的蜂京窄带无线接入终送0IA测试方法研究秘书处转发标准计划项目表
3、CCSA蜂窝窄带接入标准进展情况在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-.1GCF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
4.2NB-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、芯片一模组一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
5、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中国信息通信研究院泰尔终端实验室苏康、刘笛、果敢
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