NBIoT与LoRa技术详解及竞争态势分析.docx

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NBIoT与LoRa技术详解及竞争态势分析

“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

物联网的无线通信技术很多，主要分为两类：

一类是Zigbee、WiFi、蓝牙、Z-wave等短距离通信技术；另一类是LPWAN（low-powerWide-AreaNetwork，低功耗广域网），即广域网通信技术。

LPWA又可分为两类：

一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术；另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术，比如EC-GSM、LTECat-m、NB-IoT等。

一 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NBM2M。

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NBOFDMA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CleanSlate技术中，唯一一个满足在TSGGERAN#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CorePart（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。

（1）高效地支持非频繁小包传送

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SAWG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RRCsuspend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。

（2）使用小包传送高效地支持跟踪装置

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。

（3）高效的寻呼区域管理

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，3GPPSA2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TAcode与现有eNB小区的TAcode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-IoTUE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）。

（4）DECOR/eDECOR

现网部署时，核心网可能会存在多个NB-IoT的DCN（DedicatedCoreNetwork）。

根据TSGRAN侧的输出，NB-IoTDCN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DECOR功能；另一种是UE辅助，参考中的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。

（5）支持non-IP数据类型

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。

（6）支持SMS

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。

（7）授权用户支持覆盖增强（CE）技术

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。

（8）OverLoad控制

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，而在中，针对NB-IoT设备采用的拥塞控制方案是基于EPS系统原有backofftimer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。

（9）头压缩增强

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，例如周期性MAR（MobileAutonomousReporting）和NC（NetworkCommand）使用20~200byte/30min或更长时间间隔的数据传输。

考虑到IP及传输层的头开销，如20byte的IPv4、40byte的IPv6、8byte的UDP、20byte的TCP、12byte的RTP，为了更高效地支持海量NB-IoT/eMTC类的终端，采用头压缩增强技术势在必行。

由于非频繁的数据传输及移动性，eNB和UE中保留的头压缩上下文可能会被重置（例如，当UE进入IDLE模式或切换eNB时），如果频繁发送数据或移动，将导致数据包产生全量头开销或额外开销。

此时，头压缩将是高效支持IP类小包业务的重要保障。

因此，当采用基于控制面优化的小包传输的方案时，头压缩功能需要支持NB-IoT终端用户从连接态至IDLE态的转换及移动性管理。

另外需注意，当non-IP类业务场景发生时，必须要将IP头压缩功能关闭，故网络侧还需要根据不同的情况来决定是否启用头压缩功能。

二 LTE-M、EC-GSM和NB-IoT演进

万物互联是大趋势，是发展的必然，各种物联网技术也是梭镖林立。

面对各种兴起的物联网技术，3GPP主要有三种标准：

LTE-M、EC-GSM和NB-IoT，分别基于LTE演进、GSM演进和CleanSlate技术。

LTE-M

LTE-M，即LTE-Machine-to-Machine，是基于LTE演进的物联网技术，在R12中叫Low-CostMTC，在R13中被称为LTEenhancedMTC（eMTC），旨在基于现有的LTE载波满足物联网设备需求。

知道LTEUEcategories的朋友并不会陌生。

为了适应物联网应用场景，3GPP在R11中定义了最低速率的UE设备为UECat-1，其上行速率为5Mbps，下行速率为10Mbps。

为了进一步适应于物联网传感器的低功耗和低速率需求，到了R12，3GPP又定义了更低成本、更低功耗的Cat-0，其上下行速率为1Mbps。

EC-GSM

EC-GSM，即扩展覆盖GSM技术（ExtendedCoverage-GSM）。

各种LPWA技术的兴起，传统GPRS应用于物联网的劣势凸显。

2014年3月，3GPPGERAN#62会议“CellularSystemSupportforUltraLowComplexityandLowThroughputInternetofThings”研究项目提出，将窄带（200kHz）物联网技术迁移到GSM上，寻求比传统GPRS高20dB的更广的覆盖范围，并提出了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。

2015年，TSGGERAN#67会议报告表示，EC-GSM已满足5大目标。

GERAN（GSMEDGERadioAccessNetwork）是GSM/EDGE无线通信网络（RadioAccessNetwork）的缩写。

GERAN由3GPP主导，主要制定GSM标准。

由于早期的蜂窝物联网技术是基于GSM的，所以一些物联网立项都是GERAN进行的。

随着技术的发展，蜂窝物联网通信需要进行重新定义，我们形象的做“clean-slate”方案，类似于“打扫干净屋子再请客”的说法，这就出现了NB-IoT。

由于NB-IoT技术并不基于GSM，是一种clean-slate方案，所以，蜂窝物联网的工作内容转移至RAN组。

GERAN将继续研究EC-GSM，直到R13NB-IoT标准冻结。

NB-IoT

2015年8月，3GPPRAN开始立项研究窄带无线接入全新的空口技术，称为CleanSlateCIoT，这一CleanSlate方案覆盖了NB-CIoT。

NB-CIoT是由华为、高通和Neul联合提出，NB-LTE是由爱立信、诺基亚等厂家提出。

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CleanSlate技术中，唯一一个满足在TSGGERAN#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。

NB-LTE更倾向于与现有LTE兼容，其主要优势在于容易部署。

最终，在2015年9月的RAN#69会议上经过激烈撕逼后协商统一，NB-IoT可认为是NB-CIoT和NB-LTE的融合。

这里引用一段3GPPRAN会议报告关于蜂窝物联网技术的描述：

物联网（InternetofThing,IoT）是未来重要技术，3GPP在R12/R13虽然也有MTC（MachineTypeCommunication）相关技术，但其基本做法是在既有LTE技术与架构上进行优化，并非针对物联网特性进行全新的设计。

相对于MTC技术优化的做法，蜂窝物联网（CellularInternetofThing,CIoT）技术项目建议针对物联网特性全新设计，不一定要相容于既有的LTE技术框架。

NB-IoT商用后将面临的激烈竞争

一项创新技术的出现，必然要与传统的技术进行搏杀，可能是鱼死网破两败俱伤、可能是互相妥协和平共处、可能是多方投降一方独大。

就NB-IoT创新技术的出现，可见的竞争将体现在以下三个方面，并以示例说明。

1 技术方案的竞争

NB-IoT、LoRa使用频谱

在中国的低功耗广域网领域，NB-IoT和LoRa无疑是最为热门的两种低功耗广域网（LPWAN）技术。

两者形成了两大技术阵营，一方是以华为为代表的NB-IoT，另一方是以中兴为代表的LoRa。

毫无疑问，无线电频谱是一种国家资源，是一种有限的资源，不可以再生，只能合理地利用。

下面就看看两种技术使用的频段。

（1）NB-IoT频段

NB-IoT使用了授权频段，有三种部署方式：

独立部署、保护带部署、带内部署。

全球主流的频段是800MHz和900MHz。

中国电信会把NB-IoT部署在800MHz频段上，而中国联通会选择900MHz来部署NB-IoT，中国移动则可能会重耕现有900MHz频段。

NB-IoT属于授权频段，如同2G/3G/4G一样，是专门规划的频段，频段干扰相对少。

NB-IoT网络具有电信级网络的标准，可以提供更好的信号服务质量、安全性和认证等的网络标准。

可与现有的蜂窝网络基站融合更有利于快速大规模部署。

运营商有成熟的电信网络产业生态链和经验，可以更好地运营NB-IoT网络。

从目前来看，NB-IoT网络技术的只会由上面的网络运营商来部署，其他公司或组织不能自己来部署网络。

要使用NB-IoT的网络必须要等运营商把NB-IoT网络铺好，其进度与发展取决于运营商基础网络的建设。

（2）LoRa频段

 LoRa使用的是免授权ISM频段，但各国或地区的ISM频段使用情况是不同的。

下表是LoRa联盟规范里提到的部分使用的频段：

在中国市场，由中兴主导的中国LoRa应用联盟（CLAA）推荐使用了470-518MHz。

而470-510MHz这个频段是无线电计量仪表使用频段。

《微功率（短距离）无线电设备的技术要求》中提到：

在满足传输数据时，其发射机工作时间不超过5 秒的条件下，470－510MHz频段可作为民用无线电计量仪表使用频段。

使用频率是470-510MHz，630-787MHz。

发射功率限值：

50mW。

由于LoRa是工作在免授权频段的，无需申请即可进行网络的建设，网络架构简单，运营成本也低。

LoRa联盟正在全球大力推进标准化的LoRaWAN协议，使得符合LoRaWAN规范的设备可以互联互通。

中国LoRa应用联盟在LoRa基础上做了改进优化，形成了新的网络接入规范。

2 NB-IoT和LORA的通信距离

通讯距离和通讯能力是无线通讯在同等功耗前提下最重要的性能指标。

（1）NB-IoT通信距离

移动网络的信号覆盖范围取决于基站密度和链路预算。

NB-IoT具有164dB的链路预算，GPRS的链路预算有144dB（TR），LTE是（TR）。

与GPRS和LTE相比，NB-IoT链路预算有20dB的提升，开阔环境信号覆盖范围可以增加七倍。

20dB相当于信号穿透建筑外壁发生的损失，NB-IoT室内环境的信号覆盖相对要好。

一般地，NB-IoT的通信距离是15km。

（2）LoRa通信距离

LoRa以其独有的专利技术提供了最大168dB的链路预算和+20dBm的功率输出。

一般地，在城市中无线距离范围是1~2公里，在郊区无线距离最高可达20km。

（3）NB-IoT和LoRa的中继

在实际的网络部署中，NB-IoT和LoRa的无线网络信号都会存在覆盖不到的地方，可称之为信号“盲区”，如果针对“盲区”通过多架设基站达到信号覆盖的话，势必会造成网络建设成本较高。

这就需要一种低成本的“中继”产品，来拓展和延伸网络，来完成“盲区”的信号覆盖。

据了解，中国LoRa应用联盟（CLAA）使用了MCU和SX1278做了一个中继实现了“盲区”的低成本信号覆盖。

中国物联网合作组织集团，采用4320物联网关设备，可用低廉的成本，实现4320个无线终端的中继。

3 NB-IoT和LORA的芯片来源

无论是NB-IoT还是LoRa的网络都需要无线射频芯片来实现连接和部署。

NB-IoT和LoRa都采用了星型网络拓扑结构，通过一个网关或基站就可以大范围地覆盖网络信号。

NB-IoT工作在授权频段，基本上是运营商的市场，基站设备一般是由通信设备服务商提供。

LoRa工作在免授权频段，任何企业都可以自己设计开发网关，自行组建网络。

NB-IoT和LoRa的一些终端无线射频芯片公司。

（1）LoRa芯片公司

LoRa技术是Semtch公司的专利，Semtech公司提供SX127x系列LoRa产品。

国内市场主要以低频段（137-525MHz）的SX1278为主。

为适应市场的发展和需求，Semtech以IP授权的方式授予更多的公司来制造LoRa技术的芯片，如同ARM公司IP授权类似。

目前Semtech公司IP授权的公司有Hoperf、Microchip、Gemtek、ST等。

Hoperf的LoRa产品是数据透传模组，Microchip的是以LoRaWAN模组，Gemtek做成了SiP的LoRaWAN产品。

未来或许会有更多的公司通过IP授权的方式来制造LoRa技术的产品。

（2）NB-IoT芯片公司

NB-IoT得到了电信运营商和电信设备服务商的支持，有着成熟完整的电信网络生态系统。

华为：

华为NB-IoT的芯片是Boudica，超低功耗SoC芯片，基于ARMCortex-M0内核，会搭载HuaweiLiteOS嵌入式物联网操作系统。

预计2017年初上市。

中兴微电子：

中兴微电子NB-IoT的芯片是Wisefone7100。

据称，isefone7100内部集成了中天微系统的CK802芯片。

预计2017年Q2上市。

Intel：

XMM7115，支持NB-IoT标准。

2016年下半年提供样品。

XMM7315，支持LTECategoryM和NB-IoT两种标准，单一芯片集成了LTE调制解调器和IA应用处理器。

预计2017年商品化。

Qualcomm：

MDM9206，支持Cat-M（eMTC）和NB-IoT。

Nordic：

NordicSemiconductornRF91系列是Nordic的NB-IoT蜂窝技术产品。

预计2017年下半年提供样品，2018年起供货。

其他的NB-IoT芯片厂商可能还有：

Sequans、Altair、简约纳电子有限公司、MARVELL、MTK、RDA等等。

NB-IoT和LoRa模组的成本

最近，SNSTelecom预测了一个典型的LPWA模组成本是$4-18，不同技术模组价格有所不同。

随着LPWA网络部署成熟，预计每个模组的成本批量可以降到$1-2。

 NB-IoT和LoRa的成本究竟是多少呢从一些公开的信息中来做个简单的整理。

（1）NB-IoT模组的成本

华为在《NarrowBandIoTWideRangeofOpportunitiesWMC2016》中提到了：

NB-IoT芯片组价格$1-2，模组价格是$5-10。

NB-IoT模组理想价格应该小于<$5。

中兴在《Pre5GBuildingtheBridgeto5G》中提到，NB-IoT模组的成本是$5-10，芯片组成本约$1-2。

互联网工程任务组（TheInternetEngineeringTaskForce，简称IETF）也提到每个模块成本小于$5。

Vodafone在一篇相关介绍资料中提到，每个模组成本<$5。

从上述几家公司的资料来看，NB-IoTd模组成本市场期望值应该是<$5。

具体厂家的销售价格会是多少呢尚不得而知。

不过，光有了NB-IoT模组还不够，因为NB-IoT是授权频段，要接入运营商的网络，还需要SIM卡，或者eSIM（EmbeddedSIM、嵌入式SIM）。

每个NB-IoT模块还会有流量或服务的费用。

（2）LoRa模组的成本

由于LoRa商用较早，在市场上也有很多公司在销售LoRa模块。

在此不讨论数据透传的模组，只说基于LoRaWAN协议的模组。

Microchip是较早做LoRaWAN模组的厂商，其在官方网址标价$@5000+。

实际采购价格需要联系Microchip销售以项目议价为准。

LoRaWAN模组关键的器件是MCU和SX127x，目前大约在8-9元人民币。

目前LoRa市场主流使用的是ST公司的STM32L1系列和STM32L0系列的超低功耗单片机。

STM32L1系列是基于ARMCortex-M3内核的，STM32L0是基于ARMCortex-M0+内核的。

以STM32L051C8和SX1278IMLTRT为例来评估LoRaWAN模组成本，一个LoRaWAN模组的市场价格范围应该是在:

$6-10。

当然，不同厂家由于其采购和加工制造成本不同工LoRa模组的成本也各不相同。

4 NB-IoT和LoRa方案的比较

NB-IoT工作在授权频段，设备需要入网许可，干扰相对会少。

LoRa工作在免授权频段，免授权频段的设备种类相对多，难免会受到其他无线设备的干扰。

LoRa的优势在于其专利技术，即使在复杂的环境中依然能保持较高的接受灵敏度，抗干扰能力强。

LoRa和和NB-IoT的数据速率是不同的，LoRa数据速率可达50kbps，NB-IoT可达200kbps。

两种技术的数据速率不同实际上也形成了不同的市场细分应用，可根据实际项目需求选择适合的技术。

从NB-IoT和LoRa芯片产品来看，很多产品都集成了MCU或处理器，这样可以更方便地进行信号和数据处理以及通信协议管理。

NB-IoT和LoRa无线网络部署的环境不同，通信距离也会有所不同。

在实际部署的时候需要考虑到“盲区”的问