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精简版 LTE 的 NB-IoT,变身 5G 标准背后

木马童年 2019-7-26 15:40 430 0

“2019年7月17日,ITU-R WP5D#32会议在巴西布济乌斯结束。来自全球政府主管部门、电信制造及运营企业、研究机构共约180名代表参加了本次会议。 上周有一条新闻,不知道大家有没有留意: “2019年7月17日,ITU-R WP ...

“2019年7月17日,ITU-R WP5D#32会议在巴西布济乌斯结束。来自全球政府主管部门、电信制造及运营企业、研究机构共约180名代表参加了本次会议。

上周有一条新闻,不知道大家有没有留意:

“2019年7月17日,ITU-R WP5D#32会议在巴西布济乌斯结束。来自全球政府主管部门、电信制造及运营企业、研究机构共约180名代表参加了本次会议。

中国代表团主要由中国信息通信研究院、华为、中兴、中国信科、中国移动、中国电信、中国联通等单位构成。

在本次会议上,我国正式向ITU(国际电信联盟)递交了IMT-2020(5G)候选技术方案,并获得了ITU的接收确认函。”

这条新闻并没有引起广泛的关注和转发,只在少数几家媒体进行了例行报道。

但是,在小枣君看来,这条新闻其实有很大的信息量,对未来5G的走势有深远的启示,值得大家给予更多的关注。

今天这篇文章,我就将给大家详细解读一下这条新闻背后的故事。

为什么要提交方案?

以前我们总是说3GPP开这个会那个会,这次不是。这次开会的,是ITU。

ITU,就是国际电信联盟。它是联合国的下属机构,专门负责信息通信技术相关事务,其中就包括制定全球电信标准。

精简版 LTE 的 NB-IoT,变身 5G 标准背后

换句话说,ITU是唯一有资格发布“全球移动通信标准”的机构。

当年的3G TD-SCDMA标准方案,如果大家还记得的话,就是中国1998年6月29日(截止的前一天)向ITU提交的。TD-SCDMA最终也成为全球3G正式技术标准之一。

这次在巴西举办的会议,ITU负责收集的是5G候选技术方案。本次会议也是5G候选技术方案的提案截止会议,是提交候选方案的最后机会。

方案收集上来之后,ITU会组织对这些方案进行评估。

明年,也就是2020年的6月,在WP5D#35会议上,ITU会正式宣布最终的5G技术方案,也就是最终的5G标准。

我们提交了什么样的方案?

接下来我们详细说说中国提交的这个技术方案。

这个方案,新闻称之为5G无线空口技术(RIT)方案。该方案包括两个部分,一个是大家熟悉的3GPP新空口(5G NR),还有一个,是NB-IoT。

精简版 LTE 的 NB-IoT,变身 5G 标准背后

是的,你没看错,NB-IoT,Narrow Band Internet of Things(窄带物联网技术)。

相信大部分人对NB-IoT并不陌生,看过小枣君之前文章的童鞋,应该会更加熟悉它。

NB-IoT和它的兄弟eMTC,都是基于4G LTE技术“改造”出来的蜂窝物联网技术

我们简单回顾一下NB-IoT和eMTC的身世。

早在2008年,LTE的第一个版本R8(Release 8)中,除了有满足宽带多媒体应用的Cat.3、Cat.4、Cat.5等终端等级外,也有上行峰值速率仅有5Mbit/s的终端等级Cat.1,可用于物联网等“低速率”应用。

注意!这里的Cat并不是猫的意思,是Category的缩写,“种类,分类”的意思。Cat.X说的就是UE-Category,UE是用户设备(User Equipment )。Cat.X这个值就是用来衡量用户终端设备无线性能的,说白了就是用来划分终端速率(等级)的。

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不同的Cat,不同的速率

在LTE发展初期,Cat.1并没有被业界所关注。但是,随着可穿戴设备的逐渐普及,Cat.1逐渐被重视起来。

不过,Cat.1终端需要使用2根天线,对体积敏感度极高的可穿戴设备来说仍然“要求过高”(一般只配备1根天线)。所以,在R12/R13中,3GPP多次针对物联网进行优化。

首先是在R12中增加了新终端等级Cat.0,放弃了对MIMO(多天线)的支持,简化为半双工,峰值速率降低为1Mbit/s,终端复杂度降低为普通LTE终端的40%。这样一来,初步达到了物联网的成本要求。

但是,虽然Cat.0终端的信道带宽降至1.4MHz,但射频的接收带宽仍为20MHz(太大)。

于是,3GPP在R13中又新增Cat.M1等级的终端,信道带宽和射频接收带宽均为1.4MHz,终端复杂度进一步降低。

而Cat.M1,也就是我们的eMTC。它还有一个名字,叫做LTE-M。这个M,就是Machine(机器)的意思。

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此外,3GPP在R13中同时新增了一个Cat.NB-1,它的接收带宽仅180kHz,更低。

这个Cat.NB-1,就是我们的NB-IoT。

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所以说,eMTC和NB-IoT都是3GPP这一个妈生的,算是兄弟俩。

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NB的本质,就是一个精简版的LTE。

为了支持海量终端同时接入,为了拥有更好的覆盖增益,为了更持久的待机时间,NB-IoT使用了比LTE小得多的子载波带宽,采用了更简单的待机休眠机制,同时,对LTE协议进行了大量的删减。

如果说LTE是公路上的大巴,那NB-IoT就是穿梭其中的电动车。

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LTE VS NB-IoT

方案的背后,究竟意味着什么?

NB-IoT作为精简版的LTE,怎么就突然摇身一变,变成了5G技术标准了呢?

这还是要从5G的应用场景开始说起。

众所周知,ITU定义了5G的三大应用场景,作为5G指标的参考目标。也就是说,真正的5G,必须具备这些场景的应对能力。

三大场景,分别是eMBB、uRLLC和mMTC:

eMBB:enhance Mobile Broadband,增强型移动宽带。

uRLLC:ultra Reliable & Low Latency Communication,低时延、高可靠通信。

mMTC:massive Machine Type Communication,海量机器类型通信。

三大场景中,最受公众关注的,我们最熟悉的,是eMBB。

大家都知道,在已经过去的这些年里,4G获得了巨大的成功。4G,其实就是MBB,Mobile Broadband(移动宽带)。

它和智能手机相互配合,彻底激发了用户的移动上网需求,推动了流量的爆炸式增长,也带动了信息通信整个产业链的繁荣。

而5G的eMBB,就是在4G MBB基础上,对带宽和速率的进一步升级。

正因为如此,行业内外都对eMBB寄予厚望,将eMBB需求视为5G的主要动力来源。很多人认为,eMBB的高速率,大带宽,能够带来更好的用户体验,能够刺激数字时代的进一步繁荣,应该优先推动商用建设。

但是5G真正的意义是在于物联网场景。它的主要服务对象,是包括工业互联网、智慧城市等在内的垂直行业。

这就导致一个很尴尬的局面——设计5G的人,希望大家更多关注uRLLC和mMTC;而绝大多数人,则把兴趣都集中在eMBB上。

在现实情况中,uRLLC和mMTC的处境也确实有一点点微妙。所有人都知道它们是有需求的,但是没有任何人知道需求的爆发点究竟在哪,什么时候会出现。

这就好像你是一个厨师,你知道三位有钱的食客一定会来,但是不知道他们会在什么时候来。

那么你在准备食材的时候,心里就一定会犯嘀咕,会犹豫。

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对于eMBB这位食客,其实是不需要犹豫的,他就在眼前。而且他的需求比较明确,比较强烈(至少看上去强烈)。所以,作为厨师,一定要搞一个全新的5G NR,提供超高的带宽,满足他的需求。

对于uRLLC这位食客,他口味有点独特。他的需求关键,是时延。这个也是现有技术(食材)搞不定的,必须通过5G NR,配合切片技术,加以满足。

最麻烦的食客,就是mMTC海量机器通信。它的情况和前两者完全不同。

NB-IoT的容量是每小区5万个终端。有测试数据显示NB-IoT覆盖半径2公里左右,折算一下,每平方公里大约是4000个终端。

5G mMTC场景,ITU给出的指标要求是每平方公里100万的终端。两者看似差距很大,但是冷静下来想想,在现实情况中,究竟有多少用户需要每平方公里接入100万个终端?

按目前的实际商用网络,最多也就1000个终端。

换句话说,NB-IoT基本上够用了。在需求还不是很明确的情况下,搞一个全新的mMTC技术,成本太高,投入太大,没有必要。

所以,3GPP希望利旧现有的NB-IoT/eMTC。对3GPP背后的整个通信行业来说,这是最合理的选择。

NB-IoT/eMTC标准从2016年冻结后至今,已有3年的时间。想象中的物联网应用爆发式增长,并没有如期而至。在这个情况下,执意推动NB-IoT和eMTC的升级换代,确实没有任何实际意义。

2018年3月19-22日,在印度金奈召开的3GPP无线接入网第79次全会上,与会代表们明确了R16版本5G新空口中不会对低功耗广域物联网的用例进行研究和标准化,低功耗广域物联网(LPWAN)用例会继续依靠NB-IoT和eMTC的演进。

也就是说,3GPP推迟在R16中进行mMTC标准化,并将现有的NB-IoT/eMTC标准纳入5G物联网。

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与此同时,3GPP一直在努力向ITU证明,NB-IoT/eMTC标准能够满足ITU关于5G物联网低功耗广覆盖的愿景和需求。

在希腊雅典召开的3GPP会议上,相关企业就提交了针对NB-IoT和eMTC满足5G mMTC连接密度的需求评估报告。相关报告的结论显示,NB-IoT和eMTC满足了ITU提出的5G mMTC连接密度的需求,这给NB-IoT和eMTC纳入5G物联网家族打下来基础。两份评估报告如图:

精简版 LTE 的 NB-IoT,变身 5G 标准背后

《NB-IoT/eMTC满足5G物联网需求评估》(来源:3GPP)

可以看到,报告的提出者,是爱立信和华为(NB的主要推手)

2018年3月,Sierra Wireless、爱立信、Altair等20家知名厂商联合发布了LTE-M(eMTC)满足5G要求的评估报告,报告更是从单位容量带宽需求、数据速率、消息时延、电池寿命等多方面进行评估,结果显示eMTC的性能完全符合ITU提出的5G物联网的需求。

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为了让NB-IoT和eMTC能够更好地融入5G,3GPP还做了很多工作。例如实现NB-IoT和eMTC支持在5G NR带内部署(也就是让NB-IoT和eMTC能够使用5G的频段),让NB-IoT和eMTC能够使用5G网络的系统侧设备(例如基站和核心网),等等。

可以说,NB-IoT和eMTC完全具备了平滑升级后融入5G网络的基础条件。

以上,就是NB-IoT备胎转正背后的故事。

中国这次提交的RIT方案,理念和3GPP是非常一致的。

在需求并不明朗的情况下,盲目研发新技术,会给产业链带来巨大的压力,也会增加网络建设成本,最终等于是拿钱打水漂。

在NB-IoT和eMTC的基础上,做好物联网需求的孵化,解决落地遇到的问题,尽快找到爆发增长点,无疑是更加理性的做法。

5G启动前期的狂热气氛终究会消退,如何面对5G漫长的落地周期,才是整个行业和社会真正应该认真思考的问题。

好了,以上就是今天文章的全部内容,感谢大家的耐心阅读。小枣君的个人观点不一定是对的,欢迎大家拍砖讨论。

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