全新物聯網優化型窄帶技術

　　全新LTE物聯網窄帶技術邁向窄帶5G之路，提出了四個主要領域的改進來更好地支持物聯網應用：降低復雜性、改進電池續航、增強覆蓋和支持更高節點密度部署。

降低復雜性，支持更低成本設備

　　物聯網擴散將為多種多樣的產業和應用帶來巨大優勢。許多物聯網使用場景有潛力促成媲美當今移動寬帶服務（例如智能手機、平板電腦）的更高每連接平均收入(ARPC)，但大多數使用場景將需要成本更低的設備和訂閱來證明大規模部署是合理的。例如，智能手機的硬件和服務成本與每天提供幾次溫度測量值的簡單遠程傳感器截然不同。為此，Cat-M1和Cat-NB1設備將在技術復雜度上進行縮減以支持更低成本，同時仍滿足物聯網應用需求。圖7總結兩個全新LTE物聯網用戶設備類別的高級復雜性差異。

　　峰值數據速率：較之常規LTE設備（例如Cat-1），Cat-M1和Cat-NB1設備將降低峰值數據速率。Cat-M1有下行和上行方向最高1 MBps的有限吞吐量，同時Cat-NB1進一步將峰值數據速率降至數十kbps。降低峰值數據速率，支持在設備硬件中節省處理和內存。
　　帶寬：利用6至100個資源塊，LTE支持從1.4 MHz到20 MHz的可擴展載波帶寬。對于LTE Cat-M1，設備帶寬限定為僅1.4 MHz（1.08 MHz外加用于帶內6個RB的保護頻帶），支持更低數據速率。另一方面，Cat-NB1將設備帶寬進一步降至200 kHz（180 kHz外加用于單個RB的保護頻帶）。Cat-M1帶寬降低，需要新控制信道（即M-PDCCH9）替代傳統控制信道（即PCFICH、PHICH、PDCCH10），后者在更窄帶寬中不再適合。同時對于Cat-NB1，引入一套新的NB-IoT同步、控制和數據信道適應更窄帶寬。
　　接收天線：在LTE中引入面向多輸入多輸出(MIMO)和接收分集的多根天線提高頻譜效率。但對于LTE物聯網應用，高數據速率相對而言沒有需求，但降低復雜性很重要。對于Cat-M1和Cat-NB1，將接收射頻降為單根天線，簡化射頻前端。盡管由于缺少接收分集有一些射頻退化，但其他先進覆蓋增強技術能夠補償丟失的信號靈敏度。
　　雙工模式：由于物聯網數據傳輸的低頻率和容遲性質，LTE物聯網設備能夠通過僅支持半雙工通信降低復雜性，給定時間僅發送或接收路徑是活躍的。Cat-M1設備能夠支持半雙工FDD以及TDD，但Cat-NB1設備僅支持半雙工FDD。這讓設備實現更簡單的射頻交換而非更復雜和昂貴的全雙工。
　　發射功率：對于兩個全新LTE物聯網用戶設備類別 ，最大上行發射功率從LTE的23 dBm (200mW)降為20dBm (100mW)，支持集成功率放大器(PA)實現更低設備成本。
　　其他簡化：其他為了降低復雜度而簡化了的技術包括Cat-NB1的語音支持（VoLTE或電路交換）和移動性（無鏈路測量或報告）。

提高功率效率，實現多年電池續航

　　許多物聯網設備都是電池供電，單次充電支持盡可能長的續航時間非常必要。現場維護相關成本是很大的問題，尤其在大規模部署情況下更是如此。不僅定期維護計劃是營業費用，而且實際上定位這些移動設備（例如資產跟蹤器分布在全世界）也可能變成噩夢。因此，最大化電池續航已變成LTE物聯網最重要的改進維度之一。除通過降低設備復雜性實現節電之外，已引入兩項全新低功耗增強特性：節電模式(PSM)和延長型非連續接收(eDRx兩項都適用于Cat-M1和Cat-NB1設備。
 
　　節電模式(PSM)：節電模式是讓設備跳過活躍數據傳輸之間的周期性尋呼監測循環的全新低功耗模式，讓設備休眠更長時間。然而，當節電模式激活時，設備變成無法訪問；因此，最好由設備發起網絡通信的設備端發起型應用或預定應用使用。此外，設備在節電模式期間仍保持網絡注冊，它支持更節能的低功耗模式進/出，在每次節電模式退出活動之后無需額外注冊/連接循環。可利用節電模式的范例應用包括定期向網絡推送數據的智能計量表、傳感器和任何物聯網設備。
　　延長型非連續接收(eDRx)：通過把連接模式中從網絡接收數據的最大時間延長到10.24秒并且把空閑模式中呼叫監測和跟蹤區更新之間的時間延長到40+分鐘，eDRx優化電池續航。它支持網絡和設備同步休眠期，這樣設備能夠不用頻繁地檢查網絡消息。但是，這增加延遲，因此面向設備終結型應用優化eDRx。資產跟蹤和智能電網等使用場景能夠受益于通過更長eDRx周期而實現的更低功耗。

增強覆蓋，更好地支持挑戰性的位置部署

　　有許多物聯網使用場景能夠受益于更深網絡覆蓋，尤其對于在具挑戰性的位置部署的設備（例如公用事業計量表）更是如此。在許多使用場景中，權衡上行頻譜效率和延遲，能夠在無需提高輸出功率的情況下有效增強覆蓋，提高功率會消極影響設備電池續航。

　　冗余傳輸：在連續子幀（TTI綁定）中多次發射相同傳輸塊或在一段時間重復發送相同數據（重復傳輸），能夠顯著提高接收器（基站或設備）正確解碼被傳輸消息的概率。
　　功率譜密度(PSD)提升：服務基站能夠簡單地提高下行鏈路發射功率擴大覆蓋面，同時設備也能夠在一些減少的帶寬上集中全部功率（例如在新的參數配置中，Cat-NB1能夠在3.75 kHz子載波間隔上發射，vs. 在Cat-M1和LTE中15 kHz），有效地提高發射功率密度。
　　單音上行： _同樣地，Cat-NB1設備能夠利用單音上行（3.75 kHz或15 kHz子載波間隔）進一步擴大覆蓋面， 平衡峰值數據速率（限定為數十kbps）。
　　更低階調制：使用QPSK而非16-QAM，信號與干擾加噪聲比(SINR)限值顯著降低，平衡調制效率（更少比特/符號）。

　　借助這些新的覆蓋增強特性，Cat-M1設備的鏈路預算提高到155.7dB，比常規LTE提高+15dB。對于Cat-NB1，進一步提高到164dB。

優化LTE核心網絡，更高效地支持物聯網設備

　　物聯網帶來海量聯網設備，將突破現有LTE網絡能力極限。完全不同于移動寬帶服務，LTE物聯網流量僅占總體容量需求的一小部分，網絡容量不是支撐更多低端物聯網設備（例如計量表）的限制性因素，而是處理更多信令的能力。絕大部分物聯網設備零星而非以大數據包形式傳輸少量數據；因此，LTE核心網也需要演進，通過提供更高效的信令和資源管理，更好地支持物聯網流量特征。

　　更高效信令：新接入控制機制，例如擴展型接入限制(EAB)防止設備在網絡擁堵時生成接入請求，從而避免不必要的信令。網絡還能夠利用組尋呼和組消息與多個下行設備更高效地通信。
　　增強型資源管理：網絡能夠讓大量設備共享相同訂閱，這樣能夠整合資源與設備管理。例如，智慧城市中的一組水表可以集中配置、控制和計費。
　　簡化型核心網絡(EPC-lite)：能夠面向物聯網流量優化LTE核心網，支持更高效地使用資源并將移動管理實體(MME)、服務網關(S-GW)和分組數據網網關(P-GW)整合進單個EPC-lite。這樣，通過利用現有LTE核心網支撐LTE物聯網，運營商可以選擇進行優化，降低運營支出(OPEX)或最小化資本支出(CAPEX)。

交付端到端LTE物聯網平臺

　　為了讓LTE物聯網取得成功，整個生態系統都需要參與簡化LTE物聯網服務的總體部署與管理。在許多方面，該項工作已經開始。硬件制造商通過交付認證模塊加快設備開發，新的嵌入式SIM (eUICC)計劃勢頭大增，旨在支持更靈活地管理蜂窩服務。對于物聯網軟件開發，協議標準化將確保數據傳輸效率和廠商間互操作性；例如，oneM2M正推動通信協議標準化，實現更快產品上市和更可靠的端到端安全性。

5G路線圖將帶來甚至更多物聯網機會

　　5G將是連接新行業、支持新服務并營造新用戶體驗的更強大統一連接平臺。物聯網將是5G不可或缺的一部分，提供4G LTE無法支持的新型物聯網服務和效率。目前5G愿景定義明確，2020年開始商用，它將進一步增強移動寬帶、更高效地支持大規模物聯網并且促成全新關鍵任務服務。下面圖10展示新一代5G網絡ITU-RIMT-2020愿景。

向窄帶5G演進NB-IoT

　　5G新平臺將在3GPP標準第15版和未來版本中進行定義，但許多基礎技術已作為LTE升級專業版的一部分引入。NB-IoT將在3GPP第13版之外持續演進，離窄帶5G支持大規模物聯網更近一步。第14版的一些提議增強特性將包括但不限于語音/移動性、位置服務和面向更高效空口(OTA)固件更新的廣播支持。

為大規模物聯網帶來新功能

　　通過交付全新上行鏈路多址接入設計，稱為“資源擴展多址接入”(RSMA)，5G將改進LTE物聯網支持更高節點密度的能力。資源擴展多址接入是異步、非正交和競爭式接入，將進一步降低設備復雜性和減少信令開銷，因為它支持“物體”無需事先網絡調度即可傳輸。

　　為了面向物聯網設備將網絡覆蓋面擴大到最極端的位置（例如超遠距離、地下深處），5G將支持多跳網狀網，讓覆蓋范圍之外的設備直接連接可向接入網回傳數據的設備。這從根本上創建無邊緣網絡，在典型蜂窩接入（例如普通基站和小型基站）之外擴大覆蓋面。更重要的是，5G核心網還將對接入覆蓋范圍內的設備和那些對等連接網狀網網絡支持的設備進行廣域網(WAN)管理。

支持關鍵任務控制物聯網服務

　　LTE物聯網高效地縮減，面向非頻繁和容遲通信進行優化；在滿足許多更低端物聯網應用（例如計量和傳感器）的同時，有一類物聯網應用需要更高性能。例如關鍵任務服務需要端到端延遲低至1毫秒、超高可靠性支持極低丟失率、通過多個鏈路支持容錯和移動性實現高可用性以及不容妥協的穩健端到端安全性。5G關鍵任務控制設計考慮全部這些需求，無人機和工業機器人僅僅是驅動這些極端需求（但并非全部服務同時需要）的幾個創新使用場景。

全新5G網絡架構具有其他優勢

　　全新靈活5G網絡將提供卓越性能和效率，面向相同物理網絡中托管的廣泛服務（例如增強型移動寬帶、關鍵任務服務和大規模物聯網）利用虛擬化網絡功能創建優化的網絡切片。每個網絡切片能夠獨立配置，提供按照應用需求優化的端到端安全性。這對物聯網特別有利，因其多樣性需求可能決定相同網絡部署支持的不同使用場景要求大相徑庭的服務等級協議(SLA)。除支持更高效的資源配置和利用之外，增強型5G網絡還支持靈活的訂閱模式和動態創建/控制服務。

總結

　　物聯網助力智能聯網設備大規模涌現，將在許多行業支持新服務和效率。物聯網將在未來數年改造企業、改變人類生活方式并且促進創新。蜂窩技術將在向廣泛的物體提供連接性方面發揮重要作用；LTE正演進交付可擴展的統一物聯網平臺，帶來超過非3GPPLPWA解決方案的巨大優勢。它不僅通過既有全球網絡提供普適覆蓋，而且帶來無與倫比的可靠性、安全性和性能水平，這是要求最高的物聯網應用需要的。

　　LTE升級專業版正交付全新LTE物聯網窄帶技術，將降低復雜性、延長電池續航、深化覆蓋并且支持高節點密度部署。在3GPP標準第13版中，LTE物聯網引入兩個全新用戶設備類別（Cat-M1和Cat-NB1），將縮減LTE以支持更高效的物聯網通信。Cat-M1將提供最廣泛的物聯網功能，支持更先進的特性，例如移動性和VoLTE，同時Cat-NB1面向容遲低吞吐量使用場景進一步縮減以提供最低成本和功率。

　　在LTE物聯網窄帶技術之上構建，5G將帶來更多物聯網機會。窄帶5G將借助新功能增強大規模物聯網，例如資源擴展多址接入(RSMA)支持免許可傳輸和多跳網狀網進一步擴展覆蓋面。5G也將通過交付超低延遲通信支持關鍵任務服務，提供顯著改善的系統可靠性、服務可用性和端到端安全性。全新靈活網絡架構也將支持在下一代5G網絡上托管的全部服務具有卓越性能和效率。總之，連接物聯網將是5G下一個十年和未來更強大統一連接平臺不可或缺的一部分。