1、引言
NB-IoT是技術演進和市場競爭的綜合產物，由于未來的市場被一致看好，設備廠商在標準制定過程中曾激烈爭奪市場份額，但預期達到的特性指標仍是基本一致的，標準也仍在加速制定中。
2、NB-IoT技術的背景
2.1 物聯網通信技術分類
物聯網通信技術有很多種，從傳輸距離上區分，可以分為兩類：
一類是短距離通信技術，代表技術有Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等，典型的應用場景如智能家居;
另一類是廣域網通信技術，業界一般定義為LPWAN(低功耗廣域網)，典型的應用場景如智能抄表。
LPWAN技術又可分為兩類：一類是工作在非授權頻段的技術，如Lora、Sigfox等，這類技術大多是非標、自定義實現;
一類是工作在授權頻段的技術，如GSM、CDMA、WCDMA等較成熟的2G/3G蜂窩通信技術，以及目前逐漸部署應用、支持不同category終端類型的LTE及其演進技術，這類技術基本都在3GPP(主要制定GSM、WCDMA、LTE及其演進技術的相關標準)或3GPP2(主要制定CDMA相關標準)等國際標準組織進行了標準定義。
NB-IoT即是2015年9月在3GPP標準組織中立項提出的一種新的窄帶蜂窩通信LPWAN技術。
2.2 3GPP MTC技術的發展
在NB-IoT提出之前，業界都非常認可未來IoT萬物互聯的發展趨勢，M2M通信前景也被3GPP視為標準生態壯大的重要機遇，而在萬物互聯的時代，具備低成本、低功耗、廣覆蓋、低速率特點的LPWAN技術將扮演重要角色，故3GPP也一直在推動相關機器類通信MTC技術的發展，且主要致力于在兩個方向上。
方向一：面對非3GPP技術挑戰，開展GSM技術的進一步演進和全新接入技術的研究。
長期以來，3GPP制式運營商的物聯網業務主要依靠成本低廉的GPRS模塊，然而由于Lora、Sigfox等新技術的出現，GPRS模塊在成本、功耗和覆蓋方面的傳統優勢受到威脅，于是在2014年3月的GERAN #62會議上3GPP提出成立新的研究項目“FS_IoT_LC”，研究演進GERAN系統和新接入系統的可行性，以支持更低復雜度、更低成本、更低功耗、更強覆蓋等增強特性。
方向二：考慮未來替代2G/3G物聯網模塊，研究低成本、演進的LTE-MTC技術。
進入LTE及演進技術發展階段后，3GPP也定義了許多可適用物聯網不同業務需求場景的終端類型，Rel-8版本已定義不同速率的 catogery1-5的終端類型，在之后的版本演進中，在新定義支持高帶寬、高速率的catogery 6、catogery 9等終端類型的同時，也新定義了更低成本、支持更低功耗的catogery 0(Rel-12)終端類型。在Cat.0的基礎上，在2014年9月的RAN #65會議中3GPP提出成立新的SI“LTE_MTCe2_L1”研究，進一步研究更低成本、更低功耗、更強覆蓋的LTE-MTC技術。
NB-IoT正是源于方向一中全新接入技術的研究。此外，除了上述兩個方向，3GPP同樣一直在研究更低功耗的節電技術，以及在系統架構和網絡側同步更新支持相關演進技術。
3、NB-IoT技術在國際上的標準化情況
3.1 NB-IoT的立項過程
在3GPP標準制定中，增加一個新技術的典型流程是先成立一個SI，通過研究項目得出技術報告，根據技術報告的研究成果，在同一個Release版本或下一個Release版本中成立一個相關的工作項目，通過工作項目輸出技術標準。NB-IoT的制定過程也是如此，如圖1所示。
圖1 3GPP Rel-13中IoT相關項目關系簡圖
如圖1所示，在GERAN組“FS_IoT_LC”的研究項目中，主要有3項技術被提出，分別是：擴展覆蓋GSM技術EC-GSM(Extended Coverage-GSM)，NBCIoT技術和NB-LTE技術。
其中NB-CIoT由華為、高通和Neul聯合提出(Neul為英國物聯網公司，在2014年9月被華為收購)，NB-LTE由愛立信、中興、諾基亞等廠商聯合提出，最終在2015年9月的RAN#69次全會經過激烈討論，最終協商統一為一種技術方案，即NB-IoT。
NB-CIoT和NB-LTE相比：
前者對于LTE而言相當于提出了一種全新的空口技術，意味著與舊版LTE網絡存在兼容問題，在網絡側理論上改動較大; 而后者傾向和現有LTE網絡盡量兼容。
NB-CIoT在增強室內覆蓋、支持巨量低速率終端、減少終端復雜度、降低功耗和時延、與GSM/UMTS/LTE的干擾共存、對GSM/EDGE基站的硬件影響等方面均滿足研究設想的指標要求，最關鍵的是NB-CIoT模塊的成本估算甚至可以低于GSM模塊，而NB-LTE成本雖然比eMTC低但還是會高于GSM模塊。
NB-CIoT和NB-LTE的更詳細對比可查閱3GPP文檔 RP-151550。NB-IoT在3GPP的大致立項過程如表1所示。
表1 NB-IoT的立項過程
3.2 NB-IoT的標準進展
NB-IoT的3GPP標準核心部分將在2016年6月凍結，2016年9月將完成性能部分的標準制定，最后的一致性測試標準也將在2016年12月完成，詳細情況如表2所示。
表2 NB-IoT標準工作組的時間計劃
4、NB-IoT技術的主要特性
3GPP NB-IoT工作項目總體上確定將定義一種對于E-UTRAN非后向兼容、有較大變動的蜂窩物聯網無線接入新技術，以解決室內覆蓋增強、支持巨量低速率設備接入、低時延敏感、超低設備成本、低功耗和網絡架構優化等問題。
由于NB-IoT標準還在制定中，很多提案仍在討論和提交，不同場景下的仿真結果也尚未總結，如保護帶和帶內部署方式下的覆蓋指標。
本章節將主要基于相關工作組的項目目標描述和TR45.820的仿真數據，介紹一些NB-IoT的特性。
(1)靈活部署、窄帶、低速率、低成本、高容量已確定的部分目標要求如下：
宜支持3 種部署方式： 獨立部署、保護帶部署、帶內部署，如圖2所示。
圖2 NB-IoT的3種不同部署方式
獨立部署模式：可以利用單獨的頻帶，適合用于GSM頻段的重耕;Guard-band模式：可以利用LTE系統中邊緣無用頻帶;
帶內模式：可以利用LTE載波中間的任何資源塊。
RF帶寬180kHz(上行/下行)(考慮兩邊保護帶，也被描述為200kHz)。
下行：OFDMA，子載波間隔15kHz。
上行：SC-FDMA，Single-tone：3.75kHz/15kHz，Multi-tone：15kHz。
僅需支持半雙工。
終端支持對Single-tone和Multi-tone能力的指示。
MAC/RLC/PDCP/RRC層處理基于已有的LTE流程和協議，物理層進行相關優化。
設計單獨的同步信號。
TR45.820中對速率的預期指標要求是上下行至少支持160kbps，目前NB-IoT速率預估的范圍為下行小于250kbps，上行小于250kbps(Multi-tone)/20kbps(Single-tone)。
根據TR45.820中典型業務模型下的仿真測試數據，單小區可支持5萬個NB-IoT終端接入。
終端模塊的成本對于物聯網技術發展至關重要，特別是巨量接入的物聯網應用場景，而NB-IoT模塊的成本預估可控制在5美金以內，甚至更低。
(2)覆蓋增強、低時延敏感
根據TR45.820的仿真數據，可以確定在獨立部署方式下，NB-IoT覆蓋能力應也可達164dB，帶內部署和保護帶部署還有待仿真測試。
NB-IoT為實現覆蓋增強采用了重傳(可達200次)和低階調制等機制，目前是否NB-IoT不需支持16QAM仍在被討論中。
同時在耦合耗損達164dB的環境下，如果提供可靠的數據傳輸，由于大量數據重傳將導致時延增加，TR45.820中仿真測試了異常報告業務場景、保證99%可靠性、不同耦合耗損環境下的時延(區分有無頭壓縮)，結果如表3所示。
表3 異常報告業務場景、保證99%可靠性、不同耦合耗損環境下的時延
目前3GPP IoT設想允許時延約為10s，但實際可以支持更低時延，如6s左右(最大耦合耗損環境)，更詳細可查閱TR45.820中NB-CIoT的仿真結果。
(3)不支持連接態的移動性管理
NB-IoT最初就被設想為適用于移動性支持不強的應用場景(如智能抄表、智能停車)，同時也可簡化終端的復雜度、降低終端功耗，Rel-13中NB-IoT將不支持連接態的移動性管理，包括相關測量、測量報告、切換等。
(4)低功耗
NB-IoT借助PSM和eDRX可實現更長待機。其中PSM(Power Saving Mode，節電模式)技術是Rel-12中新增的功能，在此模式下，終端仍舊注冊在網但信令不可達，從而使終端更長時間駐留在深睡眠以達到省電的目的。eDRX是Rel-13中新增的功能，進一步延長終端在空閑模式下的睡眠周期，減少接收單元不必要的啟動，相對于PSM，大幅度提升了下行可達性。PSM和eDRX節電機制如圖3所示：
圖3 PSM和eDRX節電機制
NB-IoT目標是對于典型的低速率、低頻次業務模型，等容量電池壽命可達10年以上。根據TR45.820的仿真數據，在耦合耗損164dB的惡劣環境，PSM和eDRX均部署，如果終端每天發送一次200byte報文，5瓦時電池壽命可達12.8年，如表4所示：
表4 集成PA的電池壽命估算
5、基于NB-IoT的主要業務舉例
考慮NB-IoT的特性， NB-IoT技術可滿足對低功耗/長待機、深覆蓋、大容量有所要求的低速率業務;同時由于對于移動性支持較差，更適合靜態業務場景或非連續移動、實時傳輸數據的業務場景，并且業務對時延低敏感，可以考慮的業務類型如下：
(1)自主異常報告業務類型。如煙霧報警探測器、智能電表停電的通知等，上行數據極小數據量需求(十字節量級)，周期多以年、月為單位。
(2)自主周期報告業務類型。如智能公用事業(煤氣/水/電)測量報告、智能農業、智能環境等，上行較小數據量需求(百字節量級)，周期多以天、小時為單位。
(3)網絡指令業務類型。如開啟/關閉、設備觸發發送上行報告、請求抄表，下行極小數據量需求(十字節量級)，周期多以天、小時為單位。
(4)軟件更新業務類型。如軟件補丁/更新，上行下行較大數據量需求(千字節量級)，周期多以天、小時為單位。
華為已與全球多家運營商在中國、德國、西班牙、阿聯酋等國共同完成了基于NB-IoT技術智能水表、智能停車、智能垃圾箱業務的功能驗證。
其中沃達豐和華為于2015年底在西班牙完成了NB-IoT預標準的第一個試商用測試，成功地將NB-IoT技術整合到沃達豐現有移動網絡中，發送NB-IoT消息給水表中的物聯網模塊，水表的放置環境通常在壁櫥等隱蔽環境，且水表無法外接電源，NB-IoT可有效解決覆蓋及功耗等問題。
華為與中國聯通、中國移動也均已開始商用測試和合作，其中2015年MWC，華為聯合上海聯通部署首個基于商用網絡的智能停車實驗網絡。由于NB-IoT標準化未完成，目前的試商用都是非標的方案，不過與最終凍結的標準NB-IoT業務效果相比，差異應該并不大。
6、結語
NB-IoT是技術演進和市場競爭的綜合產物，由于未來的市場被一致看好，設備廠商在標準制定過程中曾激烈爭奪話語權，但預期達到的特性指標仍是基本一致的，標準也仍在加速制定中。
目前產業鏈也在積極地開展試驗測試及試商用，在不遠的將來，NB-IoT將很可能被廣泛應用在不同的垂直行業，并就此開啟萬物互連的新領域、新時代。
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