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（LPWA：Low Power Wide Area）的物联网场景达成共识，3GPP也正式启动NB-IoT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。

图1、3GPP Rel-13中IoT相关项目关系简图

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Rel-8版本中，从速率的角度定义了Category1~5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，支持更低功耗的Category0终端类型。但考虑到Category0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。

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-LTE。

CIoT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Telecom Italy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164dBm）
· 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TR45.820。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-LTE。NB-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、NB-IoT技术演进路线

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Rel-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两个阶段，即Phase1和Phase2。目前Phase 1仅遗留少部分工作尚未完成，Phase 2也的工作也在持续推进。具体参照表1。

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 of NB-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-IoT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Rel-13版本不支持定位的缺点
· 移动性增强：改进Rel-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：

表2、TAF蜂窝窄带接入标准进展情况

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）
- 接口
- 发射功率
- 功耗
- 管脚功能
- AT命令等方面进行

3.2.2 CCSA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。

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

4.1 GCF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

4.2 NB-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－模组－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。

作者：中国信息通信研究院泰尔终端实验室 苏赓、刘笛、果敢

参考文献：

[1] RP-151621. New Work Item：Narrowband IoT（NB-IoT），Qualcomm Incorporated[R]. 2015
[2] 3GPP TR 23.720 V13. Study on architecture enhancement for Cellular Internet of Things.
[3] 3GPP TR 45.820 V13.1.0 Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput Internet of Things (CIoT). 2015.
[4] 3GPP TR 36.888 V12.0.0. Study on provision of low-cost Machine-Type-Communications (MTC) User Equipment (UE) based on LTE. 2013
[5] Wang E, Lin X Q, Adhikary A, A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things (NB-IoT),2016
[6] 3rd Generation Partnership Project. Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network; Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput Internet of Things (CIoT)(Release 13).
[7] 3GPP TR 36.802. Narrowband Internet of Things (NB-IoT); Technical Report for BS and UE radio transmission and reception (Relase 13). 2016
[8] Ksentini A, Hadjadj-Aoul Y, Taleb T. Cellular-based Machine-to-Machine (M2M): Overload Control, IEEE Network, 2012,26(6):54-60
[9] 戴博，袁戈非，余媛芳，窄带物联网（NB-IoT）标准与关键技术，人民邮电出版社，2016
[10] 戴国华，余骏华，NB-IoT的产生别经、比饿哦准发展以及特性和业务研究，移动通信，2016，40（7）：31-36
[11] 王晓周，蔺琳，肖子玉，NB-IoT技术标准化及发展趋势研究，现代电信可以寄，2016,46（6）：5-12