你未知的物联网专用通信技术，三种授权频段下的低功耗广域网

　　众所周知，蓝牙和ZigBee等通信协议凭借低功耗的特性已经被广泛应用于近距离的物联网通信，但在覆盖范围更大的场景，如智慧城市和车联网等领域，这些近距离通信技术显然无法满足需求。

　　目前，物联网产业链上下游都在大力推广低功耗广域网（LPWAN），如NB-IoT、LoRa、SigFox以及RPMA等，种类甚至比近距离通信技术还要多。不过，在这些LPWAN技术中，工作在3GPP（Third GeneraTIonPartnership Project）授权频谱的只有3 种，分别是eMTC，NB-IoT和EC-GSM-IoT。

　　这些授权频段下的低功耗广域网最大的优势是可以通过已有的站址进行大规模覆盖，那它们各自又有什么特点呢？

　　eMTC

　　覆盖：比GPRS提升15dB

　　结点数：单载波10万个

　　功耗寿命：5Wh电量下，至少10年

　　速率：上下行峰值 1Mbps

　　频段：LTE

　　带宽：1.08MHz

　　eMTC的全称是LTE enhancements for Machine Type CommunicaTIons。为了适应物联网环境下海量的低成本低带宽的终端接入，3GPP的专家组一方面保留了原有LTE协议对硬件环境的兼容性，另一方面针对物联网的特殊应用场景删掉了高速传输等不必要的附加能力，最终在LTE的基础上裁剪、优化得到了eMTC。

　　“eMTC”这一提法在3GPP发布的Release 13中被正式确定，在此前的版本中曾被称为Low-Cost MTC和LTE-M（即LTE-Machine-to-Machine）。未来eMTC还会根据技术和应用场景的发展随着LTE协议族共同演进。

　　在Release 13中定义的eMTC支持1.08MHz的射频和基带带宽，比GPRS的覆盖范围提升了15dB，每个载波最多可以支持10万个设备连接，并且可以直接接入现有的LTE网络，同时兼容FDD和TDD两种技术标准。更重要的是，由于兼容LTE，因此eMTC可以支持VoLTE（Voice Over LTE）语音技术，未来或许将被应用到各种智能硬件之中。

　　此外，eMTC还支持上下行最大1Mbps的峰值速率，远超GPRS、NB-IoT以及LoRa等其他技术标准。而且，为了适用于物联网场景，兼容eMTC协议的终端模块还被要求能够在5Wh的电量下待机超过10年，并且目标成本要求控制在1~2美金之间，在功耗和成本上针对物联网应用做了充分的考量。

　　今年1月，韩国KT电信集团已经联手诺基亚完成了eMTC标准的首次试运行。

　　NB-IoT

　　覆盖：比GPRS提升20dB

　　结点数：单载波20万个

　　功耗寿命：5Wh电量下，10年

　　速率：下行峰值250Kbps；上行单通道峰值20Kbps，多通道250Kbps

　　频段：LTE，LTE边缘，独立频段（例如GSM）

　　带宽：180KHz

　　NB-IoT的全称是Narrow Band Internet of Things。相对于eMTC而言，其主要特点是根据物联网进行了更深入的优化，在保证通信的同时进一步降低了网络负荷。

　　NB-IoT针对物联网的深度优化主要体现在两个方面：一个是增加了覆盖率，一个是提升了系统容量。根据3GPP的介绍，NB-IoT通过降低编码率大幅提高了系统的解调效率，而且降低了单一设备的信号发射功率（协议规定最大为200mW，5Wh的电量下要求至少待机10年），降低了上传和下载的最高速率水平（上传和下载速率最高只能达到250Kbps），整体上比GPRS的覆盖范围增加了20dB，每个载波最多可以支持20万个网络连接。除此之外，根据容量需求，NB-IoT还可以通过增加更多载波的方式来扩大系统承载规模，具备利用单一基站一次性支持数百万个物联网连接的能力。

　　部署方式上，NB-IoT并不像eMTC那样单纯基于LTE，而是同时支持三种不同的部署方式。第一种是Standalone，这种方式使用一段独立的频带，优点是不会形成干扰，简单直接。第二种是Guard Band，利用LTE频带边缘的保护频段，优点是不需要独立频带，缺点是信号强度较弱，而且容易与LTE系统发生干扰。第三种是In Band，即直接使用一段LTE频带的空闲波段，完全兼容于LTE。

　　之所以NB-IoT拥有如此复杂的部署方式，源于其本身复杂的出身。NB-IoT的技术来源主要包括两个部分：一个是由诺基亚、爱立信和英特尔等公司提出的NB-LTE（Narrowband-LTE）技术，另一个是华为和沃达丰（Vodafone）提出的NB-CIoT（Narrowband Cellular IoT）技术。前者是基于LTE技术的简化，可以与现行的LTE标准兼容；而后者几乎是一个重新的设计，完全基于物联网专门定制。在2015年9月的讨论会议上，NB-CIoT和NB-LTE两种技术达成了统一，即今天的NB-IoT。

　　在国内，华为是NB-IoT标准的主要推动者。2015年底，华为联合主流运营商、设备厂商、芯片厂商和相关国际组织在内的21家产业巨头，在香港成立了GSMA NB-IoT Forum产业联盟，其中有六家运营商成员还宣布，将联合华为在全球成立六个NB-IoT开放实验室，聚焦NB-IoT领域的研发和验证。目前中国联通已经在上海建成了全球首个NB-IoT的技术示范点。

　　EC-GSM-IoT

　　覆盖：相比普通GPRS，在33dBm功率水平下，提升20dB

　　结点数：单基站5万个结点

　　功耗寿命：5Wh电量下，至少10年

　　速率：GMSK调制下达到70-350Kbps的上下行峰值；8PSK调制方式下达到240Kbps上下行峰值

　　频段：GSM

　　带宽：单通道200KHz，典型系统总带宽2.4MHz

　　最后一个是EC-GSM-IoT，全称为Extended Coverage-GSM-IoT。从名字就可以看出，EC-GSM-IoT和GSM网络标准有这紧密的联系，它是GSM的延伸技术，它可以直接利用GSM的基站来进行通信。

　　按照3GPP的说明，EC-GSM-IoT在GMSK的调制方式下可以达到70-350kbps的上下行速率，8PSK调制下的速率则可以达到240kbps。3GPP同样要求符合EC-GSM-IoT标准的终端模块能够在5Wh的电量下至少待机10年。EC-GSM-IoT的单基站容量最多可以达到5万个结点，相比普通GPRS，在33dBm功率水平下的覆盖范围提升了20dB，这一点与NB-IoT相当。

　　此外，为了更适用于物联网应用，相对于原有的GSM技术，3GPP的专家组还增强了EC-GSM-IoT标准的身份认证、完整性校验、密保强度和设备识别能力等一系列的安全特性。

　　EC-GSM-IoT理论上完全兼容于现有的GSM，现有的GSM基站只需要进行简单的软件升级就可以适用于符合EC-GSM-IoT标准的智能设备，因此部署起来相对容易。

　　2016年2月，爱立信联合法国Orange电信和英特尔共同建成了全球首个EC-GSM-IoT技术示范点。在随后的MWC 2016上，爱立信还专门展示了自家的EC-GSM-IoT技术范例。

　　总结

　　这三种低功耗广域网都各有优缺点：基于LTE的eMTC，上下行速率可以达到1Mbps，速度最快；而NB-IoT，上下行速率可以达到250Kbps，适用于分布广泛、类别庞杂、通信需求不高的各种底层智能设备；基于GSM的EC-GSM-IoT，上下行速率与NB-IoT相当，最便于部署和推广。但与此同时，市场上的一些非授权频段的技术标准也在逐渐崛起，如LoRa、SigFox以及RPMA等，不少企业各自为政，因此物联网领域广域网的搭建或许很难在短期内形成一个统一的标准。