5G时代的三个兄弟：LTE、LTE-U、NB-IOT

　　什么是LTE-U

　　LTE-U(unlicensed)非授权频道，注意这可是大家最熟悉的WiFi杀手。WiFi的路由器，一般只有30~50米;一般路由器到了100米，就只有信号，不能通讯了。而LET-U可以达到300~500米(类似3G时代曾经推过的“城域网”)。ISM(工业、科学、医疗)这三个领域可以随便用，主要频段包括从5K、13.56M一直到2.4G和5.8G等多个频段。

　　为什么需要LTE-U

　　标准的LTE技术只能部署在授权频谱，不能直接部署在非授权频谱。随着LTE技术和应用的逐步成熟，授权频谱中的数据流量越来越饱和，有必要考虑将流量从授权频谱分流一部分到非授权频谱。经过运营商、设备商和芯片厂商等的共同努力，目前可以将LTE流量分流到非授权频谱的主流技术是：LTE-U、LAA(Licensed Assisted Access)、LWA和MulteFire。

　　图 聚合授权频谱和非授权频谱的主流技术

　　2 LTE-U的优势

　　最先开发出来的是LTE-U技术，LTE-U的全称是LTE in Unlicensed spectrum，即非授权频谱上的LTE。该技术将LTE部署到非授权频谱，并采用标准LTE空口协议完成通信。

　　采用LTE-U技术，就可以利用集中调度、干扰协调、HARQ重传、CA载波聚合等技术，可以获得更好的鲁棒性和频谱效率，提供更大的覆盖范围和更好的用户体验。LTE-U可以将授权频段作为主载波，终端跟基站可以在授权频段上建立无线资源控制连接，通过载波感知获取当前空闲的非授权频段资源，实现授权频段和非授权频段的载波聚合，从而有效提升系统的性能和吞吐量，解决室内数据流量的增长需求和频谱匮乏问题。

　　LTE-U和LTE/LTE-A的差别只是工作在不同的频段，可以使用现有的LTE部署，不需要对网络结构进行改动，只需要对基站进行升级，可以极大降低运营商的投资成本。因为对于运营商来说，在未授权的频谱上部署LTE，就可以在无需耗费数十亿美元竞购授权频谱的情况下增加网络容量。另外，容量的增加、更流畅的管理，为用户提供的更好体验，也可以为运营商在增加服务收入和降低客户流失率两方面带来经济利益。

　　3 LTE-U与WIFI的共存问题

　　在公网中，LTE-U主要应用在2.4GHz和5GHz这两种频段，和现有的WIFI网络工作在同一个频段。

　　由于一些国家的监管部门要求LTE-U技术需要包括一项防止LTE过多干扰WIFI的LBT功能(Listen Before Talk)，而LTE-U本身并不需要强制实现LBT技术，因此最早在美国、中国等监管部门没有强制要求LBT的国家发展起来。

　　图 LAA支持的LBT技术

　　对于参与有关LTE讨论的运营商和厂商来说，主要的挑战就是证明LTE-U能够与WIFI一起在未授权的频段上共存。WIFI会在开始传输前对信道活动进行判断和感知，如果发现信道被占用后就会自动退回，即ListenBefore Talk (LBT)，但LTE-U并不支持LBT。

　　LTE-U使用了一种被称为载波侦听自适应传输(Carrier Sensing Adaptive Transmission, CSAT)的算法，这是信道分时的一种形式。由于CSAT在传输之前不会对信道进行侦听和感应，所以它可能会干扰WIFI的传输。

　　图 LTE-U采用的CAST技术

　　4 LTE-U的发展

　　LTE-U方案在2013年正式提出，到了2014年，Verizon联合阿尔卡特朗讯、爱立信、高通、三星成立了LTE-U论坛，基于3GPP的R12协议联合开发相关技术文档。也就是说，LTE-U技术并不是由3GPP组织开发和演进，这点不同于LAA，也是LTE-U的一大劣势。

　　图 LTE-U和LAA的区别

　　尽管像Verizon这样的运营商对LTE-U持看好态度，但是在使用未授权频谱的WIFI技术提供商看来，能否与LTE-U协议共存，仍有大量的担忧和疑虑存在。WIFI技术是未授权频谱一个相当大的使用者，WIFI提供商担心LTE将不会采用WIFI使用的LBT(Listen Before Talk)协议来避免干扰。

　　2015年，爱立信和高通合作演示了LTE-U技术，双方将一段20MHz授权频段单元和一段在5GHz未授权频段上的20M频段单元载波聚合在一起，在空口上实现了300Mbps的下载峰值。

　　NBIoT是什么

　　NB-IoT，Narrow Band Internet of Things，窄带物联网，是一种专为万物互联打造的蜂窝网络连接技术。顾名思义，NB-IoT所占用的带宽很窄，只需约180KHz，而且其使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波三种部署方式，与现有网络共存，并且能够直接部署在GSM、UMTS或LTE网络，即2/3/4G的网络上，实现现有网络的复用，降低部署成本，实现平滑升级。

　　移动网络作为全球覆盖范围最大的网络，其接入能力可谓得天独厚，因此相较WiFi、蓝牙、ZigBee等无线连接方式，基于蜂窝网络的NB-IoT连接技术的前景更加被看好，已经逐渐作为开启万物互联时代的钥匙，而被商用到物联网行业中。

　　呼声最高的NB-IoT，仍然属于授权频道。NB-IoT最大的特点，是传输距离达到惊人的10km，可以覆盖一个小县城。而且可以带无数终端，一个基站可以带20多万个终端。这意味着，管理一个井盖、停车收费，都变得轻松，而且便宜。即使是200万元建立一个基站，方圆10km都可以进行管理。

　　当然，由于NB-IoT属于授权频道，仍然不太可能在企业里用。所以NB-IoT也只能是先接入核心网(运营商)，再进入企业。

　　5G才能解决工业以太网

　　相对一般以太网而言，工业数据传递的实时性要求很高。工业以太网有QoS(服务质量协议)，因此在传递实时数据的时候，不容易丢包。这是因为QoS支持优先级，能够识别优先发送级别，如自动识别语音，还是邮件。语音的实时性要求很高，丢包会造成噪声;而电视丢包，则会乱码。这些都是不可接受的。实时视频必须要有QoS，而图像往往是带宽消耗最大的内容传输。

　　4G为什么不能用在工业互联网上，因为没有QoS，除了语音有识别之外，可以说它就是一个标准的IT网络。而5G则可以支持优先级，例如设备状态最优先，而将一般的数据传递优先级放在最后。

　　所以值得期待的是，5G才是工业互联网的基础。当下40%的情况，基本上是有能力实施的(说100%还是有点夸张)。4G最多只能到450M，而5G 的LTE可达达到450M~800M

　　更重要的是，选择性大幅度增加。就技术流派而言，4G时代的技术主要是高通，盆满钵满;而在5G时代，华为、思科、西门子等都有各自的技术。这次，工业可以有更多的选择了。

　　技术不能烂在手里

　　LTE是运营商标准，不可能被允许进入企业，因此不可能去建立一个iPhone7的基站。但既然5G标准和大规模布置尚待时日，这些已经有些眉目的技术，不可能空转吧。于是技术开始变形和演化，例如LTE就有了改进版，华为就率先推出了所谓企业版LTE技术(eLTE)。

　　它有两个频段，一个频段是800M(目前分配给联通)，还有一个频段900，是调频的。这个波段，可以用来完成eLTE的载波频点，也就是可以做企业端的应用了。

　　基于同样的考量，eLTE-IoT正是NB-IoT窄带物联网的一种变通方式。这样就可以进入工厂，成为智能制造的物联网基石。重要的是，eLTE-IoT有着更加低廉的成本，因此eLTE-IoT率先进入工业领域。

　　eLTE-IoT自身突出的特征(功耗小、终端多、距离长)，因此成为工业园区的最佳5G先头阵地之一。eLTE-IoT作为非授权频道，20万带宽，功率很小，不超过200mw功率。因此园区建立这种基站，也相互不影响

　　目前eLTE-IoT已经开始逐渐进入工厂，成为物联网数据最佳的传递手段。它将有效地替代RFID、设备联网等领域，成为智能工厂物联网的新欢。

　　NB-IoT的技术发展史：

　　NB-IoT的特点

　　NB-IoT具有以下四大特点：

　　一、广覆盖。相比现有的GSM、宽带LTE等网络覆盖增强了20dB，信号的传输覆盖范围更大(GSM基站目前理想状况下能覆盖35km)，能覆盖到深层地下GSM网络无法覆盖到的地方。其原理主要依靠：1、缩小带宽，提升功率谱密度;2、重复发送，获得时间分集增益。

　　二、大连接。相比现有无线技术，同一基站下增多了50-100倍的接入数，每小区可以达到50K连接，真是实现万物互联所必须的海量连接。其原理在于：1、基于时延不敏感的特点，采用话务模型，保存更多接入设备的上下文，在休眠态和激活态之间切换;2、窄带物联网的上行调度颗粒小，资源利用率更高;3、减少空口信令交互，提升频谱密度。

　　三、低功耗。终端在99%的时间内均处在休眠态，并集成多种节电技术，待机时间可达10年。1、PSM低功耗模式，即在idle空闲态下增加PSM态 ，相当于关机，由定时器控制呼醒，耗能更低;2、eDRX扩展的非连续接收省电模式，采用更长的寻呼周期，eDRX是DRX耗电量的1/16。

　　四、低成本。硬件可剪裁，软件按需简化，确保了NB-IoT的成本低廉，NB-IoT通信单模块成本不足5美元。

　　NB-IoT因其适用的场景，还具有低速率和低移动性的特点。1、低速率。多点上行速率仅为56kbps，理想下行速率为21.25kbps;2、低移动性。仅支持终端设备在30km/h的移动速率下实现小区切换，远低于4G支持250km/h的速率(高铁专网可达450km/h)。

　　NB-IoT解决方案总体架构

　　下图展示了NB-IoT解决方案的总体架构：

　　NB-IoT发展现状

　　下图展示了NB-IoT生态圈的概况：

　　NB-IoT目前试商用以及商用举例：

　　1、华为/中国联通的NB-IoT智能停车解决方案：基于华为NB-IoT模块推出的这套智能停车系统将能实现预定、转租停车位等功能，低功耗和高穿透能力使得这个方案更具可靠性。目前该停车系统已经在上海迪士尼试商用。

　　2、2017年7月13日，ofo小黄车与中国电信、华为共同宣布，三家联合研发的NB-IoT“物联网智能锁”全面启动商用。

　　3、中兴通讯/中国移动的智能井盖：该方案通过全方位监管井盖状态，在井盖被打开、移位等情况下，可实现及时警告。

　　NB-IoT芯片开发方面：

　　1、华为作为国内最大的NB-IoT芯片原厂，推出了Boudica 120/Hi2110物联网芯片，搭载Huawei LiteOS嵌入式物联网操作系统.

　　2、美国高通公司推出了型号为MDM9206的物联网芯片，支持Cat-M1和Cat-NB1标准的全球所有频段，具备GSM/NB-IoT/eMTC多模支持，还支持GPS、格纳洛斯、北斗、伽利略全球导航卫星定位。

　　3、中兴微电子研发了RoseFinch 7100(又名“朱雀”)NB-IoT物联网芯片，专为低功耗物联网设计，在睡眠功耗、截止电压和外围借口数量等和物联网应用关联的核心指标上都在业界处于领先水平。

　　4、英特尔推出的XMM 7X15系列物联网芯片。