蜂窝物联网——CIoT 技术的比较

编者注：对提高物联网设备可用性的日益增长的需求与非常适合物联网的蜂窝技术的出现相吻合 。对于开发人员来说，对有关蜂窝技术及其在物联网中的应用的更详细信息的需求从未如此迫切。 摘自《蜂窝物联网》一书，该系列介绍了该领域的关键概念和技术。

在之前的系列文章中，作者描述了蜂窝网络不断发展的格局、它在物联网中的作用，以及用于大规模机器类型通信 (mMTC) 和超可靠低延迟通信 (URLLC) 的技术。

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改编自蜂窝物联网，作者：Olof Liberg、Marten Sundberg、Eric Wang、Johan Bergman、Joachim Sachs。

第 9 章物联网技术竞争格局（续）

作者：Olof Liberg、Marten Sundberg、Eric Wang、Johan Bergman、Joachim Sachs

9.3 CIoT 技术的选择

9.3.1 CIoT 技术对比

不同的 CIoT 技术 EC-GSM-IoT、NB-IoT 和 LTE-M 已在第 3-8 章中进行了广泛分析。这里我们总结比较一下性能和特点。对于 NB-IoT，为简单起见，我们在本摘要中仅考虑带内和独立部署选项。保护带操作模式的性能在很大程度上类似于带内性能。完整的 NB-IoT 性能分析（包括保护带操作）可在第 8 章中找到。

9.3.1.1 覆盖范围和数据速率

图 9.7 和 9.8 总结了针对不同耦合损耗的所有 CIoT 技术的上行链路和下行链路的数据速率。所有这些技术都引入了扩展覆盖功能，可在高达 164 dB 的耦合损耗下运行。与当今全球移动通信系统 (GSM)、UMTS 或长期演进 (LTE) 网络中的覆盖范围相比，这是覆盖范围的显着扩展。对于 EC-GSM-IoT，164 dB 耦合损耗基于输出功率为 33 dBm 的设备，这在 GSM 网络中很常见。然而，这意味着与 NB-IoT 和 LTE-M 的设备输出功率相比，EC-GSM-IoT 的全扩展范围需要高 10 dB 的设备输出功率以实现相同的上行链路覆盖。在对第 4、6 和 8 章中扩展覆盖结果的更多细节进行研究时，可以看到 NB-IoT 可以在 164 dB MCL 下以比 EC-GSM-IoT 和 LTE-M 更低的控制信道误块率运行，使其在极端覆盖范围内更加稳健。可以注意到，LTE-M 和 EC-GSM-IoT 可以应用跳频，由于增加了频率分集，这提供了一些额外的覆盖鲁棒性。

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图 9.7 上行链路的覆盖范围和物理层数据速率。

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图 9.8 下行链路的覆盖和物理层数据速率。

图 9.7 和 9.8 还提供了物理层数据速率 不同 CIoT 技术的价值。 瞬时峰值物理层数据速率 仅指定数据通道可达到的数据速率。表中的其他数据速率值是指传输单个消息的有效物理层数据速率，其中在消息的传输时间中还考虑了调度和控制信令的延迟。在这个比较中，假设所有技术都使用半双工操作，但应该注意的是，LTE-M 设备也可以在支持全双工操作的情况下实现，这将实现更高的数据速率（峰值速率接近瞬时峰值物理层数据速率）。这些速率是为与基站具有不同耦合损耗的设备提供的：峰值物理层数据速率 对应于与基站具有理想无差错连接的设备。 144 dB耦合损耗下的物理层数据速率对应于GSM或LTE无线小区的正常小区边缘，154和164 dB对应于GSM小区边缘的10和20 dB覆盖扩展。

可以看出，与 NB-IoT 或 EC-GSM-IoT 相比，LTE-M 可以在上行链路和下行链路中实现更高的数据速率。对于在无线电小区的正常覆盖范围内的设备来说，尤其如此。当设备位于扩展覆盖区域时，上行链路受到设备输出功率的限制，所有CIoT技术都使我们通过重复来达到所需的链路质量。在 164 dB 耦合损耗等极端覆盖情况下，使用相同输出功率时，不同技术可实现的数据速率变得非常相似。由于设备的输出功率高 10 dB，因此 EC-GSM-IoT 在 164 dB MCL 下的数据速率高于其他技术。在同一个LTE载波内，LTE-M的数据速率总体上高于带内NB-IoT。

这三种技术都满足了 3GPP 在 164 dB 的 MCL 下实现 160 bps 的要求。

9.3.1.2 延迟

已根据异常报告评估了 CIoT 技术的延迟 ，这是包含在 85 字节 IP 数据包中的不常见的高重要 IoT 消息，该数据包通过 CIoT 网络从设备传输。所有技术，LTE-M、NB-IoT 和 EC-GSM-IoT，都满足第 13 版中首次定义的 10 秒 3GPP 延迟目标，如图 9.9 所示。当设备在正常覆盖范围内时，由于 LTE-M 提供更高的数据速率，LTE-M 可以实现稍低的延迟。在扩展覆盖范围内，EC-GSM-IoT 可以提供最低延迟，因为设备输出功率更高，可以提供更高的数据速率。与带内 NB-IoT 相比，独立的 NB-IoT 具有更低的延迟，因为用于下行链路信道的功率更高。

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图 9.9 异常报告的延迟。

9.3.1.3 电池寿命

已针对所有 CIoT 技术分析了电池寿命，假设两节 AA 电池的联合容量为 5 Wh。假设所有三种物联网技术的功率放大器效率为 45%-50%。

总体而言，所有 CIoT 技术都采用机制来节省电池寿命，以减少消息的不频繁传输，因为这在许多 IoT 服务中很常见。主要原则是设备仅在传输数据时处于活动状态，否则会进入省电睡眠状态。已经定义了有效的程序，将与数据传输相关的信令开销降至最低。这对于小消息尤其重要，因为任何信令开销都会占能源消耗的很大一部分。

对于 200 字节消息的每日报告，不同 CIoT 技术的电池寿命如图 9.10 所示。表 9.5 总结了不同消息大小和 IoT 数据传输周期的结果。总体而言，所有技术都可以实现 10 年的电池寿命，在某些情况下甚至更长。长电池寿命的最大挑战是当设备位于非常糟糕的覆盖位置时。在扩展覆盖模式下，使用非常低的数据速率，并为数据传输应用了许多重复。在这种情况下，设备需要更多的努力来进行数据传输，这减少了进入省电睡眠状态的机会。因此，所有 CIoT 技术的电池寿命在 164 dB 的 MCL 下显着缩短。如此大的耦合损耗，如果设备的数据传输事件很少发生，例如每天一次，则只能实现 10 年的电池寿命。对于更频繁的数据传输事件，例如每 2 小时一条消息，在 164 dB 的 MCL 下可实现 1-3 年的电池寿命。

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图 9.10 具有 200 字节消息每日报告的设备的电池寿命。

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表 9.5 电池寿命

所有这三种技术都满足或表明有可能满足 3GPP 在 164 dB 的 MCL 下实现 10 年电池寿命的要求。