物联网技术选择与性能分析

# 物联网技术选择与性能分析 ## 1. 大规模物联网技术对比 ### 1.1 LTE - M与NB - IoT特性概述 LTE - M作为LTE系统，自然比NB - IoT支持更丰富的功能。它支持使用多达四个天线端口的更高级传输模式，还支持宽带传输、语音、连接模式移动性和全双工操作。然而，在极端覆盖场景下，NB - IoT表现更出色，因为LTE - M的CE模式B提供极端覆盖是可选功能。 ### 1.2 覆盖性能 3GPP 5G要求大规模物联网系统支持164 dB MCL的覆盖。LTE - M和NB - IoT都能满足这一要求，PUSCH是两者达到164 dB覆盖目标所需传输时间最长的限制信道。对于LTE - M，MPDCCH需要配置256次重复才能达到控制信道传输的1% BLER目标，这也是MPDCCH可配置的最大重复次数，因此MPDCCH覆盖也是一个限制因素。除MPDCCH外，其他信道达到164 dB的传输时间未使用最大可配置传输时间，若能接受降低数据速率、延迟和电池寿命，可扩展覆盖范围。 EC - GSM - IoT与5G的评估假设略有不同，其能提供与NB - IoT和LTE - M类似的小区边缘覆盖和性能。NB - IoT - U的覆盖比164 dB低10 - 20 dB，LTE - M - U仅支持CE模式A，预计也有类似结论。 ### 1.3 数据速率 以下是LTE - M和NB - IoT在不同版本和模式下的MAC层和物理层数据速率： | Technology | MAC - layer at 164 dB MCL | MAC - layer peak | PHY - layer peak | | --- | --- | --- | --- | | Cat - M1 | 279 bps | 300 kbps | 1 Mbps | | Cat - M2 | > 279 bps | 1.2 Mbps | 4 Mbps | | Cat - NB1 | 299 bps | 26.2 kbps | 227 kbps | | Cat - NB2 | 299 bps | 127.3 kbps | 258 kbps | | Technology | MAC - layer at 164 dB MCL | MAC - layer peak | PHY - layer peak | | --- | --- | --- | --- | | Cat - M1 | 363 bps | 375 kbps | 1 Mbps | | Cat - M2 | 363 bps | 2.6 Mbps | 7 Mbps | | Cat - NB1 | 293 bps | 62.6 kbps | 250 kbps | | Cat - NB2 | 293 bps | 158.5 kbps | 258 kbps | 可以看出，NB - IoT和LTE - M的小区边缘MAC层数据速率相似，都满足5G 160 bps的要求。由于设备带宽更大和处理时间更短，LTE - M能提供更高的数据速率。 ### 1.4 延迟 对于许多大规模物联网用例，小数据传输时延迟比数据速率更重要。以下是LTE - M和NB - IoT在164 dB MCL下使用Early Data Transmission (EDT)和RRC Resume两种程序的小数据传输延迟： | Technology | Method | Latency [s] | | --- | --- | --- | | LTE - M | EDT | 5.0 s | | LTE - M | RRC Resume | 7.7 s | | NB - IoT | EDT | 5.8 s | | NB - IoT | RRC Resume | 9.0 s | LTE - M的表现略好于NB - IoT，主要是因为MPDCCH在256 ms的传输时间内可达到164 dB MCL，而NPDCCH在相同传输时间内MCL略低于164 dB，需512 ms才能支持166 dB MCL。但实际中这种性能差异可忽略不计，两种技术都能满足5G 10 s延迟的要求。 ### 1.5 电池寿命 5G要求大规模物联网设备在5 Wh不可充电电池上运行超过10年。以下是Cat - M和Cat - NB设备在164 dB MCL下，假设每天向网络发送一次200字节上行报告时的估计电池寿命： | Technology | Method | Battery life [years] | | --- | --- | --- | | LTE - M | RRC Resume | 11.9 years | | NB - IoT | RRC Resume | 11.8 years | 两种技术都满足10年电池寿命的要求，但假设的设备发射功率为500 mW可能过于乐观，更高的发射功率会降低电池寿命，除非调整电池电源。 ### 1.6 连接密度 5G要求大规模物联网系统每平方公里能支持多达1,000,000个连接，即每2小时支持1,000,000个连接，平均每秒139个连接建立。以下是LTE - M和NB - IoT在不同场景下支持的连接密度和所需带宽： | Technology | Inter - site distance | Channel model | Connection density [connections/NB or PRB] | Bandwidth to support 1,000,000 devices per km² [NB, PRB] | | --- | --- | --- | --- | --- | | LTE - M | 500 m | UMA A | 5,680,000 conn./NB | 1 NB + 2 PRBs = 8 PRBs | | LTE - M | 500 m | UMA B | 5,680,000 conn./NB | 1 NB + 2 PRBs = 8 PRBs | | LTE - M | 1732 m | UMA A | 342,000 conn./NB | 3 NBs + 2 PRBs = 20 PRBs | | LTE - M | 1732 m | UMA B | 445,000 conn./NB | 3 NBs + 2 PRBs = 20 PRBs | | NB - IoT | 500 m | UMA A | 1,233,000 conn./PRB | 1 PRBs | | NB - IoT | 500 m | UMA B | 1,