基于TD-LTE的移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)研究與分析

林浩 李偉然 劉京川 溫正陽

【摘要】 TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的快速部署和應(yīng)用，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的有力推手，本文分析了TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢和傳送網(wǎng)架構(gòu)，對物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢及發(fā)展瓶頸進(jìn)行了介紹和分析。由于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)承載需求，提出了基于TD-LTE技術(shù)的移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方案。

【關(guān)鍵字】 TD-LTE 物聯(lián)網(wǎng) 業(yè)務(wù)需求 應(yīng)用方案

一、引言

2013年12月中國移動(dòng)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的正式商用，標(biāo)志著中國的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)正式進(jìn)入4G時(shí)代。TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的高速帶寬為承載多種物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展提供了可能。本文對中國移動(dòng)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了介紹，并論證了LTE網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合的技術(shù)可行性。

二、TD-LTE移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)

LTE是基于OFDMA技術(shù)、由3GPP組織制定的全球通用標(biāo)準(zhǔn)，包括FDD和TDD兩種模式用于成對頻譜和非成對頻譜。中國移動(dòng)采用TDD技術(shù)構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)。

2.1 技術(shù)優(yōu)勢

（1）與2G、3G網(wǎng)絡(luò)相比，以TD-LTE技術(shù)為基礎(chǔ)的4G網(wǎng)絡(luò)，下行速率100 Mbps，上行速率50 Mbps，通信速度有了很大的提升。

（2）采用OFDM技術(shù)，提高了調(diào)制效率和頻譜利用率。

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing），正交頻分復(fù)用技術(shù)，將高速串行數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為大量的并行低速子數(shù)據(jù)流，每路數(shù)據(jù)流經(jīng)獨(dú)立調(diào)制后在不同的子載波上分別傳輸，各子載波的頻譜重疊但相互正交，頻譜利用率較高。

（3）MIMO技術(shù)，提高系統(tǒng)傳輸速率的最主要手段。

MIMO（Multiple-Input Multiple—Output），多輸入多輸出，該系統(tǒng)在發(fā)送端和接收端均采用多天線和多通道模式，利用無線信道的非相關(guān)特性實(shí)現(xiàn)信號在空間的多路并行傳輸，從而提高通信質(zhì)量和通信速率。

（4）PTN承載TD-LTE優(yōu)勢明顯。

①PTN具有多種業(yè)務(wù)類型統(tǒng)一承載力，其采用packet作為交換核心，能夠滿足數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)突發(fā)、不定包長等特點(diǎn)，對承載IP化數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)勢明顯。

②PTN在城域核心層啟用簡化的L3功能轉(zhuǎn)發(fā)X2接口連接，避免在PTN網(wǎng)絡(luò)間增加路由器設(shè)備，簡化了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，消除了網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸節(jié)點(diǎn)，盡可能地避免了單個(gè)網(wǎng)元出錯(cuò)對全網(wǎng)的影響，方便統(tǒng)一網(wǎng)管全網(wǎng)管理。

③PTN具有較強(qiáng)的QoS功能，能夠?qū)D-LTE業(yè)務(wù)進(jìn)行等級區(qū)分和優(yōu)先級管理，利于更高效更合理傳輸不同等級用戶的業(yè)務(wù)。

2.2承載TD-LTE的傳輸網(wǎng)

LTE網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面與2G、3G網(wǎng)絡(luò)有很大的不同，2G、3G網(wǎng)絡(luò)，一臺BSC/RNC下掛多個(gè)基站BTS/NodeB，各個(gè)基站的BTS/NodeB之間是沒有接口的，基站間的互訪問是有BSC/RNC直接控制。4G網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)每個(gè)基站之間都有傳輸需求。因此引入了S1和X2流量。

對于S1流量：經(jīng)接入層PTN統(tǒng)一送到核心層PTN，由核心層PTN根據(jù)目的IP地址（MME/SGW）查找L3VPN的路由表，封裝LSP和L3VPN的標(biāo)簽， 經(jīng)由核心層設(shè)備間的轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)歸屬的MME/SGW。

對于X2流量：經(jīng)接入層PTN統(tǒng)一送到核心層PTN，由核心層PTN根據(jù)目的IP地址（相鄰的基站）查找L3VPN的路由表，以決定流量是經(jīng)由核心層環(huán)送往非本地歸屬的基站；或向下轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)由本地的L2VPN封裝送外相鄰的基站。

三、基于TD-LTE的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)物物相連的網(wǎng)絡(luò)，它能夠?qū)⑽覀兊纳顢M人化。物聯(lián)網(wǎng)使用GPS、射頻識別、傳感器等設(shè)備進(jìn)行信息提取、鑒別和傳遞，然后通過某種通信方式連接至互聯(lián)網(wǎng)，最后使信息能夠與互聯(lián)網(wǎng)信息互換，實(shí)現(xiàn)智能化的跟蹤、識別、監(jiān)管等功能。

構(gòu)建以TD-LTE網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)，需要解決以下幾個(gè)方面。

（1）為滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對口地址日益增長的需求，物聯(lián)網(wǎng)感知層傳感器終端應(yīng)具有支持TD-LTE制式的網(wǎng)絡(luò)模塊，同時(shí)支持IPv6。IPv6理論上支持的終端數(shù)量將達(dá)到2的128次方，同時(shí)終端設(shè)備可擁有1個(gè)以上的IP地址，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的安全性，數(shù)據(jù)傳輸速度也大大提高。

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)資源受限和低功耗的特點(diǎn)對IPv6協(xié)議進(jìn)行裁剪和優(yōu)化，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用得到了IETF組織的積極推廣，相關(guān)的核心標(biāo)準(zhǔn)已基本制定完成。

（2）物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)包含TD-LTE承載網(wǎng)的接入層、匯聚層、核心層，具備數(shù)據(jù)承載和數(shù)據(jù)控制功能，建立屬于物聯(lián)網(wǎng)的專屬網(wǎng)元，能夠提供如會話管理、路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、QoS控制、存儲信息等業(yè)務(wù)，同時(shí)，為物聯(lián)網(wǎng)終端與應(yīng)用平臺、管理平臺之間提供通道。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可采用與TD-LTE核心層網(wǎng)絡(luò)控制與承載分離的網(wǎng)絡(luò)模式，在核心層建立物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)專用的MME、SGW、PGW網(wǎng)元。

① MME通過向HSS發(fā)送“四元組”鑒權(quán)請求，完成對于低移動(dòng)性的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接入的控制，包括安全和許可控制；通過向DNS請求APN解析獲得SGW、PGW網(wǎng)元的地址信息，從而完成對SGW、PGW網(wǎng)元的選擇。

② SGW完成通信的建立、數(shù)據(jù)路由建立和轉(zhuǎn)發(fā)、尋呼觸發(fā)、計(jì)費(fèi)及QoS控制等功能，為終端和應(yīng)用層、管理層的通信提供數(shù)據(jù)通道。

③ PGW完成豐富的業(yè)務(wù)處理，包括IP地址分配、 DPI、內(nèi)容計(jì)費(fèi)、業(yè)務(wù)策略控制、防火墻和NAT（Network Address Translation）等功能。

（3）由中國移動(dòng)為規(guī)范物聯(lián)網(wǎng)終端與M2M平臺間的數(shù)據(jù)通信、實(shí)現(xiàn)M2M平臺對物聯(lián)網(wǎng)終端的統(tǒng)一管理而制訂的WMMP協(xié)議，在應(yīng)用方面還處在起步階段，支持該協(xié)議的接入終端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備較少。

完整的基于LTE的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

四、小結(jié)

物聯(lián)網(wǎng) 作為我國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，正在進(jìn)入深化應(yīng)用的新階段，物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、其他信息技術(shù)不斷融合滲透，促進(jìn)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，服務(wù)社會民生方面發(fā)揮的作用越來越重要。本文提出了基于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)和應(yīng)用必將推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)高速的網(wǎng)絡(luò)帶寬和傳感網(wǎng)絡(luò)局部細(xì)小的部署集合起來，可完成多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的透傳服務(wù)。

參 考 文 獻(xiàn)

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