GSM網(wǎng)絡(luò)部署蜂窩物聯(lián)網(wǎng)研究

陳光洪

摘要：物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將事物聯(lián)系起來(lái)，目前發(fā)達(dá)和成熟的無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)具有大容量和靈活性的特點(diǎn)，可以提供較快數(shù)據(jù)傳輸速率，支持種類(lèi)繁多的應(yīng)用程序。目前可以通過(guò)GSM模塊與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，構(gòu)建GSM網(wǎng)絡(luò)部署的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。在物聯(lián)網(wǎng)的支持技術(shù)中，基于通信網(wǎng)絡(luò)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)是較為具有前景的解決方案。

關(guān)鍵詞：GSM;物聯(lián)網(wǎng);蜂窩網(wǎng)絡(luò)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）02-0113-01

1 通信系統(tǒng)組成

通信系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（NMS）、基站系統(tǒng)（BSS）、網(wǎng)絡(luò)交換系統(tǒng)（NSS）組成。網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)主要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，基站系統(tǒng)主要是完成無(wú)線收發(fā)與資源管理，網(wǎng)絡(luò)交換主要完成數(shù)據(jù)交換。

2 GSM網(wǎng)絡(luò)的組成

可以說(shuō)GSM曾經(jīng)是技術(shù)領(lǐng)先的通信技術(shù)，虜獲了全球許多用戶(hù)的芳心，曾經(jīng)是全球用戶(hù)數(shù)量最多的通信技術(shù)。但是對(duì)于技術(shù)日新月日的二十一世紀(jì)來(lái)說(shuō)，也只能說(shuō)是曾經(jīng)。目前我們的第四代移動(dòng)通信具有諸多優(yōu)點(diǎn)，具有極快的數(shù)據(jù)通信速率，以及未來(lái)的5G通信，更是具有大容量、高速率、低延遲等優(yōu)點(diǎn)，可以說(shuō)是最受期待也是最受歡迎的技術(shù)之一。但是作為我國(guó)最先引入的通信技術(shù)，GSM目前還是具有一個(gè)十分重要的優(yōu)點(diǎn)，即基站數(shù)量多，我們知道，在2G時(shí)代，國(guó)家花費(fèi)巨資建設(shè)基站，后續(xù)許多3G、4G基站都是再次升級(jí)改造，未來(lái)5G對(duì)基站也提出新的要求，因此可以將GSM應(yīng)用到通信速率要求低的物聯(lián)網(wǎng)中。

3 GSM-IoT方案

由于缺乏現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備，假如新建整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要的成本十分巨大。出于這個(gè)原因，我們要充分利用現(xiàn)有資源，考慮使用常規(guī)保留的蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施的蜂窩IoT（CIoT）系統(tǒng)。目前主流的兩種方案：基于GSM/GPRS平臺(tái)架構(gòu)和LTE/LTE-Advanced平臺(tái)的改進(jìn)架構(gòu)。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）被定義為L(zhǎng)TE規(guī)范改進(jìn)技術(shù)。由于全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）具有覆蓋范圍廣的巨大優(yōu)勢(shì)。本文主要介紹基于GSM網(wǎng)絡(luò)的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)覆蓋的時(shí)分隨機(jī)接入方案。

對(duì)于持久連接的CIoT設(shè)備因其有限功率導(dǎo)致的即時(shí)連接偏好。因此，當(dāng)成功傳輸小尺寸數(shù)據(jù)后立即釋放連接，但是這樣的連接形式具有大延遲的缺點(diǎn)。當(dāng)有大量的連接請(qǐng)求集中在CIoT系統(tǒng)上，這種并發(fā)訪問(wèn)使得少量隨機(jī)接入信道（RACH）就會(huì)面臨巨大壓力。RACH上的激烈競(jìng)爭(zhēng)可能導(dǎo)致隨機(jī)接入請(qǐng)求的沖突甚至無(wú)效，因此，減輕隨機(jī)接入過(guò)程中的即時(shí)擁塞以有效地容納所有CIoT設(shè)備是最為關(guān)鍵的。

目前已有許多研究嘗試在隨機(jī)接入過(guò)程中減輕RACH的過(guò)載問(wèn)題。例如，禁止接入類(lèi)（ACB）方案，將一個(gè)接入類(lèi)（AC）分配給CIoT設(shè)備，并周期性地向所有AC報(bào)告其接入概率。然后，每個(gè)設(shè)備基于所分配的AC和接入概率信息來(lái)限制其隨機(jī)接入嘗試。因此，對(duì)于不同CL，可以使用接入概率信息來(lái)調(diào)整RACH上的瞬時(shí)隨機(jī)接入的負(fù)載。基于隨機(jī)接入觸發(fā)方案通過(guò)觸發(fā)來(lái)嚴(yán)格控制并發(fā)接入設(shè)備的數(shù)量。接入許可時(shí)間間隔（AGTI）方案通過(guò)確定性地將RACH上的周期性資源分配給每個(gè)設(shè)備來(lái)避免隨機(jī)接入沖突。

通過(guò)利用分配的多個(gè)RACH，具有比現(xiàn)有前導(dǎo)碼更多的標(biāo)識(shí)符的虛擬前導(dǎo)碼可以更好地識(shí)別擁擠的RACH中的設(shè)備。傳統(tǒng)的CIoT系統(tǒng)通常使用窄帶控制信道操作，該信道具有有限的容量和冗長(zhǎng)的周期。當(dāng)CIoT設(shè)備的數(shù)量在網(wǎng)絡(luò)中非常大時(shí)，這嚴(yán)重阻礙了控制信息的交換。因此，傳統(tǒng)的CIoT系統(tǒng)的效率在實(shí)際的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中將受到限制。

通?？蓪IoT設(shè)備視為傳感器。CIoT系統(tǒng)僅分配200 kHz帶寬用于上行鏈路和下行鏈路?？紤]到所使用的系統(tǒng)帶寬比傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)窄，可以通過(guò)使用包括天線，放大器，濾波器和收發(fā)器的簡(jiǎn)單和低性能硬件結(jié)構(gòu)來(lái)制造CIoT設(shè)備。

4 一種可行的GSM網(wǎng)絡(luò)的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)例

隨著技術(shù)的進(jìn)步，提出基于GSM的萬(wàn)物互聯(lián)已成為可能。一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)例實(shí)現(xiàn)流程（圖1）：

（1）設(shè)計(jì)合適的基礎(chǔ)電路，將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模塊與GSM連接。

（2）測(cè)試，實(shí)現(xiàn)和建立微控制器，傳感器和GSM之間的通信。

（3）開(kāi)發(fā)外部傳感器使GSM可以準(zhǔn)確監(jiān)控收發(fā)指令。

（4）開(kāi)發(fā)一個(gè)能夠在緊急情況下發(fā)送SMS警報(bào)消息的系統(tǒng)。

（5）開(kāi)發(fā)一個(gè)可以在線監(jiān)控并在云上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。

可以在基于GSM的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用GSM網(wǎng)絡(luò)和超大規(guī)模集成（VLSI）技術(shù)的方法。得到快捷高效的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。使用GSM模塊啟動(dòng)計(jì)算機(jī)和GSM模塊之間的通信。GSM模塊需要應(yīng)用SIM的調(diào)制解調(diào)器，類(lèi)似于移動(dòng)電話。系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)特的IMEI用于識(shí)別，當(dāng)輸入?yún)?shù)超出設(shè)定的條件時(shí)，GSM模塊將向接收方發(fā)送消息。由于通過(guò)電纜傳輸數(shù)據(jù)很麻煩，將ZigBee引入系統(tǒng)，因?yàn)樗人{(lán)牙更節(jié)能。它還提供更多的節(jié)點(diǎn)和更好的網(wǎng)絡(luò)靈活性。該系統(tǒng)可以通過(guò)GPS的集成來(lái)增強(qiáng)。這些數(shù)據(jù)從各自的傳感器中提取，并使ZigBee發(fā)送到本地服務(wù)器。

任何異常的情況下，微控制器向GSM模塊發(fā)送警報(bào)命令。輸入TCP IP命令以便能夠與云服務(wù)進(jìn)行握手。然后使用API密鑰啟動(dòng)“GET”命令，將通過(guò)TCP IP協(xié)議與AT命令一起發(fā)送。數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度將與之前檢測(cè)到的值一起發(fā)送。如果數(shù)據(jù)的傳輸尚未成功傳輸，則由于引入的循環(huán)，它將再次執(zhí)行此步驟。

5 結(jié)語(yǔ)

GSM是第二代移動(dòng)電話系統(tǒng)，雖然目前第4代移動(dòng)通信系統(tǒng)、第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)飛速發(fā)展，不斷創(chuàng)新，GSM的應(yīng)用還有許多可以探索，以GSM網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。覆蓋范圍廣，可以大范圍接入，同時(shí)可以通過(guò)設(shè)計(jì)低功耗設(shè)備進(jìn)行偏遠(yuǎn)地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)。

Research on GSM Network Deployment of Cellular Internet of Things

CHEN Guang-hong

（Guangdong Southern Telecom Planning Consulting Design Institute Co.， Ltd.， Shenzhen? Guangdong? 518038）

Abstract：The Internet of Things connects things through the network. At present， the developed and mature wireless access network has the characteristics of large capacity and flexibility. It can provide fast data transmission rate and support a wide range of applications. At present， the cellular Internet of Things system deployed in the GSM network can be constructed by combining the GSM module with the Internet of Things technology. In the support technology of Internet of Things， cellular network based on communication network is a promising solution.

Key words：GSM; Internet of Things; cellular network