面向5G移動通信的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術研究

肖瑞雪 馮英偉 呂國 屈建萍

摘? 要： 在分析國內(nèi)外5G研究現(xiàn)狀的基礎上，針對物聯(lián)網(wǎng)應用具有廣覆蓋、低速率、低成本及低能耗的特點，對比了蜂窩物聯(lián)網(wǎng)常用技術NB?IOT，eMTC，LTE?4G的特征及應用領域。在此基礎上，提出面向5G的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)架構，架構中分離了傳輸層與邊緣計算層，解耦了霧計算和云計算層，并對每一層的功能進行論述，分析了網(wǎng)絡架構中的數(shù)據(jù)流向。詳細分析了NB?IOT的Stand?alone模式、Guard?band模式和In?band模式三種部署場景，并分析了NB?IOT每種模式下的上行基帶信號和下行基帶信號，最后對NB?IOT信號進行了解調(diào)測試，結果表明，NB?IOT具有低速率、廣覆蓋及低功耗等特點，更能滿足物聯(lián)網(wǎng)應用需求，對5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)應用具有借鑒意義。

關鍵詞： 5G移動通信; 網(wǎng)絡架構; 邊緣計算; 霧計算; 云計算; 信道分析; 解調(diào)測試

中圖分類號： TN929.5?34; TP393.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）09?0029?04

Research on key technologies of cellular Internet of Things

for 5G mobile communication

XIAO Ruixue1， FENG Yingwei1， L? Guo1， QU Jianping2

（1. Center of Modern Educational Technology， Hebei University of Architecture， Zhangjiakou 075000， China;

2. Office of Academic Affairs， Hebei University of Architecture， Zhangjiakou 075000， China）

Abstract： In allusion to the characteristics of IOT （Internet of Things） applications with wide coverage， low speed， low cost and low energy consumption， the characteristics and applications of NB?IOT， eMTC and LTE?4G in cellular IOT common technologies are compared on the basis of the analysis of 5G research status quo at home and abroad. On this basis， a 5G?oriented cellular IOT architecture is proposed. In the architecture， the transport layer and the edge computing layer are separated， and the fog computing layer and cloud computing layer are decoupled. The functions of each layer are discussed and the flow direction of data in the network architecture is analyzed in this paper. The three deployment scenes （stand?alone mode， guard?band mode and in?band mode） of NB?IOT， and the uplink baseband signal and downlink baseband signal in each mode of NB?IOT are analyzed in detail. The NB?IOT signal was demodulated and tested. The results show that NB?IOT has the characteristics of low speed， wide coverage and low power consumption， which can satisfy the requirements of IOT and has the reference significance for 5G cellular IOT applications.

Keywords： 5G mobile communication; network architecture; edge calculation; fog calculation; cloud calculation; channel analysis; demodulation test

0? 引? 言

從2013年歐盟投入巨資研發(fā)5G相關技術，歐盟制定的5G標準計劃將于2020年推出。緊隨其后，韓國SUMSUNG公司公開宣布已經(jīng)成功攻克5G關鍵技術，利用64天線單元自適應陣列，在28 GHz頻段實現(xiàn)1 Gb/s數(shù)據(jù)傳輸，通信速率比4G LTE快將近100倍，并計劃在2020年商業(yè)化[1]。2014年日本NTT，DoCoMo等電信運營商與愛立信、諾基亞、三星等公司合作，對5G網(wǎng)絡進行測試，通信速率可提升至10 Gb/s，同時預期2020年開始運作[2]。2015年，英國宣稱成功研制5G網(wǎng)絡，傳輸速率可達125 Gb/s，并于2018年進行公眾測試，計劃2020年投入商用。2016年，美國Verizon公司宣布，從2016年開始5G網(wǎng)絡測試，2017年在美國一些城市實現(xiàn)商用[3?5]。

國內(nèi)5G相關技術的研究也同時啟動，華為早在2009年就已開始5G相關技術的研究，并預言2020年啟動商用5G移動網(wǎng)絡，通信速率[6]可達20 Gb/s。2016年，工信部副部長表示，5G將是未來新一代通信技術的主要方向，在提高用戶體驗的基礎上，同時實現(xiàn)萬物互聯(lián)應用需求，為物聯(lián)網(wǎng)提供承載網(wǎng)絡。2018年，在世界移動通信大會上，華為和沃達豐公司進行合作，并完成第一個5G通話測試。同年，華為發(fā)布首款5G商用芯片巴龍5G01及終端設備。2018年，中國聯(lián)通公布5G部署，計劃2020年啟用5G網(wǎng)絡商用[7?8]。

1? 相關研究

隨著物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，新的通信需求不斷出現(xiàn)，先后涌現(xiàn)出ZigBee，6Lowpan，WiFi，藍牙及LoRa等多種通信技術。傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡的大量傳感器和智能終端往往成本低廉，使用干電池供電，能源有限，很多部署在室外或地下管廊，這些特點使得傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡在應對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展時，尤其是應對M2M時凸顯出通信能力不足的缺陷。新的技術背景下，3GPP提出要逐步改進信號覆蓋范圍，提高能源效率，降低時延，支持海量低流量設備接入及降低設備復雜程度[9]。

針對上述需求，邊緣計算（Edge Computing，EC）的概念模型被提出。邊緣計算將程序、服務及存儲等功能推向網(wǎng)絡的邊緣，由大量的終端或者網(wǎng)絡設備完成相應的計算，可以進一步減輕網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量，降低網(wǎng)絡壓力。移動邊緣計算是邊緣計算與蜂窩網(wǎng)絡的結合產(chǎn)物，是5G的關鍵技術之一。2011年思科提出霧計算（Fog Computing，F(xiàn)C），將云服務與邊緣計算有機連接，形成類似于中間件的網(wǎng)絡功能模塊。相對于云計算，霧計算更加符合物聯(lián)網(wǎng)應用的復雜性及碎片化特征，通過霧計算可以解耦云端和設備終端，降低網(wǎng)絡帶寬占用[10?13]。

LTE?M是針對物聯(lián)網(wǎng)制定的技術標準，被稱為eMTC。2016年3GPP針對物聯(lián)網(wǎng)應用需求制定了窄帶物聯(lián)網(wǎng)標準（NB?IOT），具備廣覆蓋、低速率、海量連接、低功耗及低成本等特點。LTE?4G，eMTC和NB?IOT的技術特征及典型應用領域如表1所示。

2? 面向5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)架構

蜂窩網(wǎng)絡經(jīng)過多年的建設，已經(jīng)成為移動通信的基礎，覆蓋范圍廣泛，通信安全可靠。根據(jù)高通公司預測，截至2025年全球物聯(lián)網(wǎng)連接將超過50億。從智能穿戴設備到智能水表、電表，從智能井蓋到車載終端，將涵蓋智慧城市、智慧交通、環(huán)境監(jiān)測及醫(yī)療保健等各個方面。大量的智能終端會接入網(wǎng)絡，蜂窩網(wǎng)絡將成為物聯(lián)網(wǎng)的主要承載網(wǎng)絡。隨著物聯(lián)網(wǎng)接入方式的多樣化，及霧計算、邊緣計算和云計算的發(fā)展，面向5G網(wǎng)絡的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的架構也逐漸清晰，架構圖如圖1所示。網(wǎng)絡架構中分離了傳輸層與邊緣資源層，解耦了應用層與服務管理層。

2.1? 各子層功能

感知層是信息的入口，通過各種傳感器和嵌入式控制器，將采集的各種參數(shù)通過各種通信方式，如ZigBee，藍牙，WiFi，LoRa等匯入感知層。感知層是整個架構的最前端，所有數(shù)據(jù)信息通過該層產(chǎn)生，是架構中的基礎架構。

傳輸層負責數(shù)據(jù)的傳輸，5G終端、NB?IOT終端及eMTC終端都被劃分在該層。傳輸層的另一重要組成部分就是5G物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關，負責協(xié)議轉(zhuǎn)換并傳輸，把感知層各種通信方式（ZigBee，藍牙，WiFi，LoRa等）轉(zhuǎn)換為5G通信兼容數(shù)據(jù)格式。

邊緣計算層的主要功能是設備接入及數(shù)據(jù)處理。邊緣計算終端多采用嵌入式終端，通過邊緣計算可以有效分擔并降低核心網(wǎng)絡開銷，核心網(wǎng)絡只需處理邊緣計算后的數(shù)據(jù)，大大提高了網(wǎng)絡性能。該層還涉及安全、認證及身份識別等功能。

霧計算連接云計算層，提供物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算層與公有云及私有云的無縫連接，包括接口定義、權限管理、資源管理及功能定義等。

云計算層包括公有云和私有云，是所有數(shù)據(jù)的匯入點，海量數(shù)據(jù)在云數(shù)據(jù)中心存儲并計算，為上層應用提供服務。

架構的最高層為應用層，架構中所有層次的最終目的是為該層服務，通過大數(shù)據(jù)處理以支撐人工智能、決策支持及車輛網(wǎng)等應用。

2.2? 架構數(shù)據(jù)處理過程

數(shù)據(jù)的處理過程如圖2所示。

終端數(shù)據(jù)由各種傳感器產(chǎn)生，由于物聯(lián)網(wǎng)感知層通信方式的多樣性，數(shù)據(jù)被分裝成不同協(xié)議下的數(shù)據(jù)幀。這些數(shù)據(jù)幀流向5G終端、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關、NB?IOT終端或eMTC終端，通過5G信道實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。在網(wǎng)絡邊緣處，通過邊緣計算設備進行數(shù)據(jù)的邊緣化處理，再通過霧計算將邊緣計算處理的數(shù)據(jù)與云端對接。數(shù)據(jù)最終在云端大數(shù)據(jù)中心進行大數(shù)據(jù)處理，通過大數(shù)據(jù)處理支持各種應用層應用。

3? NB?IOT部署場景

NB?IOT支持三種部署場景，分別是In?band Mode，Stand?alone Mode和Guard?band Mode，如圖3所示。其中，In?band Mode可使用LTE載波的任意資源塊;Stand?alone Mode利用適用于GSM頻段重耕的單獨頻帶;Guard?band Mode利用LTE系統(tǒng)中的邊緣無用頻帶。

3.1? NB?IOT上下行信道

3.1.1? 下行基帶信號

NB?IOT下行基于正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA），基帶采樣速率為1.92 MHz，子載波間距為15 kHz。NB?IOT下行基帶信號如式（1）所示：

[S（p）lt=k=-NRBsc2NRBsc2-1a（p）k（-）×ej2π（k+12）Δf（t-NCP，lTs）] （1）

LTE下行基帶信號如式（2）所示：

[S（p）lt=k=-NDLRBNRBsc2-1a（p）k（-）×ej2πΔf（t-NCP，lTs）+k=1NDLRBNRBsc2a（p）k（+）×ej2πΔf（t-NCP，lTs）] （2）

式中，NB?IOT下行基帶使用DC載波，具有頻域和半載波頻移，以降低射頻鏈路直流泄露。

NB?IOT下行信號包括NPSS，NSSS和NRS。其中，NPSS在每個系統(tǒng)幀的第5個子幀上傳輸;NSSS在每個偶數(shù)系統(tǒng)幀的第9個子幀上傳輸;NRS在1個或2個天線端口上傳輸。

3.1.2? 上行基帶信號

NB?IOT上行鏈路支持Single?Tone和Multi?Tone，其中，Single?Tone包括3.75 kHz和15 kHz，并且插入循環(huán)前綴。在物理層描述中進行脈沖整形，以提供更廣闊的覆蓋范圍和更低的功耗。Multi?Tone模式中采用SC?FDMA方式，具有更高的峰值速率，具有15 kHz子載波間隔，0.5 ms時隙和1 ms子幀作為LTE。

NB?IOT上行基帶信號生成如式（3）～式（5）所示：

[NRUsc>1]時：

[S（p）lt=k=-NULRBNRBsc2NULRBNRBsc2-1a（p）k（-），l×ej2π（k+12）Δf（t-NCP，lTs）] （3）

[NRUsc=1]時：

[Sk，lt=ak（-），l×ejφk，lej2π（k+12）Δf（t-NCP，lTs）] （4）

[k（-）=k+NRBsc2] （5）

3.2? NB?IOT測試

采用基于BC95的NB?IOT模塊對NB?IOT信號進行分析，并進行了NB?IOT上行測試。采用VSE?1100數(shù)字頻譜分析儀解調(diào)NB?IOT信號，對信號進行測試。

測試參數(shù)如表2所示。

測試得到Capture Buffer如圖4所示。NB?IOT Power與Symbol X Carrier測試結果如圖5所示。NB?IOT Alloc ID與Symbol X Carrier測試結果如圖6所示。

經(jīng)ASE頻譜分析儀對NB?IOT進行解調(diào)測試，測試結果EVM QPSK平均值為0.08%，EVM phys Channel平均值為0.08%，EVM phys Signal平均值為0.07%。

NB?IOT采用超窄帶、重復傳輸、精簡網(wǎng)絡協(xié)議設計，以犧牲一定速率、時延、移動性性能，獲取面向LWPA物聯(lián)網(wǎng)的承載能力。NB?IOT的200 kHz帶寬，易于2G網(wǎng)絡騰頻和升級支持，同時子載波采用15/3.75 kHz（與LTE子載波相同或[14]）可以獨立部署，也可以與LTE共載波部署;NB?IOT初步滿足大連接要求，未來還可以進一步升級滿足5G需求，成為5G的一部分。

4? 結? 語

在論述5G技術、蜂窩網(wǎng)絡的基礎上，分析了物聯(lián)網(wǎng)應用特征，如廣覆蓋、低功耗、海量連接、低成本等特點。結合邊緣計算、霧計算等技術，提出了面向5G網(wǎng)絡的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)架構，并對架構中各個子層進行了詳細剖析。重點分析了NB?IOT的上下行信道，并對其進行解調(diào)測試，對面向5G的物聯(lián)網(wǎng)應用具有一定意義。

注：本文通訊作者為馮英偉。

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