無線蜂窩物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展

李少白

（北京中網(wǎng)華通設(shè)計咨詢有限公司，北京 100070）

1 概 述

無線蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展可追溯到20世紀(jì)70年代。隨著民用移動通信用戶數(shù)量的增加，業(yè)務(wù)量逐年上升，傳統(tǒng)的電話網(wǎng)絡(luò)和移動電話系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求，頻譜資源和可用頻道數(shù)量相對于市場需求的矛盾日益激化。如何滿足市場需求、提升無線通信網(wǎng)絡(luò)的容量以及有效利用有限的頻譜資源成為首要需解決的問題。在這樣的背景下，美國的貝爾實驗室創(chuàng)造性地提出了小區(qū)制和蜂窩組網(wǎng)的理論，為移動通信系統(tǒng)在全世界范圍的應(yīng)用打下了堅實基礎(chǔ)，開辟了一條全新的應(yīng)用道路。之后，無線網(wǎng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了2G時代、3G時代、4G時代以及如今的5G時代，萬物互聯(lián)也從概念走向現(xiàn)實?，F(xiàn)階段，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展速度迅猛，LPWA技術(shù)迅速興起。通過使用LPWA技術(shù)，能夠以較低的成本和功耗解決物聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)需求。同時，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NBIoT）、e-MTC、SigFox以及LoRa等技術(shù)都紛紛投入實際應(yīng)用。

2 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)

2.1 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的概念

從概念上講，無線蜂窩物聯(lián)網(wǎng)是通過融合蜂窩移動通信網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，以蜂窩移動通信網(wǎng)現(xiàn)有的接入技術(shù)為基礎(chǔ)，為各種不同的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備提供穩(wěn)定、可靠且高效的數(shù)據(jù)傳輸通道。此外，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)還能給很多不同的行業(yè)提供全方位的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)。

2.2 移動蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的整體架構(gòu)

移動蜂窩物聯(lián)網(wǎng)從上至下分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層3層。無線通信運營以現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，為各類物聯(lián)網(wǎng)的終端和傳感器的節(jié)點提供接入服務(wù)，同時也為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)提供專門的行業(yè)定制服務(wù)，如行業(yè)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)連接、大數(shù)據(jù)存儲、大數(shù)據(jù)分析以及環(huán)境監(jiān)測等。移動蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

2.2.1 感知層

感知層的主要功能是智能感知并識別外界環(huán)境信息，并根據(jù)不同的外部環(huán)境完成信息的采集、處理、自動決策以及控制等。從邏輯實體層面來看，感知層主要包括若干傳感器（如煙霧報警器）、控制部件（如聲控開關(guān)）、測量部件（如智能水表）以及完成各部件間互聯(lián)互通的部件等。細(xì)分至物理層面，發(fā)現(xiàn)其由各類物聯(lián)網(wǎng)智能終端、讀寫器、感知終端、傳感器節(jié)點以及接入網(wǎng)關(guān)組成。不同的部件既可以組合進(jìn)行感知，也可獨立進(jìn)行感知，最終將感知到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳至網(wǎng)絡(luò)層。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層的主要功能包括面向感知層提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)和面向應(yīng)用層提供各類物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)管理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)主要依托現(xiàn)有的無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)提供傳輸通道，針對由感知層上傳來數(shù)據(jù)，按照不同的速率要求、時延要求以及可靠性要求進(jìn)行傳輸和匯聚。物聯(lián)網(wǎng)管理服務(wù)主要是在物聯(lián)網(wǎng)支撐管理平臺提供用戶識別單元和設(shè)備計費管理運營等功能。通過物聯(lián)網(wǎng)支撐管理平臺提供API開放管理和數(shù)據(jù)管理服務(wù)。

圖1 移動蜂窩物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)

2.2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層包括各個不同行業(yè)的實際應(yīng)用解決方案、不同的服務(wù)端口、應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施、中間體以及各種物聯(lián)網(wǎng)的具體應(yīng)用等。應(yīng)用層最主要的功能是為整個物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供有效的信息處理和數(shù)據(jù)運算資源調(diào)用等基礎(chǔ)性服務(wù)，可實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在多行業(yè)和多領(lǐng)域的應(yīng)用。邏輯實體包括數(shù)據(jù)存儲、處理部件及應(yīng)用服務(wù)部件等。物理實體包括云端數(shù)據(jù)服務(wù)器和終端應(yīng)用程序等。

3 現(xiàn)有的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

3.1 NB-IoT技術(shù)

NB-IoT技術(shù)即窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建于傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，需占用帶寬180 kHz，可在現(xiàn)行的2G、3G以及4G網(wǎng)絡(luò)上直接部署，具有覆蓋范圍廣、連接容量大、設(shè)備功耗低以及建設(shè)與運行維護成本低等特點，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展進(jìn)程中的一項重要技術(shù)。

現(xiàn)階段，NB-IoT技術(shù)主要支持帶寬180 kHz的FDD傳輸模式。另外，NB-IoT技術(shù)可以擁有保護帶部署、獨立部署以及LTE帶內(nèi)部署3種不相同的網(wǎng)絡(luò)部署模式[1]。部署模式不相同，網(wǎng)絡(luò)具有的功能特點也不盡相同。保護帶部署是將NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署在現(xiàn)網(wǎng)LTE頻段的邊緣頻率上，可以很好地利用頻譜資源。獨立部署是將NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署在未經(jīng)使用的頻率資源上，與現(xiàn)行的無線通信網(wǎng)絡(luò)沒有顯著干擾。LTE帶內(nèi)部署通常部署在低頻段上，將LTE帶內(nèi)的1個PRB資源作為窄帶物聯(lián)網(wǎng)的工作載波。NB-IoT技術(shù)在實際應(yīng)用中需要合理選擇部署模式，從而保障NB-IoT技術(shù)的功能[2]。

3.2 eMTC技術(shù)

eMTC技術(shù)是基于現(xiàn)行LTE技術(shù)演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。為了更加適于物與物之間的通信，降低功耗成本，可針對LTE協(xié)議展開一系列的裁剪與優(yōu)化操作。eMTC技術(shù)的部署基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，用戶設(shè)備和終端設(shè)備可以將支持1.4 MHz的射頻和基帶帶寬直接接入現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)[3]。

eMTC技術(shù)具有LPWA最基礎(chǔ)也最重要的4大能力。一是覆蓋范圍廣。相同頻段下，eMTC和已有網(wǎng)絡(luò)相比增加了15 dB，極大地加強了LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋的能力。二是功耗更低。一般情況下，eMTC終端模塊待機時長可達(dá)到10多年。三是支持海量的終端連接。1個eMTC扇區(qū)能夠支持近10萬個終端連接。四是更低的建設(shè)成本。eMTC模組芯片技術(shù)相對成熟，大規(guī)模生產(chǎn)成本較低。

3.3 LoRa技術(shù)

LoRa是低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network，LPWAN）通信技術(shù)的一種，是Semtech公司于2013年發(fā)布的超長距離低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。LoRa技術(shù)很好地解決了功能損耗與傳輸距離的相互制約，進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸時的功能損耗較低。

LoRa技術(shù)屬于非授權(quán)頻段物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。由于該技術(shù)基于線性擴頻調(diào)制（Chirp Spread Spectrum，CSS），因此不同擴頻序列的終端設(shè)備在相同頻率下不會互相干擾。伴隨著應(yīng)用場景的改變，終端設(shè)備的工作模式可以隨之調(diào)整為Class A、Class B以及Class C共3種不同的傳輸方式，以滿足不同應(yīng)用的需求。經(jīng)過多年的發(fā)展，LoRa技術(shù)的成熟度顯著提高，擁有了很多優(yōu)勢，可以實現(xiàn)長距離通信和低數(shù)據(jù)吞吐量，且功能損耗較低，符合標(biāo)準(zhǔn)化要求?？梢姡琇oRa技術(shù)不僅可以用于城市中心區(qū)域，而且在很多不同應(yīng)用場景中能夠?qū)崿F(xiàn)快速部署操作。此外，對于實際數(shù)據(jù)吞吐量較低的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，如M2M、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以及土木工程等，LoRa技術(shù)也可以發(fā)揮巨大的作用。

3.4 Sigfox技術(shù)

Sigfox技術(shù)由法國窄帶物聯(lián)網(wǎng)公司Sigfox提出。Sigfox公司不僅是標(biāo)準(zhǔn)的制定者，也是網(wǎng)絡(luò)運營者和云平臺提供商。Sigfox技術(shù)的目標(biāo)是建立一個覆蓋全球所有的IoT網(wǎng)絡(luò)且獨立于傳統(tǒng)的移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)。該技術(shù)為增加通信距離和降低設(shè)備功能損耗，犧牲了傳輸速率，為非授權(quán)頻段物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

從技術(shù)上看，Sigfox所采用的UNB技術(shù)的傳輸速率最低僅100 b/s，每個裝置每天最多只能傳送140個訊息，而每個訊息酬載（Payload）最大至12 Byte。具體的裝置僅需應(yīng)用Sigfox Radio Protocol（無線電的體系結(jié)構(gòu)）即可。終端只需確保在對的頻率發(fā)出信號，基地臺會自動接收到相關(guān)的信息，而裝置和基地臺之間不需要展開任何的溝通與交流。以Sigfox技術(shù)為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)，成本和傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比顯著降低。此外，Sigfox技術(shù)所占用的900 MHz無線頻段在美國無需任何授權(quán)。

從功耗角度來看，Sigfox網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功率較低，通常只有50～100 μW。接入Sigfox網(wǎng)絡(luò)設(shè)備消息的最大長度12 Byte，每個設(shè)備每天能夠發(fā)送的信息在140條以內(nèi)。Sigfox技術(shù)的目標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域為1 000 km且每個基站能夠處理106個對象。如果每一個基站都能連接106個終端，那么通過估算可知，只需要建立10 000個基站，就能將Sigfox網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個美國。

4 中國聯(lián)通無線蜂窩物聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)路線

中國聯(lián)通無線蜂窩物聯(lián)網(wǎng)整體朝著軟件化和標(biāo)準(zhǔn)化的方向不斷演變和發(fā)展。

4.1 近 期

4.1.1 構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)

近期的主要目標(biāo)是最大限度地滿足大連接物聯(lián)網(wǎng)的基本接入需求，以NB-IoT和LTE-eMTC物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)的引進(jìn)作為發(fā)展契機，不斷推動物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)的建設(shè)。此外，嘗試探索NFV技術(shù)更多的實際應(yīng)用，最終實現(xiàn)兩級結(jié)構(gòu)部署。中國聯(lián)通近期網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 中國聯(lián)通近期網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)架構(gòu)

4.1.2 無線網(wǎng)

不斷推動CA和MIMO等LTE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，滿足大帶寬（如有視頻監(jiān)控等）物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的實際接入需求。此外，將現(xiàn)有UMTS/LTE網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)，結(jié)合實際業(yè)務(wù)需求引進(jìn)NB-IoT和eMTC等多種技術(shù)，確保可以滿足物聯(lián)網(wǎng)的實際連接需求。

4.1.3 核心網(wǎng)

將NB-IoT等新技術(shù)的引入當(dāng)作一個發(fā)展的契機，建立一個物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)。在原獨立接入的基礎(chǔ)上，不斷推動MME和S-GW等核心網(wǎng)元的專用部署。具體地，傳統(tǒng)2G、3G以及4G物聯(lián)網(wǎng)接入用戶物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)復(fù)用各省原有的H2H EPC網(wǎng)絡(luò)資源，同時各省新建物聯(lián)網(wǎng)專用核心網(wǎng)對接物聯(lián)網(wǎng)中心專用PGW和HSS網(wǎng)元。eNodeB通過S1鏈路重定向、PLMN以及DECORE等方案，將IoT終端和常規(guī)手機終端區(qū)分附著到IoT專用核心網(wǎng)和H2H常規(guī)核心網(wǎng)。

4.2 中 期

4.2.1 人物全分離專網(wǎng)

中期階段，在物聯(lián)網(wǎng)專用核心網(wǎng)作為基礎(chǔ)的前提下，利用網(wǎng)元分布部署，最大限度地滿足物聯(lián)網(wǎng)實時接入的相關(guān)需求，不斷推動物聯(lián)網(wǎng)接入和人網(wǎng)之間的分離，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與人網(wǎng)的多級結(jié)構(gòu)部署。中國聯(lián)通中期網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 中國聯(lián)通中期網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)架構(gòu)

4.2.2 無線網(wǎng)

以LTE網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，確保滿足物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的連接場景。嘗試引進(jìn)MEC等新技術(shù)，激發(fā)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)實時連接需求。另外，以接入技術(shù)為區(qū)分基礎(chǔ)，以業(yè)務(wù)應(yīng)用作為區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)，連接到物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)。

4.2.3 核心網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)是基礎(chǔ)，應(yīng)該將更多物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)業(yè)務(wù)遷移至物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)，同時推動實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)的虛擬化，確保uMTC業(yè)務(wù)需求下沉至PGW。

4.3 遠(yuǎn) 期

按需融合物聯(lián)網(wǎng)。遠(yuǎn)期目標(biāo)以虛擬化物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)為基礎(chǔ)，各類業(yè)務(wù)和應(yīng)用按照需求編排和接入為目標(biāo)，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)功能的重構(gòu)，從而在原來多級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)多級DC的部署[4]。中國聯(lián)通遠(yuǎn)期網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)架構(gòu)如圖4所示。

5 結(jié) 論

5G技術(shù)的快速發(fā)展，促使萬物互聯(lián)慢慢成為顯示。同時，云計算、AI以及大數(shù)據(jù)等各種高新技術(shù)的不斷興起與快速發(fā)展，使得物聯(lián)網(wǎng)在各個行業(yè)中的應(yīng)用不斷深化，顛覆性地改變了當(dāng)今社會生產(chǎn)和生活的方式，為產(chǎn)業(yè)帶來了突破式創(chuàng)新和跨越式發(fā)展的戰(zhàn)略機遇。

圖4 中國聯(lián)通遠(yuǎn)期網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)架構(gòu)