面向5G移動(dòng)通信的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析

李雪焦，楊 鑫

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510220）

1 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中一個(gè)非常重要的分支，其中的NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）更是將既有的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)來(lái)提供的物與物之間的網(wǎng)絡(luò)覆蓋[1]。該技術(shù)可以為多連接提供支持，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)終端能耗的顯著降低，以此來(lái)全面滿(mǎn)足當(dāng)今社會(huì)工作生活以及各個(gè)領(lǐng)域中的實(shí)際需求，比如智慧交通、智慧城市、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療保健等。

2 基于5G的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)

在當(dāng)今，隨著網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中大量智能終端設(shè)備的接入，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)開(kāi)始逐漸成為了主要的物聯(lián)網(wǎng)承載形式。就目前的情況來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)正在朝著云計(jì)算、霧計(jì)算、邊緣計(jì)算以及多樣化的方向發(fā)展，所以基于5G的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)也開(kāi)始越來(lái)越清晰。在其總體架構(gòu)中，傳輸層以及邊緣資源層之間實(shí)現(xiàn)了分離，應(yīng)用層以及服務(wù)管理層之間實(shí)現(xiàn)了解耦，這樣就有效解決了傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)傳輸中的諸多弊端，讓網(wǎng)絡(luò)資源共享以及應(yīng)用等均可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)。下圖為基于5G的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)圖：

圖1 基于5G的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)圖

3 基于5G的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)功能及其架構(gòu)數(shù)據(jù)的處理分析

3.1 各個(gè)子層的功能分析

（1）感知層：感知層是整個(gè)架構(gòu)中的信息入口，同時(shí)也是其最前端，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，所有的數(shù)據(jù)信息都是由感知層產(chǎn)生。借助于各種形式的傳感器以及嵌入型的控制器，可以實(shí)現(xiàn)各種信息數(shù)據(jù)的采集，然后再借助于Wi-Fi、藍(lán)牙以及ZigBee等的通信方式將采集到的數(shù)據(jù)匯入到感知層中。

（2）傳輸層：傳輸層的主要功能是數(shù)據(jù)傳輸，其中主要包括eMTC終端、NB-IoT終端以及5G終端。在這一層中，5G物聯(lián)網(wǎng)關(guān)技術(shù)也是一個(gè)至關(guān)重要的部分，該技術(shù)的主要功能是進(jìn)行協(xié)議的轉(zhuǎn)換與傳輸，通過(guò)該技術(shù)，可以將感知層內(nèi)的所有通信方式都轉(zhuǎn)變成和5G移動(dòng)通信技術(shù)互相兼容的數(shù)據(jù)形式。

（3）邊緣計(jì)算層：這一層的主要功能是接入設(shè)備和處理數(shù)據(jù)，其終端通常為嵌入式終端。借助于邊緣計(jì)算，可以讓核心網(wǎng)絡(luò)方面的開(kāi)銷(xiāo)得以有效降低和分擔(dān)，讓核心網(wǎng)絡(luò)僅僅對(duì)邊緣計(jì)算處理之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的顯著提升。同時(shí)，這一層也具備身份識(shí)別以及安全認(rèn)證等的很多功能。

（4）云計(jì)算層：云計(jì)算層的主要功能是給上層應(yīng)用提供服務(wù)，這一層的主要組成部分包括公有云以及私有云，具體應(yīng)用中，所有的數(shù)據(jù)都從這一層匯入，并在數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和計(jì)算。

（5）霧計(jì)算層：霧計(jì)算層和計(jì)算層連接，可以為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的公有云、私有云以及邊緣計(jì)算層之間提供無(wú)縫連接，比如功能定義、資源管理、權(quán)限管理以及接口定義等。

（6）應(yīng)用層：在整個(gè)的5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，應(yīng)用層是最高層，其他所有層次的所有功能實(shí)現(xiàn)都是為了給應(yīng)用層提供服務(wù)。具體應(yīng)用中，應(yīng)用層可以借助于大數(shù)據(jù)處理技術(shù)來(lái)為人工智能以及決策支持等的各方面應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

3.2 架構(gòu)數(shù)據(jù)處理分析

在5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的數(shù)據(jù)處理中，其主要的處理流程如下：

圖2 5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)數(shù)據(jù)處理流程示意圖

具體處理過(guò)程中，所有的終端數(shù)據(jù)都是通過(guò)各個(gè)傳感器所產(chǎn)生，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)感知層具有多樣化的通信方式，所以感知層的數(shù)據(jù)將會(huì)按照不同的協(xié)議進(jìn)行不同數(shù)據(jù)幀的分裝。在這些數(shù)據(jù)幀進(jìn)入eMTC終端、NB-IoT終端、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)或者是5G終端的過(guò)程中，都是借助于5G移動(dòng)通信的方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在網(wǎng)絡(luò)邊緣位置，借助于相應(yīng)的邊緣計(jì)算設(shè)備，可以讓這些數(shù)據(jù)得到有效的邊緣化處理，然后在借助于霧計(jì)算技術(shù)將經(jīng)過(guò)邊緣計(jì)算處理好的數(shù)據(jù)對(duì)接到云端。這些數(shù)據(jù)最終都會(huì)到達(dá)云端的大數(shù)據(jù)中心，并通過(guò)大數(shù)據(jù)處理技術(shù)來(lái)進(jìn)行處理，以此來(lái)為各個(gè)應(yīng)用層的具體應(yīng)用提供支持。

4 NB-IoT部署場(chǎng)景分析

NB-IoT所支持的部署場(chǎng)景有三種，其一是In-band Mode，該場(chǎng)景可以對(duì)LTE中的任意資源塊加以應(yīng)用；其二是Stand-alone Mode，該場(chǎng)景可以對(duì)GSM頻段重耕所適用的單獨(dú)頻帶加以利用；其三是 Guard-band Mode，該場(chǎng)景可以對(duì)TE西宮內(nèi)的邊緣無(wú)用頻帶加以利用。

4.1 NB-IoT上下行信道部署

首先是下行基帶信號(hào)部署，NB-IoT下行是將正交頻多分址技術(shù)作為基礎(chǔ)，其基帶采樣速率可達(dá)到1.92MHz，子載波間距可達(dá)到15KHz。在NB-IoT下行信號(hào)中，主要包括NRS、NSSS以及NPSS。以下是其具體傳輸情況：

表1 NB-IoT下行信號(hào)中NRS、NSSS以及NPSS的具體傳輸情況

其次是上行系帶信號(hào)的部署，NB-IoT上行鏈路可以對(duì)Multi-Tone和Single-Tone提供支持。其中，Single-Tone主可按照3.75kHz以及15kHz來(lái)進(jìn)行劃分，并將循環(huán)前綴插入。脈沖整形需要通過(guò)物理層描述來(lái)進(jìn)行，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)覆蓋范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大，并實(shí)現(xiàn)功耗的進(jìn)一步降低。在Multi-Tone這一模式中，主要應(yīng)用的是SCFDMA方式，其峰值效率更好，子載波間隔可以達(dá)到15kHz，時(shí)隙可以達(dá)到0.5ms，子幀可以達(dá)到1ms。同時(shí)，在具體的部署過(guò)程中，也將該模式用作上行系帶信號(hào)的LTE。

4.2 NB-IoT測(cè)試分析

在對(duì)NB-IoT進(jìn)行測(cè)試的過(guò)程中，主要借助于以BC95為基礎(chǔ)的NB-IoT模塊來(lái)進(jìn)行NB-IoT信號(hào)的分析，并對(duì)NB-IoT進(jìn)行上行測(cè)試。借助于VSE-1100型的數(shù)字頻譜分析儀對(duì)NB-IoT信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并進(jìn)行其信號(hào)的測(cè)試。以下是具體的測(cè)試參數(shù)：

表2 NB-IoT具體測(cè)試參數(shù)

具體測(cè)試中，借助于ASE頻譜分析儀來(lái)進(jìn)行NBIoT的解調(diào)測(cè)試，以下是具體的測(cè)試結(jié)果：

表3 NB-IoT的解調(diào)測(cè)試具體結(jié)果

NB-IoT主要的協(xié)議設(shè)計(jì)形式為精簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò)、重復(fù)傳輸以及超窄帶，通過(guò)一定程度移動(dòng)性能、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延以及速率的犧牲來(lái)實(shí)現(xiàn)面向于LWPA形式的物聯(lián)網(wǎng)承載能力獲取。在NB-IoT的具體部署中，200kHz帶寬可以為2G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的騰頻以及升級(jí)提供支持，其子載波可以采用3.75kHz/15kHz形式，也就是說(shuō)，其子載波既可以是LTE子載波的四分之一，也可以與其相等。其部署形式可以是獨(dú)立部署，也可以和LTE之間實(shí)現(xiàn)共載波部署。通過(guò)這樣的部署形式，就可以讓大連接需求得以有效滿(mǎn)足，并為5G移動(dòng)通信技術(shù)未來(lái)的升級(jí)需求提供足夠空間，使其成為5G移動(dòng)通信技術(shù)中的一個(gè)重要組成部分。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在對(duì)基于5G的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行研究的過(guò)程中，技術(shù)人員應(yīng)充分了解蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用需求，并以此為依據(jù)，借助于5G技術(shù)來(lái)進(jìn)行蜂窩物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建，包括總體架構(gòu)構(gòu)建、各個(gè)子系統(tǒng)應(yīng)用功能需求的滿(mǎn)足、架構(gòu)數(shù)據(jù)的處理以及NB-IoT的部署，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與5G移動(dòng)通信技術(shù)的良好融合與發(fā)展。