別老盯著5G，這些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用用4G LTE技術(shù)足夠了

1.引言

當(dāng)前基于4G LTE的兩大物聯(lián)網(wǎng)（IoT）即LTE-M和NB-IoT已經(jīng)能夠支持包括資產(chǎn)跟蹤，智能電表以及其它關(guān)鍵的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用如在商用LTE網(wǎng)絡(luò)上的進(jìn)行無人機(jī)控制的能力.

許多行業(yè)觀察者都將大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（Massive IoT：mIoT）應(yīng)用稱為即將推出的5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的殺手級(jí)應(yīng)用。但是，這并不意味著許多先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，包括以無人機(jī)為基礎(chǔ)的服務(wù)將需要等到5G被標(biāo)準(zhǔn)化和商用化之后才能夠成為現(xiàn)實(shí)。即使在現(xiàn)在基于現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)許多先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也在不斷涌現(xiàn)，例如高通公司花了數(shù)月時(shí)間使用商用LTE網(wǎng)絡(luò)來控制無人機(jī)（UAV：unmanned aerial vehicles）。

為了支持大規(guī)模地連接的設(shè)備，3GPP在Release 13協(xié)議規(guī)范中推出了包括窄帶IoT（NB-IoT）和eMTC（增強(qiáng)機(jī)型通信）等支持大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，以及在更早的協(xié)議版本中更常見基于LTE連接的LTE-M協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，如圖1所示。

圖1 旨在增強(qiáng)對(duì)大規(guī)模MTC應(yīng)用支持的3GPP LTE協(xié)議的逐步演進(jìn)步驟

第一個(gè)3GPP 5G NR協(xié)議版本提供支持eMBB（增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶）和URLLC（超可靠，低延遲通信）應(yīng)用的技術(shù)，這些技術(shù)解決高性能物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的應(yīng)用場(chǎng)景。然而，它不會(huì)針對(duì)低復(fù)雜度的IoT應(yīng)用（也稱為大規(guī)模機(jī)器通信或者mMTC（Massive MTC））。

那么我們?nèi)绾尾拍軐?shí)現(xiàn)連接大型IoT的5G愿景？要清楚的是，術(shù)語(yǔ)“大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)”是指數(shù)十億的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，包括事物和機(jī)器，壽命10年及以上，即使在最偏遠(yuǎn)的地方也需要無處不在的連接，例如深埋在地下的傳感器。

為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模（按照3GPP定義，每平方公里至少有1百萬(wàn)個(gè)設(shè)備），移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)必須更有效地支持通常不會(huì)頻繁通信的最簡(jiǎn)單的設(shè)備，并且具有超能效，因此可以提供極長(zhǎng)的例如10年以上的電池壽命。聽起來很有挑戰(zhàn)性，但是我們不必等待5G到來才開始連接大量的物聯(lián)網(wǎng)。

如圖1所示，3GPP已經(jīng)在版本13（Release 13）中引入了兩套互補(bǔ)的窄帶LTE 物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)：eMTC（增強(qiáng)機(jī)型通信）和NB-IoT（物聯(lián)網(wǎng)）。兩者都針對(duì)較低的復(fù)雜性和功率，更高的覆蓋范圍和更高的器件密度進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)能夠與其他LTE服務(wù)（如常規(guī)的移動(dòng)寬帶）無縫共存。

eMTC（增強(qiáng)機(jī)型通信）和NB-IoT（物聯(lián)網(wǎng)）共同拓展了LTE的技術(shù)組合，以支持更廣泛的低功耗IoT應(yīng)用場(chǎng)景。

2.蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)全面開花

今天基于事物互聯(lián)網(wǎng)即物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的應(yīng)用遍布在我們的日常生活中，如共享單車，連接的恒溫器，攝像機(jī)和其他智能家居設(shè)備，以及為水電煤等公用事業(yè)運(yùn)營(yíng)商提供類似于智能電網(wǎng)的資源使用情況的詳細(xì)了解、部署等。

但是，隨著物聯(lián)網(wǎng)繼續(xù)推動(dòng)新的更多的垂直行業(yè)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型時(shí)，在某個(gè)時(shí)刻物聯(lián)網(wǎng)的連接數(shù)必將變得十分巨大起來， 3GPP將每平方公里擁有100萬(wàn)臺(tái)及以上的連接設(shè)備稱為“大規(guī)模（Massive）”，所以屆時(shí)傳感器將遍及全球，其中許多是相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)備，不一定需要采用支持超高容量和非常低延遲的5G技術(shù)，對(duì)于這些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用LTE-M和NB-IoT就是最佳的選擇。

LTE-M和NB-IoT是互補(bǔ)的，因?yàn)樗鼈兊膮f(xié)議規(guī)范的不同能力來支持廣泛的存在差異的應(yīng)用場(chǎng)景。LTE-M使用1.4MHz LTE信號(hào)帶寬能夠提供1 Mbps的峰值下行鏈路和上行鏈路速度，NB-IoT支持使用180kHz信道帶寬，支持50 Kbps下行鏈路和上行鏈路的峰值速率�！癓TE-M”能夠支持VoLTE等基本功能，并為范圍廣泛的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用場(chǎng)景（包括資產(chǎn)跟蹤器和可穿戴設(shè)備）提供全面的移動(dòng)性支持。而另一方面，NB-IoT可以物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備縮小到極端的簡(jiǎn)單，并且可以提供更深的覆蓋范圍，支持像電表和傳感器這樣的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

圖2 互補(bǔ)的eMTC和NB-IoT解決了大量的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景

我們真的需要eMTC和NB-IoT來連接大量的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備嗎？答案是肯定的，因?yàn)榛�為補(bǔ)充的eMTC和NB-IoT是為不同類型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景而設(shè)計(jì)的。

eMTC可以使用1.4 MHz的帶寬提供高達(dá)1 Mbps的吞吐量，并支持基本功能，例如VoLTE和完全移動(dòng)性，適用于廣泛的IoT用例，包括資產(chǎn)跟蹤器和可穿戴產(chǎn)品。而另一方面，對(duì)于低吞吐量，延遲容忍的應(yīng)用，例如測(cè)量?jī)x表和傳感器等，NB-IoT可以縮小到極端簡(jiǎn)單。

它使數(shù)據(jù)速率僅為10 kbps等級(jí)，信號(hào)帶寬為200 kHz，并且可提供更高的覆蓋范圍。此外，NB-IoT可以部署在現(xiàn)有的LTE頻帶內(nèi)，在兩個(gè)常規(guī)LTE載波之間的保護(hù)帶中，或者以獨(dú)立模式部署，并且同時(shí)為重新使用已經(jīng)建設(shè)好的GSM（2G / GPRS）頻譜提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的遷移路徑。

圖3 下行鏈路中NB-IoT獨(dú)立部署，在LTE帶內(nèi)以及LTE保護(hù)帶內(nèi)部署的示例圖示。

3GPP除Release 13協(xié)議版本之外，還有一個(gè)豐富的LTE 物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的演進(jìn)路線圖，這將為進(jìn)一步的改進(jìn)提供更多的支持，以滿足未來的巨量的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）連接需求。例如，Release 14將會(huì)為eMTC和NB-IoT帶來新的功能，例如單小區(qū)組播，實(shí)現(xiàn)易于實(shí)現(xiàn)空口中（over-the-air：OTA）對(duì)固件升級(jí)，以及增強(qiáng)設(shè)備定位功能以進(jìn)行資產(chǎn)定位跟蹤。此外，還有兩個(gè)正在進(jìn)行的Release 15版本的協(xié)議工作項(xiàng)目在進(jìn)一步增強(qiáng)eMTC和NB-IoT功能，包括喚醒接收機(jī)以及TDD支持NB-IoT等新的功能。

圖4 3GPP 協(xié)議Release13及更高版本中的LTE 物聯(lián)網(wǎng)（IoT）演進(jìn)圖

應(yīng)該清楚的是，LTE IoT今天開始連接大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，eMTC和NB-IoT將會(huì)在未來幾年內(nèi)不斷發(fā)展 - 利用LTE網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，壽命和全球覆蓋（甚至也可以無縫地實(shí)現(xiàn)從2G演進(jìn)過來）。最終將形成一個(gè)5G NR支持的大型物聯(lián)網(wǎng)（IoT）解決方案。

一些面向未來應(yīng)用的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)將包括NOMA（非正交多址：non-orthogonal multiple access），利用RSMA（資源分配多址訪問;resources speared multiple access）實(shí)現(xiàn)無需授權(quán)的傳輸 - 在需要的情況下設(shè)備可以在不需要許可的情況下發(fā)送數(shù)據(jù)，以及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（mesh networking ）這將擴(kuò)展LTE網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備到設(shè)備的通信功能。

另一個(gè)激動(dòng)人心的方面是擴(kuò)展到無牌頻譜（unlicensed spectrum）。 MulteFire聯(lián)盟（MulteFire Alliance ：https://www.multefire.org/）正在試圖讓LTE IoT可以在無許可頻譜中運(yùn)行，以擴(kuò)展并超越由MulteFire 1.0所支持的移動(dòng)寬帶和高性能IoT功能。利用窄帶LTE IoT技術(shù)將為專用LTE網(wǎng)絡(luò)（private LTE）帶來新的機(jī)遇，并可以實(shí)現(xiàn)LPWA（低功率廣域）的應(yīng)用場(chǎng)景。

為了加強(qiáng)對(duì)極具市場(chǎng)前景的LTE物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的控制，高通正在提供支持eMTC設(shè)備類別Cat-M1，NB-IoT設(shè)備類別Cat-NB1和E-GPRS等的商用多模解決方案。高通的MDM9206是一款靈活的單SKU（Stock Keeping Unit（庫(kù)存量單位））解決方案，可通過單一硬件，軟件和RF設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)全球部署。

圖5 高通支持多種模式應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)芯片

幾周前，高通與Mobike（摩拜單車）和中國(guó)移動(dòng)進(jìn)行的聯(lián)合實(shí)地測(cè)試 - 測(cè)試中將利用高通的的LTE IoT多模式解決方案。

圖6 高通，中國(guó)移動(dòng)和Mobike（摩拜單車）測(cè)試LTE IoT多模芯片

該測(cè)試將使用中國(guó)移動(dòng)的2G / 4G多模網(wǎng)絡(luò)和Mobike（摩拜單車）的智能鎖，以及由高通的調(diào)制解調(diào)器支持的IoT應(yīng)用；LTE調(diào)制解調(diào)器支持的LTE連接和集成的GNSS位置定位功能旨在幫助Mobike客戶準(zhǔn)確識(shí)別可用的自行車，加快智能鎖的解鎖過程并協(xié)助實(shí)時(shí)管理共享自行車。

此外，高通的全球多模式LTE調(diào)制解調(diào)器與該公司的低功耗藍(lán)牙解決方案一起計(jì)劃在智能Mobike Preferred Location（sMPL）平臺(tái)中使用，以支持亞米級(jí)別的定位，從而幫助Mobike（摩拜單車）實(shí)時(shí)監(jiān)控其自行車的位置和整體 狀態(tài)，包括來自不同地區(qū)的自行車數(shù)量，位置和交通信息。 該平臺(tái)還旨在為摩拜單車的工作人員提供自行車的交付，調(diào)度，操作和維護(hù)等的精確說明。

全球的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商也開始推出支持Cat-M1和Cat-NB1設(shè)備的商用LTE IoT網(wǎng)絡(luò)。我們看到20多家移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)公開宣布了部署LTE IoT的承諾，更多的eMTC和/或NB-IoT技術(shù)正在進(jìn)行商業(yè)化準(zhǔn)備。

雖然5G將增強(qiáng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的支持，但現(xiàn)有的LTE已經(jīng)能夠支持多種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

圖7 截至2017年6月，運(yùn)營(yíng)商承諾部署LTE IoT - LTE IoT 在全球發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁

本周中國(guó)在中國(guó)傳來爆炸性的消息。據(jù)悉，工信部近日發(fā)文要求加快NB-IoT在國(guó)內(nèi)落地，到今年年底建成基站規(guī)模40萬(wàn)個(gè)，到2020年建成基站規(guī)模150萬(wàn)個(gè)。

隨著全聯(lián)接時(shí)代到來，傳統(tǒng)的電力、交通、能源、化工、制造等行業(yè)都在積極探尋自身的轉(zhuǎn)型升級(jí)之路。作為由電信力量主導(dǎo)的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，NB-IoT技術(shù)在深度覆蓋、超大鏈接、超低功耗、超低成本等方面均有突出優(yōu)勢(shì)，已成為推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)程的重要抓手。

根據(jù)工信部下發(fā)的通知，建設(shè)NB-IoT基礎(chǔ)設(shè)施、發(fā)展基于NB-IoT技術(shù)的應(yīng)用，有助于推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)和制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)、促進(jìn)“大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新”和“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展。

工信部要求，加快完成國(guó)內(nèi)NB-IoT設(shè)備、模組等技術(shù)要求和測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)制定；加快eSIM/軟SIM在NB-IoT網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用方案研究。要求加快推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)部署，到2017年末，實(shí)現(xiàn)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋直轄市、省會(huì)城市等主要城市，基站規(guī)模達(dá)到40萬(wàn)個(gè)；到2020年，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全國(guó)普遍覆蓋，面向室內(nèi)、交通路網(wǎng)、地下管網(wǎng)等應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)深度覆蓋，基站規(guī)模達(dá)到150萬(wàn)個(gè)。

同時(shí)，要求推廣NB-IoT在細(xì)分領(lǐng)域的應(yīng)用，逐步形成規(guī)模應(yīng)用體系，2017年實(shí)現(xiàn)基于NB-IoT的M2M連接超過2000萬(wàn)，2020年總連接數(shù)超過6億。

2016年6月16日，NB-IoT技術(shù)協(xié)議獲得3GPP通過，成為史上建立最快的3GPP標(biāo)準(zhǔn)之一，目前已經(jīng)凍結(jié)并可在全球部署。全球主流運(yùn)營(yíng)商均對(duì)此積極布局，并催生出一系列的商用場(chǎng)景；近期，國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商相繼啟動(dòng)了NB-IoT預(yù)商用。

圖8 工信部要求到2020年在中國(guó)建成150萬(wàn)個(gè)NB-IoT基站規(guī)模

總而言之，LTE IoT的未來是非常光明的，LTE 將攜LTE-M和NB-IoT技術(shù)向前昂首邁進(jìn)5G時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)將繼續(xù)成為5G的殺手級(jí)應(yīng)用之一。