LTE無線通信技術與物聯網技術的結合與發展

李 昊，胡 興（上海貝爾股份有限公司，上海 201206）

0 前言

2004年12月，在3GPP多倫多會議上，確定LTE作為3G的演進技術。在20 MHz頻譜帶寬下，LTE能夠提供下行326 Mbit/s與上行86 Mbit/s的峰值速率。這種巨大的性能優勢，使LTE成為目前無線通信系統中最火熱的技術。由于正交頻分復用（OFDM）技術將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到每個子信道上進行傳輸，并通過層二調度器對無線資源進行動態調度。使得無線信道的使用更靈活、更有效率，特別適用于物聯網業務這樣的小數據包、高頻次、常在線業務，可以解決在GSM與WCDMA為代表的2G/3G技術對小數據包常在線業務必須要保持一個固定帶寬的數據承載，使常在線業務使用2G/3G技術時，頻譜利用率極低的技術瓶頸得以解決。

由于傳統的無線通信網絡無法滿足物聯網對于數據傳輸的需求，使得早期物聯網應用在部署范圍、應用領域等諸多方面有所局限，終端之間以及終端與后臺軟件之間都難以開展協同。隨著無線通信與云計算技術的發展，建立端到端的新型無線物聯網將成為必然，無線通信網絡成為物聯網的基礎承載網絡，移動通信終端也可實現與物聯網終端的融合，而LTE無線通信網絡讓這一切有了可能。

1 關于物聯網與云計算

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，是物物相連的互聯網。這包含以下2層意思。

第一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡。

第二，用戶端可延伸和擴展到任何物品與物品之間，進行信息交換和通信。

因此，物聯網是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。

因為在互聯網基礎上做的網絡延伸，突破了傳統的傳感器網絡只在本地進行自動化控制，對于信息不對稱的現狀，不同的行業可以通過物聯網的相互協調得以合作、協調與發展，從而可以突破傳統行業現有的水平，達到本質的突破，甚至革命。圖1為物聯網業務的基本模塊示意圖。

自從Google在2006年推出的“Google 101計劃”中提出云計算的概念之后，許多組織從不同的研究視角給出了云計算的定義，目前關于云計算的定義已有上百種。其核心思想是將大量用于網絡連接的計算和處理資源進行統一管理和調度，構成一個資源池按需向用戶提供服務。

維基百科對云計算的定義是：云計算是一種基于互聯網的計算方式，通過互聯網上異構、自治的服務為個人和企業用戶提供按需即取的計算、軟件信息。

伯克利云計算白皮書對云計算的定義是：云計算包括互聯網上各種服務形式的應用以及應用所依托的數據中心的軟硬件設施。通過量入為出的方式提供給公眾的云稱為公共云，如Amazon s3（simple storage service）、Google App Engine和 Microsoft Azure 等，而不對公眾開放的組織內部數據中心的云稱為私有云。

以上2家機構對云的定義各有側重，從根本上說，云計算是以虛擬技術為核心的技術，以規模經濟為驅動，以互聯網為載體，以由大量的計算資源組成的IT資源池為支撐，按照用戶需求動態地提供虛擬化的、可伸縮的IT服務。在云計算模式下，不同種類的IT服務按照用戶的需求規模和要求動態地構建、運營和維護，用戶一般以量入為出的方式支付其利用資源的費用。

目前越來越多的廠商可以提供不同層次的云計算服務，部分廠商還可以同時提供設備、平臺、軟件等多層次的云計算服務，例如Google既可提供云計算平臺服務，又可提供云計算軟件服務，眾多廠家均在云計算領域尋找著商業突破點。

2 物聯網所特有的業務模型分析

表1示出的是當前物聯網的主流數據業務的業務模型，其中包括各種業務的業務類型、描述、數據包頻率、數據包大小、配置范圍、移動性、終端密度等，該數據均取自真實的業務模型分析。其中，會話頻率為每天該業務被觸發的會話數。會話大小為該類型業務每個數據包的大小。配置范圍為該業務被配置的覆蓋場景。移動性表示該業務是靜止的還是移動的。終端密度表示每平方公里M2M終端的數目。通過對各類業務場景數據包的分析可以估計出物聯網數據業務的業務形態規律以及對網絡的壓力。

圖1 物聯網業務的基本模塊示意圖

從表1可以看出，物聯網的數據模型為小包、高頻次的數據業務、類似QQ的數據業務，物聯網數據業務也是一種常在線業務，該業務會大量浪費網絡資源（目前QQ數據業務已經對2G/3G網絡產生極大影響），造成信令風暴，導致網絡效率低下。隨著物聯網時代的到來，數據包更小，頻次更高，并且常在線，數據負荷更大，如果采用傳統的網絡優化與解決方法，信令風暴問題必將凸顯，而成為運營商通過無線網絡承載物聯網業務的瓶頸。

3 LTE無線通信系統適配物聯網的業務模型

圖2為物聯網業務與LTE無線網絡與前端自組織網絡結合而成的無線物聯網的結構圖，由于物聯網需要把傳感器和控制機通過自組織網絡等局域網絡進行傳感器的疊加，而把LTE無線通信網絡作為網關接入，所以數據流在自組織網絡回傳輸入到LTE網絡的時候非常大。會產生更大負荷的小包、高頻次的業務數據，此模型為物聯網的無線傳感器網絡所特有，對無線網絡將產生巨大的壓力。

由于LTE技術采用正交頻分復用（OFDM）技術將信道分成若干正交子信道，將高速數據流轉換成并行低速子數據流，調制到每個子信道上進行傳輸，并通過層二調度器對無線資源進行動態調度,從而可利用LTE技術使物聯網所特有的小包、高頻次等常在線數據業務成為可能。另外，需要根據協議層（見圖3）進行細致分析，并調整其中參數，加以優化。

從核心網的角度上看，手機發起業務之后需要建立無線承載，可以通過NAS消息通知核心網并建立相應的QCI（QoS Class Identifier）的無線承載進行傳輸，3GPP定義了QCI（見表2），并通過S1消息通知接入網建立相應的無線承載。

LTE系統的核心網沒有主動釋放機制，也就是說不會監測到沒有數據，就進行鏈路釋放。只有接入網消息或者UE通過NAS消息通知核心網才會真正釋放。核心網、UE的NAS層都保持ATTACH狀態，保存IP地址，從而實現常在線，不管底層是否保持或者釋放鏈路，都不替換IP地址。

表1 物聯網的主流數據業務的業務模型

表2 3GPP定義的QCI參數

圖2 無線物聯網的結構圖

圖3 LTE系統協議棧示意圖

從接入網的角度看，接入網按照核心網的QCI參數配置相應的無線參數，并且，由于LTE用戶面傳輸都通過適配共享信道的資源，所以配置靈活，資源占用率可達到最優。

如果一段時間沒有數據，會進入DRX周期省電模式（需要根據不同業務的應用層業務模型來調整參數，優化DRX周期的參數，UE可以配置）。

LTE中使用OFDM的共享資源，用層二調度器來對資源進行動態調度，理論上，上層不釋放信令資源，并不會影響到空口的資源，可以真正做到保留常在線。調度器與RRC對系統進行了優化。3GPP對視頻、游戲、語音等多方面的業務形態均有定義，但是尚未定義基于物聯網的小包、高頻次、常在線的業務形態，可以分析基于物聯網的特殊業務模型形態，對其參數進行優化，以適配物聯網的數據業務形態。

4 結束語

通過對物聯網現有數據形態的分析可以得知，必須將LTE系統按照各種物聯網數據模型進行優化，才能順利承載物聯網業務，并且保證網絡穩定。3GPP的9種QCI中并沒有定義物聯網相關的業務形態，也就是說，如果完全按照協議實現，不能滿足物聯網的要求。可以通過3GPP消息中自定義的位域，抽象出全新的QCI，并且根據特定的小包、高頻次數據模型，對無線通信系統進行優化，并與自定義的物聯網專用的QCI進行映射，產生適用于物聯網的小包、高頻次的無線承載，從而更好地為物聯網業務服務。隨著科技的發展，物聯網與云計算技術必然將會與普通的數據業務甚至語音業務一樣為公眾使用，而2G/3G技術已經成為其發展的瓶頸，第四代移動通信LTE技術可以更好地為物聯網業務服務，提供穩定的無線承載。

［1］Wikipedia.Cloud computing［EB/OL］.［2011-07-12］.http://www.en.Wikipedia.org/wiki/Cloud computing.

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［3］R2-100204 Traffic model for M2M service ［S/OL］. ［2011-07-12］.http://www.3gpp.org/ftp/tsg.../ADN_Tdoc_List_RAN2_68bis.htm.

［4］3GPP TS 22.060 General Packet Radio Service （GPRS）；Service description；Stage 1［S/OL］. ［2011-07-12］.http://www.turkcell.com.tr/downloads/hakkimizda/pdf/22060-800.pdf.

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