基于LTE的物聯網發展研究

李勇輝，馬瑞濤，符 剛

（中國聯通網絡技術研究院 北京100048）

1 引言

“物聯網”一詞在1999年提出，2005年國際電信聯盟正式確定了物聯網的概念。物聯網向人們展示了一個美好的愿景：通過在物品中嵌入移動收發設備，把目前主要人與人之間的交流方式，擴展成為人與物、物與物之間的交流方式，從而大大擴展了人類的感知范圍，提高了社會生產率。

近年來，美國、歐盟以及韓日均制定了物聯網系列的發展規劃，并針對物聯網開展了各項研究工作，在智能電網、物流管理、安全防護、工業控制、環境監測、智能家居、遠程醫療等行業已經開始了物聯網的規模商用。

2009年，隨著“感知中國”理念的提出，物聯網成為國內業界熱議的話題。3 大運營商、傳感器設備商、通信設備制造商、系統集成商等紛紛涉足物聯網領域，在城市交通、安全監控、醫療衛生、環境保護等行業部署了一系列成功案例。

在物聯網應用中，由于傳感器網絡之間的通信范圍和智能化水平有限，需要結合運營商完善的通信網絡，充分利用通信網絡在用戶標識、路由尋址、終端監控、擁塞過載控制、安全防護、策略與計費等方面有成熟的解決機制和方案，強強聯合才能充分發揮物聯網的優勢。由于物聯網特殊的業務需求和業務模型，其應用和終端行為對傳統的移動通信網絡（2G/3G）提出了諸多挑戰。如物聯網可以使現實世界中各類物體接入到網絡中，這將耗費巨大的號碼資源，當前的移動通信網絡在設計之初并未考慮到此種需求，因而難以滿足。下面對物聯網、LTE 技術進行介紹，并說明未來的LTE 網絡如何滿足用戶需求。

2 物聯網

2.1 網絡架構

圖1 給出了物聯網的網絡架構，從圖中可以看出，物聯網主要包括3個層次：感知層、網絡層和應用層。其中，感知層主要實現信息的采集，包括傳感器、RFID、二維碼、執行器、視頻監控、物聯網網關等；網絡層實現信息的接入與傳輸，包括有線接入和無線接入，其中，有線接入主要是固定寬帶接入，無線接入則包括2G/3G、LTE 等技術；應用層負責接入鑒權及終端管理，并對接收到的信息進行解析、集成、分析、存儲等，為具體應用提供遠端的現場信息。另外，還有3個層次均須使用的公共技術，包括網絡安全、網絡管理、服務質量保證等。

圖1 物聯網網絡架構

從物聯網的架構可以看出，移動通信網是物聯網發展不可缺少的重要部分。需要看到的是，物聯網各項應用的開展必然會對通信網帶來一定的影響。

2.2 物聯網需求

物聯網終端的數量龐大，在地址、擁塞控制、安全等方面均對網絡提出了需求，具體如下。

（1）地址和標識需求

網絡提供大量標識和地址，以給每個終端進行分配。

（2）擁塞控制的需求

網絡可以處理海量終端造成的容量超負和信令風暴，可以對某些終端進行接入控制。

（3）高帶寬需求

視頻監控等物聯網應用需要實時傳輸大量數據，因而對帶寬有著較高的需求。

（4）組管理需求

對終端進行分組控制、管理和計費等。

（5）終端觸發需求

網絡應能根據物聯網服務器的指示，觸發物聯網終端，發起向物聯網服務器的通信。物聯網終端應能從網絡接收觸發指示，并在收到觸發指示時建立與物聯網服務器的通信。

（6）終端管理及監控的需求

網絡應可以隨時獲得終端的狀態，可以感知終端離線、被屏蔽等異常情況。

（7）安全需求

網絡可以對物聯網終端及服務器進行認證，保證固定終端的安全。

總的來說，物聯網的需求是移動通信網必須考慮解決的問題。目前，2G/3G 網絡存在以下問題致使其無法完全滿足物聯網的要求。

（1）對IPv6的支持并不完善

許多地方的移動通信網仍不支持給用戶分配IPv6地址，因而難以實現對每個物聯網終端均分配唯一標識。

（2）擁塞控制

2G/3G 網絡在對用戶的精細化接入控制方面存在欠缺，難以針對不同用戶、不同業務實施不同的接入控制策略，這導致在擁塞控制方面的效果較差。

（3）帶寬較小

這個問題一方面導致一些需要高帶寬的物聯網業務難以開展；另一方面，導致網絡容易發生擁塞。

3 LTE

LTE 是一種長期演進技術，采用正交頻分復用（OFDM）和多輸入多輸出（MIMO）等技術，使網絡能夠在20 MHz 頻譜帶寬上提供下行100 Mbit/s、上行50 Mbit/s的峰值速率。其中，正交頻分復用是一種無線環境下的高速傳輸技術，它在有限的頻譜空間內，建立多個正交子信道，將需要傳輸的高速數據信號轉換成多個低速子數據流，然后調制到每個子信道上進行傳輸，這種調制方式使不同載波的頻譜可以相互交叉，進而提高了頻譜利用率；多輸入多輸出技術則采用多天線方式，在接收端和發送端建立多條數據傳輸通道，在已有頻譜的前提下，成倍提高通信帶寬。

圖2 給出了LTE的架構，虛線方框為LTE 系統所包括的主要設備。其中，PCRF（策略和計費規則功能）和SPR（用戶屬性寄存器）實現了策略控制功能；P-GW（PDN 網關）、S-GW（服務網關）、MME（移動性管理設備）等聯合提供了移動性管理、會話管理、IP 地址分配、計費、QoS控制等功能。

從圖2 及相關設備功能可以看出，LTE 具有以下優點。

（1）系統架構簡單

實現了扁平化、IP 化，減少了網元數量，從而降低了運營商的建設和運維成本，也降低了運營商提供數據業務的每比特成本。

（2）良好的策略控制和QoS 保障

依賴于PCRF 和SPR 以及內部的QCI 機制，LTE可細化到業務級別的QoS控制，從而為用戶提供更豐富、更具個性的業務套餐。

另外，最重要的一點是，LTE 具備高帶寬、低時延的特點，這開創了信息通信的新局面。

4 基于LTE 發展物聯網

如圖1 所示，LTE 處于網絡層，為物聯網應用層提供接入服務。LTE的部署將使物聯網的地址和標識、擁塞控制、組管理等需求得到滿足，也使那些要求高速率、高移動性、低成本、QoS控制的物聯網應用獲得更好的發展機會。下面首先分析對于在2G/3G 網絡中無法得到滿足的物聯網需求，在LTE 網絡如何進行解決。

（1）地址和標識需求

LTE的發展適逢IPv6的全面成熟，市場上對IPv6的期盼也十分迫切，因而，LTE 在標準制定、設備制造、網絡建設方面都充分考慮到未來IPv6的需求，這為解決物聯網的地址和標識問題提供了充分的基礎：IPv4 大概可以提供40 億個IP 地址，而IPv6 可以給地球上任何物體均分配一個標志。同時，眾多運營商在LTE 設備的測試和采購上，均明確要求支持IPv6，從而使未來的LTE 網絡可實際支持IPv6，為物聯網各終端提供充足的標識。

（2）擁塞控制的需求

在網絡中對業務進行精細化服務質量區分已成為業內共識，3GPP 所提出的策略控制和計費（policy control and charging，PCC）功能為運營商實現業務控制提供了可能。運營商在新建網絡時部署PCC 相對容易，因此，大部分運營商都會在部署LTE 時直接采用PCC 構架。另外，LTE 還支持細分的QCI，這為基于PCC、利用QCI 對業務進行服務質量保證提供了便利，有利于實現對物聯網應用的服務保障、擁塞控制、組管理等功能。

圖2 LTE 架構

（3）高帶寬需求

LTE 最大的優勢即是數據傳輸速率高，其可提供下行100 Mbit/s 、上行50 Mbit/s的峰值速率，為大范圍地推廣物聯網應用（尤其是高清視頻監控）奠定了基礎，使服務提供商不必過分擔憂帶寬瓶頸。

LTE 除了解決物聯網的上述需求外，其所擁有的其他優點還為物聯網的發展帶來了推動作用。

（1）低時延

LTE 用戶平面內部單向傳輸時延低于5 ms，控制平面從睡眠狀態到激活狀態的遷移時間低于50 ms[1]，這為那些需要高實時性傳輸的物聯網應用提供了更好的網絡條件，有利于管理者及時發現遠端存在的問題。

（2）每兆比特成本低

LTE 網絡結構簡單、節點數量少、支持和2G/3G 共站址建設，建設成本和運維成本均較低。另外，LTE的頻譜效率高于WCDMA，為運營商節省了寶貴的頻譜資源。因而，相比于2G/3G 網絡，LTE 網絡的每兆比特成本低，為那些耗費高流量的應用打開了市場化的大門。

（3）高速率時仍保持良好的信號強度

此特性可促進車聯網等高移動性應用的發展。

（4）全IP 網絡

適合目前的IP 化趨勢，使終端和物聯網應用的設計都更加簡單，只需按照互聯網的模式進行開發即可。

（5）核心網不主動釋放連接[2]

LTE的核心網沒有主動釋放的機制，這為永久在線的業務創造了有利條件，有利于消除業界一直熱議的“信令風暴”問題。在LTE 網絡中，只有終端或者eNode B 等設備通過NAS 消息通知核心網，核心網才會釋放與終端的連接。另外，終端和核心網的NAS 層如果一直保持附著狀態，則不管底層是否釋放鏈路，都可保持IP 地址不變，從而實現永久在線的功能。

5 結束語

近年來，物聯網應用在安防、電網、交通、物流、食品安全等多個領域都有了顯著的發展。由于物聯網對地址和標識、帶寬、策略控制、永久在線、高速移動等都有較高要求，現有2G/3G 網絡未能完全滿足此類需求，這使一些關鍵的物聯網應用無法得到推廣。LTE 網絡部署在即，其高吞吐量、QoS 保障等優勢必將助推物聯網向更大的領域擴展，使社會的信息化程度向更高的層次邁進。

1 李鐵峰,黃耀軍，張震.LTE 和物聯網融合.通信技術,2013，42（4）：121～124

2 李昊，胡興.LTE 無線通信技術與物聯網技術的結合與發展.郵電設計技術，2012(1)：21～24