基于TD-LTE的移動物聯網研究與分析

林浩 李偉然 劉京川 溫正陽

【摘要】 TD-LTE網絡的快速部署和應用，是物聯網發展的有力推手，本文分析了TD-LTE網絡的技術優勢和傳送網架構，對物聯網的網絡結構、物聯網業務發展趨勢及發展瓶頸進行了介紹和分析。由于TD-LTE網絡能夠滿足物聯網業務承載需求，提出了基于TD-LTE技術的移動物聯網應用方案。

【關鍵字】 TD-LTE 物聯網 業務需求 應用方案

一、引言

2013年12月中國移動TD-LTE網絡的正式商用，標志著中國的移動互聯網正式進入4G時代。TD-LTE網絡的高速帶寬為承載多種物聯網業務的發展提供了可能。本文對中國移動TD-LTE網絡結構、物聯網技術進行了介紹，并論證了LTE網絡與物聯網技術融合的技術可行性。

二、TD-LTE移動通信網絡

LTE是基于OFDMA技術、由3GPP組織制定的全球通用標準，包括FDD和TDD兩種模式用于成對頻譜和非成對頻譜。中國移動采用TDD技術構建通信網絡。

2.1 技術優勢

（1）與2G、3G網絡相比，以TD-LTE技術為基礎的4G網絡，下行速率100 Mbps，上行速率50 Mbps，通信速度有了很大的提升。

（2）采用OFDM技術，提高了調制效率和頻譜利用率。

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing），正交頻分復用技術，將高速串行數據信號轉換為大量的并行低速子數據流，每路數據流經獨立調制后在不同的子載波上分別傳輸，各子載波的頻譜重疊但相互正交，頻譜利用率較高。

（3）MIMO技術，提高系統傳輸速率的最主要手段。

MIMO（Multiple-Input Multiple—Output），多輸入多輸出，該系統在發送端和接收端均采用多天線和多通道模式，利用無線信道的非相關特性實現信號在空間的多路并行傳輸，從而提高通信質量和通信速率。

（4）PTN承載TD-LTE優勢明顯。

①PTN具有多種業務類型統一承載力，其采用packet作為交換核心，能夠滿足數據業務突發、不定包長等特點，對承載IP化數據業務優勢明顯。

②PTN在城域核心層啟用簡化的L3功能轉發X2接口連接，避免在PTN網絡間增加路由器設備，簡化了網絡架構，消除了網絡中的瓶頸節點，盡可能地避免了單個網元出錯對全網的影響，方便統一網管全網管理。

③PTN具有較強的QoS功能，能夠對TD-LTE業務進行等級區分和優先級管理，利于更高效更合理傳輸不同等級用戶的業務。

2.2承載TD-LTE的傳輸網

LTE網絡在網絡架構方面與2G、3G網絡有很大的不同，2G、3G網絡，一臺BSC/RNC下掛多個基站BTS/NodeB，各個基站的BTS/NodeB之間是沒有接口的，基站間的互訪問是有BSC/RNC直接控制。4G網絡，無線網每個基站之間都有傳輸需求。因此引入了S1和X2流量。

對于S1流量：經接入層PTN統一送到核心層PTN，由核心層PTN根據目的IP地址（MME/SGW）查找L3VPN的路由表，封裝LSP和L3VPN的標簽， 經由核心層設備間的轉發到達歸屬的MME/SGW。

對于X2流量：經接入層PTN統一送到核心層PTN，由核心層PTN根據目的IP地址（相鄰的基站）查找L3VPN的路由表，以決定流量是經由核心層環送往非本地歸屬的基站；或向下轉發，經由本地的L2VPN封裝送外相鄰的基站。

三、基于TD-LTE的物聯網網絡架構

物聯網是一個物物相連的網絡，它能夠將我們的生活擬人化。物聯網使用GPS、射頻識別、傳感器等設備進行信息提取、鑒別和傳遞，然后通過某種通信方式連接至互聯網，最后使信息能夠與互聯網信息互換，實現智能化的跟蹤、識別、監管等功能。

構建以TD-LTE網絡為基礎的物聯網，需要解決以下幾個方面。

（1）為滿足物聯網應用對口地址日益增長的需求，物聯網感知層傳感器終端應具有支持TD-LTE制式的網絡模塊，同時支持IPv6。IPv6理論上支持的終端數量將達到2的128次方，同時終端設備可擁有1個以上的IP地址，增強了網絡的安全性，數據傳輸速度也大大提高。

根據物聯網節點資源受限和低功耗的特點對IPv6協議進行裁剪和優化，在無線傳感網絡的應用得到了IETF組織的積極推廣，相關的核心標準已基本制定完成。

（2）物聯網網絡層應包含TD-LTE承載網的接入層、匯聚層、核心層，具備數據承載和數據控制功能，建立屬于物聯網的專屬網元，能夠提供如會話管理、路由選擇和數據轉發、QoS控制、存儲信息等業務，同時，為物聯網終端與應用平臺、管理平臺之間提供通道。

物聯網網絡可采用與TD-LTE核心層網絡控制與承載分離的網絡模式，在核心層建立物聯網節點專用的MME、SGW、PGW網元。

① MME通過向HSS發送“四元組”鑒權請求，完成對于低移動性的物聯網節點接入的控制，包括安全和許可控制；通過向DNS請求APN解析獲得SGW、PGW網元的地址信息，從而完成對SGW、PGW網元的選擇。

② SGW完成通信的建立、數據路由建立和轉發、尋呼觸發、計費及QoS控制等功能，為終端和應用層、管理層的通信提供數據通道。

③ PGW完成豐富的業務處理，包括IP地址分配、 DPI、內容計費、業務策略控制、防火墻和NAT（Network Address Translation）等功能。

（3）由中國移動為規范物聯網終端與M2M平臺間的數據通信、實現M2M平臺對物聯網終端的統一管理而制訂的WMMP協議，在應用方面還處在起步階段，支持該協議的接入終端和網絡設備較少。

完整的基于LTE的物聯網網絡結構如圖1所示。

四、小結

物聯網 作為我國戰略新興產業的重要組成部分，正在進入深化應用的新階段，物聯網與傳統產業、其他信息技術不斷融合滲透，促進了傳統產業的轉型升級，服務社會民生方面發揮的作用越來越重要。本文提出了基于TD-LTE網絡的物聯網網絡架構，TD-LTE網絡的大規模建設和應用必將推動物聯網的快速發展，移動互聯網高速的網絡帶寬和傳感網絡局部細小的部署集合起來，可完成多種數據業務的透傳服務。

參 考 文 獻

[1] 李勇輝，馬瑞濤， 符剛. 基于LTE的物聯網發展研究[J]. 互聯網天地，2013（9）.

[2] 張孝林，張瀚博. LTE技術與物聯網技術融合分析[J]. 移動通信，2012（7）.

[3] 李昊，胡興. LTE無線通信技術與物聯網技術的結合與發展 [J]. 郵電設計技術，2012（1）.