無線蜂窩物聯網發展

李少白

（北京中網華通設計咨詢有限公司，北京 100070）

1 概 述

無線蜂窩通信網絡的發展可追溯到20世紀70年代。隨著民用移動通信用戶數量的增加，業務量逐年上升，傳統的電話網絡和移動電話系統已經不能滿足人們日益增長的需求，頻譜資源和可用頻道數量相對于市場需求的矛盾日益激化。如何滿足市場需求、提升無線通信網絡的容量以及有效利用有限的頻譜資源成為首要需解決的問題。在這樣的背景下，美國的貝爾實驗室創造性地提出了小區制和蜂窩組網的理論，為移動通信系統在全世界范圍的應用打下了堅實基礎，開辟了一條全新的應用道路。之后，無線網蜂窩網絡經歷了2G時代、3G時代、4G時代以及如今的5G時代，萬物互聯也從概念走向現實?，F階段，物聯網技術發展速度迅猛，LPWA技術迅速興起。通過使用LPWA技術，能夠以較低的成本和功耗解決物聯網不斷發展的基礎需求。同時，窄帶物聯網（NBIoT）、e-MTC、SigFox以及LoRa等技術都紛紛投入實際應用。

2 蜂窩物聯網

2.1 蜂窩物聯網的概念

從概念上講，無線蜂窩物聯網是通過融合蜂窩移動通信網和物聯網，以蜂窩移動通信網現有的接入技術為基礎，為各種不同的物聯網終端設備提供穩定、可靠且高效的數據傳輸通道。此外，蜂窩物聯網還能給很多不同的行業提供全方位的物聯網應用服務。

2.2 移動蜂窩物聯網的整體架構

移動蜂窩物聯網從上至下分為感知層、網絡層以及應用層3層。無線通信運營以現有的無線網絡為基礎，為各類物聯網的終端和傳感器的節點提供接入服務，同時也為物聯網行業提供專門的行業定制服務，如行業內部的網絡連接、大數據存儲、大數據分析以及環境監測等。移動蜂窩物聯網的整體架構如圖1所示。

2.2.1 感知層

感知層的主要功能是智能感知并識別外界環境信息，并根據不同的外部環境完成信息的采集、處理、自動決策以及控制等。從邏輯實體層面來看，感知層主要包括若干傳感器（如煙霧報警器）、控制部件（如聲控開關）、測量部件（如智能水表）以及完成各部件間互聯互通的部件等。細分至物理層面，發現其由各類物聯網智能終端、讀寫器、感知終端、傳感器節點以及接入網關組成。不同的部件既可以組合進行感知，也可獨立進行感知，最終將感知到的數據統一上傳至網絡層。

2.2.2 網絡層

網絡層的主要功能包括面向感知層提供網絡接入服務和面向應用層提供各類物聯網業務管理服務。網絡接入服務主要依托現有的無線蜂窩網絡為物聯網數據提供傳輸通道，針對由感知層上傳來數據，按照不同的速率要求、時延要求以及可靠性要求進行傳輸和匯聚。物聯網管理服務主要是在物聯網支撐管理平臺提供用戶識別單元和設備計費管理運營等功能。通過物聯網支撐管理平臺提供API開放管理和數據管理服務。

圖1 移動蜂窩物聯網總體架構

2.2.3 應用層

應用層包括各個不同行業的實際應用解決方案、不同的服務端口、應用基礎設施、中間體以及各種物聯網的具體應用等。應用層最主要的功能是為整個物聯網業務提供有效的信息處理和數據運算資源調用等基礎性服務，可實現物聯網在多行業和多領域的應用。邏輯實體包括數據存儲、處理部件及應用服務部件等。物理實體包括云端數據服務器和終端應用程序等。

3 現有的蜂窩物聯網技術

3.1 NB-IoT技術

NB-IoT技術即窄帶物聯網技術，構建于傳統蜂窩網絡，需占用帶寬180 kHz，可在現行的2G、3G以及4G網絡上直接部署，具有覆蓋范圍廣、連接容量大、設備功耗低以及建設與運行維護成本低等特點，是物聯網發展進程中的一項重要技術。

現階段，NB-IoT技術主要支持帶寬180 kHz的FDD傳輸模式。另外，NB-IoT技術可以擁有保護帶部署、獨立部署以及LTE帶內部署3種不相同的網絡部署模式[1]。部署模式不相同，網絡具有的功能特點也不盡相同。保護帶部署是將NB-IoT網絡部署在現網LTE頻段的邊緣頻率上，可以很好地利用頻譜資源。獨立部署是將NB-IoT網絡部署在未經使用的頻率資源上，與現行的無線通信網絡沒有顯著干擾。LTE帶內部署通常部署在低頻段上，將LTE帶內的1個PRB資源作為窄帶物聯網的工作載波。NB-IoT技術在實際應用中需要合理選擇部署模式，從而保障NB-IoT技術的功能[2]。

3.2 eMTC技術

eMTC技術是基于現行LTE技術演進的物聯網技術。為了更加適于物與物之間的通信，降低功耗成本，可針對LTE協議展開一系列的裁剪與優化操作。eMTC技術的部署基于蜂窩網絡，用戶設備和終端設備可以將支持1.4 MHz的射頻和基帶帶寬直接接入現有的LTE網絡[3]。

eMTC技術具有LPWA最基礎也最重要的4大能力。一是覆蓋范圍廣。相同頻段下，eMTC和已有網絡相比增加了15 dB，極大地加強了LTE網絡覆蓋的能力。二是功耗更低。一般情況下，eMTC終端模塊待機時長可達到10多年。三是支持海量的終端連接。1個eMTC扇區能夠支持近10萬個終端連接。四是更低的建設成本。eMTC模組芯片技術相對成熟，大規模生產成本較低。

3.3 LoRa技術

LoRa是低功耗廣域網（Low Power Wide Area Network，LPWAN）通信技術的一種，是Semtech公司于2013年發布的超長距離低功耗數據傳輸技術。LoRa技術很好地解決了功能損耗與傳輸距離的相互制約，進行遠距離傳輸時的功能損耗較低。

LoRa技術屬于非授權頻段物聯網技術。由于該技術基于線性擴頻調制（Chirp Spread Spectrum，CSS），因此不同擴頻序列的終端設備在相同頻率下不會互相干擾。伴隨著應用場景的改變，終端設備的工作模式可以隨之調整為Class A、Class B以及Class C共3種不同的傳輸方式，以滿足不同應用的需求。經過多年的發展，LoRa技術的成熟度顯著提高，擁有了很多優勢，可以實現長距離通信和低數據吞吐量，且功能損耗較低，符合標準化要求?？梢?，LoRa技術不僅可以用于城市中心區域，而且在很多不同應用場景中能夠實現快速部署操作。此外，對于實際數據吞吐量較低的物聯網應用場景，如M2M、農業物聯網以及土木工程等，LoRa技術也可以發揮巨大的作用。

3.4 Sigfox技術

Sigfox技術由法國窄帶物聯網公司Sigfox提出。Sigfox公司不僅是標準的制定者，也是網絡運營者和云平臺提供商。Sigfox技術的目標是建立一個覆蓋全球所有的IoT網絡且獨立于傳統的移動蜂窩網絡。該技術為增加通信距離和降低設備功能損耗，犧牲了傳輸速率，為非授權頻段物聯網技術。

從技術上看，Sigfox所采用的UNB技術的傳輸速率最低僅100 b/s，每個裝置每天最多只能傳送140個訊息，而每個訊息酬載（Payload）最大至12 Byte。具體的裝置僅需應用Sigfox Radio Protocol（無線電的體系結構）即可。終端只需確保在對的頻率發出信號，基地臺會自動接收到相關的信息，而裝置和基地臺之間不需要展開任何的溝通與交流。以Sigfox技術為基礎的物聯網，成本和傳統蜂窩網絡相比顯著降低。此外，Sigfox技術所占用的900 MHz無線頻段在美國無需任何授權。

從功耗角度來看，Sigfox網絡設備的功率較低，通常只有50～100 μW。接入Sigfox網絡設備消息的最大長度12 Byte，每個設備每天能夠發送的信息在140條以內。Sigfox技術的目標是網絡覆蓋區域為1 000 km且每個基站能夠處理106個對象。如果每一個基站都能連接106個終端，那么通過估算可知，只需要建立10 000個基站，就能將Sigfox網絡覆蓋整個美國。

4 中國聯通無線蜂窩物聯網演進路線

中國聯通無線蜂窩物聯網整體朝著軟件化和標準化的方向不斷演變和發展。

4.1 近 期

4.1.1 構建物聯網專網

近期的主要目標是最大限度地滿足大連接物聯網的基本接入需求，以NB-IoT和LTE-eMTC物聯網接入技術的引進作為發展契機，不斷推動物聯網專網的建設。此外，嘗試探索NFV技術更多的實際應用，最終實現兩級結構部署。中國聯通近期網絡演進架構如圖2所示。

圖2 中國聯通近期網絡演進架構

4.1.2 無線網

不斷推動CA和MIMO等LTE網絡技術的發展，滿足大帶寬（如有視頻監控等）物聯網業務的實際接入需求。此外，將現有UMTS/LTE網絡作為基礎，結合實際業務需求引進NB-IoT和eMTC等多種技術，確?？梢詽M足物聯網的實際連接需求。

4.1.3 核心網

將NB-IoT等新技術的引入當作一個發展的契機，建立一個物聯網專網。在原獨立接入的基礎上，不斷推動MME和S-GW等核心網元的專用部署。具體地，傳統2G、3G以及4G物聯網接入用戶物聯網業務復用各省原有的H2H EPC網絡資源，同時各省新建物聯網專用核心網對接物聯網中心專用PGW和HSS網元。eNodeB通過S1鏈路重定向、PLMN以及DECORE等方案，將IoT終端和常規手機終端區分附著到IoT專用核心網和H2H常規核心網。

4.2 中 期

4.2.1 人物全分離專網

中期階段，在物聯網專用核心網作為基礎的前提下，利用網元分布部署，最大限度地滿足物聯網實時接入的相關需求，不斷推動物聯網接入和人網之間的分離，實現物聯網與人網的多級結構部署。中國聯通中期網絡演進架構如圖3所示。

圖3 中國聯通中期網絡演進架構

4.2.2 無線網

以LTE網絡為基礎，確保滿足物聯網業務的連接場景。嘗試引進MEC等新技術，激發物聯網業務實時連接需求。另外，以接入技術為區分基礎，以業務應用作為區分標準，連接到物聯網專網。

4.2.3 核心網

物聯網專網是基礎，應該將更多物聯網相關業務遷移至物聯網專網，同時推動實現物聯網專網的虛擬化，確保uMTC業務需求下沉至PGW。

4.3 遠 期

按需融合物聯網。遠期目標以虛擬化物聯網專網為基礎，各類業務和應用按照需求編排和接入為目標，實現整個網絡功能的重構，從而在原來多級網絡結構的基礎上實現多級DC的部署[4]。中國聯通遠期網絡演進架構如圖4所示。

5 結 論

5G技術的快速發展，促使萬物互聯慢慢成為顯示。同時，云計算、AI以及大數據等各種高新技術的不斷興起與快速發展，使得物聯網在各個行業中的應用不斷深化，顛覆性地改變了當今社會生產和生活的方式，為產業帶來了突破式創新和跨越式發展的戰略機遇。

圖4 中國聯通遠期網絡演進架構