蜂窩物聯(lián)網(wǎng)部署研究及其在5G網(wǎng)絡(luò)下的關(guān)鍵技術(shù)

王浩年 王家旭 劉冰婷

【摘要】? ? 隨著智能城市、大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，無線通信將連接萬物。伴隨著5G技術(shù)的發(fā)展與5G網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署，“萬物互聯(lián)”的時(shí)代也即將來臨。蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（cellular Internet of things）主要接入方式為蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)，是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成，包括現(xiàn)已廣泛商用的基于2G、3G、4G的物聯(lián)網(wǎng)，以及正在部署商用的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT，narrow band IoT）和增強(qiáng)機(jī)器類通信（eMTC，enhanced machine-type communication）。

【關(guān)鍵詞】? ? 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)? ? eMTC? ? NB-IoT? 5G

序言

蜂窩網(wǎng)絡(luò)（Cellular network）經(jīng)過多年的發(fā)展與建設(shè)，現(xiàn)在已經(jīng)成為各國移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)，其特點(diǎn)是覆蓋范圍廣泛，通信安全可靠性高。

根據(jù)高通公司的預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)到2025年，全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)量將突破50億。從可穿戴智能設(shè)備到智能抄表、從遠(yuǎn)程醫(yī)療到車聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)將涵蓋智慧城市、智慧交通、智慧農(nóng)業(yè)、智慧醫(yī)療等生活的方方面面。海量的智能終端設(shè)備將會(huì)接入網(wǎng)絡(luò)，而蜂窩網(wǎng)絡(luò)將成為物聯(lián)網(wǎng)的主要承載網(wǎng)絡(luò)。

一、蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括物聯(lián)網(wǎng)終端、網(wǎng)絡(luò)、控制平臺(tái)和應(yīng)用等四個(gè)層面，與傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)保持一致，如圖2.1所示。

終端是指能夠通過無線方式接入到蜂窩網(wǎng)絡(luò)的各種無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，比如車載聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、小型化的無人飛機(jī)、智能醫(yī)療裝置設(shè)備、工業(yè)使用智能機(jī)器人、無線監(jiān)控設(shè)備、可穿戴設(shè)備等等。

網(wǎng)絡(luò)是指2G、3G、4G、5G等蜂窩網(wǎng)以及其他接入網(wǎng)。

平臺(tái)是指移動(dòng)、聯(lián)通、電信、廣電的運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，以及其他可以提供物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

應(yīng)用是指各種使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的軟件應(yīng)用程序，例如“智慧城市”、“智慧交通”、“智慧醫(yī)療”、“智慧家庭”、“智能電網(wǎng)”等領(lǐng)域。

二、蜂窩物聯(lián)網(wǎng)部署方案

根據(jù)NB-IoT和eMTC的新特性以及現(xiàn)網(wǎng)能力制定部署方案，同時(shí)也要考慮未來網(wǎng)絡(luò)、技術(shù)、功能的演進(jìn)需求。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)對(duì)LTE的部分功能進(jìn)行了簡(jiǎn)化，在接入、傳輸、優(yōu)化、服務(wù)等方面增加了新的功能;相比eMTC網(wǎng)絡(luò)不但沒有把LTE網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行削減，而且還在功率、協(xié)議、服務(wù)等方面新增了部分功能。對(duì)于已商用的2G、3G、4G的 IOT網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在核心網(wǎng)部署了與蜂窩物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的網(wǎng)元，同時(shí)也部署了本地位置的寄存器、HSS及PGW等節(jié)點(diǎn)。

NB-IoT、eMTC和LTE-4G的主要技術(shù)特征及典型應(yīng)用場(chǎng)景如表1所示。

2.1 現(xiàn)網(wǎng)升級(jí)方案

根據(jù)NB-IoT與eMTC不同的技術(shù)特性，只需要升級(jí)核心網(wǎng)，即可快速完成蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)業(yè)務(wù)需求部署。首先，需要部署的有計(jì)費(fèi)策略、PGW、HSS、核心網(wǎng)功能以及原有網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)等。其次，在LTE核心網(wǎng)中部署新的MME和SGW網(wǎng)元功能，供用戶升級(jí)。

2.2 獨(dú)立部署方案

NB-IoT的架構(gòu)和功能更適合新建數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，新建數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)不會(huì)對(duì)現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)造成影響，與此同時(shí)可以使用開放更多的新應(yīng)用、新業(yè)務(wù)、新能力。新建數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)既可以使用傳統(tǒng)設(shè)備，也可以實(shí)施網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化。

虛擬化MME （vMME）和虛擬化SGW（vSGW）以解耦模式部署，其更適合后續(xù)演進(jìn)。

2.3 演進(jìn)方案

根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)情況對(duì)上述2種方案進(jìn)行選擇。在蜂窩物聯(lián)網(wǎng)面向5G網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)升級(jí)過程中可從下面3個(gè)階段進(jìn)行考慮：

第一，對(duì)于部分業(yè)務(wù)領(lǐng)域，尤其是對(duì)于有NFV運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)的領(lǐng)域，使用虛擬化技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的軟硬件解耦，從而構(gòu)建虛擬化MME和虛擬化SGW，C-SGN則可通過虛擬化來實(shí)現(xiàn)。

第二，以NFV為基礎(chǔ)，完成其與LTE網(wǎng)絡(luò)、5G網(wǎng)絡(luò)等虛擬化基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的共享，以網(wǎng)絡(luò)切片（Network Slicing）的方式部署邏輯上獨(dú)立、隔離的蜂窩式物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)絡(luò)，并提供開放的網(wǎng)絡(luò)能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可基于業(yè)務(wù)特點(diǎn)對(duì)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)切片的架構(gòu)進(jìn)行調(diào)整的能力。

第三，運(yùn)用大數(shù)據(jù)的分析及相關(guān)工具，引入AI智能技術(shù)（AI，Artificial Intelligence），實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自部署、業(yè)務(wù)自生成、二者同步優(yōu)化的智能化、開源、開放的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新與服務(wù)平臺(tái)。

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展離不開長(zhǎng)久以來開放的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，各種新技術(shù)的不斷引入也使物聯(lián)網(wǎng)迅速演進(jìn)。蜂窩物聯(lián)網(wǎng)向5G網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)演進(jìn)，同樣離不開關(guān)鍵技術(shù)的快速應(yīng)用。以下將分析在5G網(wǎng)絡(luò)下蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的一些關(guān)鍵技術(shù)。

三、5G 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

隨著物聯(lián)網(wǎng)接入方式的多樣化，以及云計(jì)算、霧計(jì)算、邊緣計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展，基于5G網(wǎng)絡(luò)下的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)也逐漸明晰。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分離了邊緣資源層及傳輸層，解耦了服務(wù)管理層及應(yīng)用層，如圖2所示。

3.2 NFV

NFV（即網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，Network Functions Virtualization）可將傳統(tǒng)的CT業(yè)務(wù)部署至云平臺(tái)上，從而實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦合。云平臺(tái)可以承載CT與IT應(yīng)用。

在蜂窩物聯(lián)網(wǎng)中，NFV作為虛擬體系結(jié)構(gòu)的一部分，與VNF和MANO兩部分并行。在NFVI中，將COTS硬件資源池通過虛擬化層的映射轉(zhuǎn)化為不同業(yè)務(wù)需求的虛擬資源后，再利用虛擬機(jī)、容器等軟件最終生成vC-SGN。MANO負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)安排、資源管理、VNF生命周期管理、性能和故障管理。

3.3 SDN

SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)，Software Defined Network），為了達(dá)到流量靈活有效控制，通過把網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制面同數(shù)據(jù)面進(jìn)行分離，讓網(wǎng)絡(luò)變成更加智能的管道，為核心網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用的創(chuàng)新提供了良好的平臺(tái)。

在蜂窩物聯(lián)網(wǎng)中，SDN技術(shù)為回程網(wǎng)絡(luò)的傳輸控制提供了支持。SDN技術(shù)通過接入5G核心網(wǎng)，與AMF、PCF、SMF等功能單元協(xié)同，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)面端到端的流量控制。

3.4 MEC

MEC（即邊緣云，Multi-access Edge Computing）作為5G的關(guān)鍵技術(shù)，將計(jì)算和存儲(chǔ)能力下沉到更貼近用戶業(yè)務(wù)的位置，物聯(lián)網(wǎng)終端除了通信和數(shù)據(jù)采集之外的其他功能都可以轉(zhuǎn)移到邊緣云平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。

同時(shí)，利用5G網(wǎng)絡(luò)的大傳輸管道帶寬能力，將相關(guān)數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)組EC進(jìn)行相應(yīng)處理。由于應(yīng)用向上轉(zhuǎn)移到了邊緣云平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)就可以通過更為強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力使應(yīng)用部署的更為快速、靈活，這都將成為未來5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一個(gè)應(yīng)用方向。

四、結(jié)語

本文在分析了蜂窩物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析了蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的部署方案及技術(shù)特征，以及技術(shù)演進(jìn)的方向。結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點(diǎn)，分析了蜂窩物聯(lián)網(wǎng)在5G網(wǎng)絡(luò)下的關(guān)鍵技術(shù)，為未來5G網(wǎng)絡(luò)下的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)提供了技術(shù)參考。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]3GPP.RevisedWorkItem：NarrowbandIoT（NB-IoT）：3GPPRP-152284[S].3GPP，2015

[2]孫彪，移動(dòng)運(yùn)營商N(yùn)B-IoT 部署策略探討，移動(dòng)通信，2016，40（ 23） ： 11-16.

[3]張旭，淺談物聯(lián)網(wǎng)形勢(shì)下的5G 技術(shù)發(fā)展，科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2018，15（29）：112.