无线蜂窝物联网发展

2020-11-11李少白

通信电源技术 2020年14期

李少白

（北京中网华通设计咨询有限公司，北京 100070）

1 概述

无线蜂窝通信网络的发展可追溯到20世纪70年代。随着民用移动通信用户数量的增加，业务量逐年上升，传统的电话网络和移动电话系统已经不能满足人们日益增长的需求，频谱资源和可用频道数量相对于市场需求的矛盾日益激化。如何满足市场需求、提升无线通信网络的容量以及有效利用有限的频谱资源成为首要需解决的问题。在这样的背景下，美国的贝尔实验室创造性地提出了小区制和蜂窝组网的理论，为移动通信系统在全世界范围的应用打下了坚实基础，开辟了一条全新的应用道路。之后，无线网蜂窝网络经历了2G时代、3G时代、4G时代以及如今的5G时代，万物互联也从概念走向现实。现阶段，物联网技术发展速度迅猛，LPWA技术迅速兴起。通过使用LPWA技术，能够以较低的成本和功耗解决物联网不断发展的基础需求。同时，窄带物联网（NBIoT）、e-MTC、SigFox以及LoRa等技术都纷纷投入实际应用。

2 蜂窝物联网

2.1 蜂窝物联网的概念

从概念上讲，无线蜂窝物联网是通过融合蜂窝移动通信网和物联网，以蜂窝移动通信网现有的接入技术为基础，为各种不同的物联网终端设备提供稳定、可靠且高效的数据传输通道。此外，蜂窝物联网还能给很多不同的行业提供全方位的物联网应用服务。

2.2 移动蜂窝物联网的整体架构

移动蜂窝物联网从上至下分为感知层、网络层以及应用层3层。无线通信运营以现有的无线网络为基础，为各类物联网的终端和传感器的节点提供接入服务，同时也为物联网行业提供专门的行业定制服务，如行业内部的网络连接、大数据存储、大数据分析以及环境监测等。移动蜂窝物联网的整体架构如图1所示。

2.2.1 感知层

感知层的主要功能是智能感知并识别外界环境信息，并根据不同的外部环境完成信息的采集、处理、自动决策以及控制等。从逻辑实体层面来看，感知层主要包括若干传感器（如烟雾报警器）、控制部件（如声控开关）、测量部件（如智能水表）以及完成各部件间互联互通的部件等。细分至物理层面，发现其由各类物联网智能终端、读写器、感知终端、传感器节点以及接入网关组成。不同的部件既可以组合进行感知，也可独立进行感知，最终将感知到的数据统一上传至网络层。

2.2.2 网络层

网络层的主要功能包括面向感知层提供网络接入服务和面向应用层提供各类物联网业务管理服务。网络接入服务主要依托现有的无线蜂窝网络为物联网数据提供传输通道，针对由感知层上传来数据，按照不同的速率要求、时延要求以及可靠性要求进行传输和汇聚。物联网管理服务主要是在物联网支撑管理平台提供用户识别单元和设备计费管理运营等功能。通过物联网支撑管理平台提供API开放管理和数据管理服务。

图1 移动蜂窝物联网总体架构

2.2.3 应用层

应用层包括各个不同行业的实际应用解决方案、不同的服务端口、应用基础设施、中间体以及各种物联网的具体应用等。应用层最主要的功能是为整个物联网业务提供有效的信息处理和数据运算资源调用等基础性服务，可实现物联网在多行业和多领域的应用。逻辑实体包括数据存储、处理部件及应用服务部件等。物理实体包括云端数据服务器和终端应用程序等。

3 现有的蜂窝物联网技术

3.1 NB-IoT技术

NB-IoT技术即窄带物联网技术，构建于传统蜂窝网络，需占用带宽180 kHz，可在现行的2G、3G以及4G网络上直接部署，具有覆盖范围广、连接容量大、设备功耗低以及建设与运行维护成本低等特点，是物联网发展进程中的一项重要技术。

现阶段，NB-IoT技术主要支持带宽180 kHz的FDD传输模式。另外，NB-IoT技术可以拥有保护带部署、独立部署以及LTE带内部署3种不相同的网络部署模式[1]。部署模式不相同，网络具有的功能特点也不尽相同。保护带部署是将NB-IoT网络部署在现网LTE频段的边缘频率上，可以很好地利用频谱资源。独立部署是将NB-IoT网络部署在未经使用的频率资源上，与现行的无线通信网络没有显著干扰。LTE带内部署通常部署在低频段上，将LTE带内的1个PRB资源作为窄带物联网的工作载波。NB-IoT技术在实际应用中需要合理选择部署模式，从而保障NB-IoT技术的功能[2]。

3.2 eMTC技术

eMTC技术是基于现行LTE技术演进的物联网技术。为了更加适于物与物之间的通信，降低功耗成本，可针对LTE协议展开一系列的裁剪与优化操作。eMTC技术的部署基于蜂窝网络，用户设备和终端设备可以将支持1.4 MHz的射频和基带带宽直接接入现有的LTE网络[3]。

eMTC技术具有LPWA最基础也最重要的4大能力。一是覆盖范围广。相同频段下，eMTC和已有网络相比增加了15 dB，极大地加强了LTE网络覆盖的能力。二是功耗更低。一般情况下，eMTC终端模块待机时长可达到10多年。三是支持海量的终端连接。1个eMTC扇区能够支持近10万个终端连接。四是更低的建设成本。eMTC模组芯片技术相对成熟，大规模生产成本较低。

3.3 LoRa技术

LoRa是低功耗广域网（Low Power Wide Area Network，LPWAN）通信技术的一种，是Semtech公司于2013年发布的超长距离低功耗数据传输技术。LoRa技术很好地解决了功能损耗与传输距离的相互制约，进行远距离传输时的功能损耗较低。

LoRa技术属于非授权频段物联网技术。由于该技术基于线性扩频调制（Chirp Spread Spectrum，CSS），因此不同扩频序列的终端设备在相同频率下不会互相干扰。伴随着应用场景的改变，终端设备的工作模式可以随之调整为Class A、Class B以及Class C共3种不同的传输方式，以满足不同应用的需求。经过多年的发展，LoRa技术的成熟度显著提高，拥有了很多优势，可以实现长距离通信和低数据吞吐量，且功能损耗较低，符合标准化要求。可见，LoRa技术不仅可以用于城市中心区域，而且在很多不同应用场景中能够实现快速部署操作。此外，对于实际数据吞吐量较低的物联网应用场景，如M2M、农业物联网以及土木工程等，LoRa技术也可以发挥巨大的作用。

3.4 Sigfox技术

Sigfox技术由法国窄带物联网公司Sigfox提出。Sigfox公司不仅是标准的制定者，也是网络运营者和云平台提供商。Sigfox技术的目标是建立一个覆盖全球所有的IoT网络且独立于传统的移动蜂窝网络。该技术为增加通信距离和降低设备功能损耗，牺牲了传输速率，为非授权频段物联网技术。

从技术上看，Sigfox所采用的UNB技术的传输速率最低仅100 b/s，每个装置每天最多只能传送140个讯息，而每个讯息酬载（Payload）最大至12 Byte。具体的装置仅需应用Sigfox Radio Protocol（无线电的体系结构）即可。终端只需确保在对的频率发出信号，基地台会自动接收到相关的信息，而装置和基地台之间不需要展开任何的沟通与交流。以Sigfox技术为基础的物联网，成本和传统蜂窝网络相比显著降低。此外，Sigfox技术所占用的900 MHz无线频段在美国无需任何授权。

从功耗角度来看，Sigfox网络设备的功率较低，通常只有50～100 μW。接入Sigfox网络设备消息的最大长度12 Byte，每个设备每天能够发送的信息在140条以内。Sigfox技术的目标是网络覆盖区域为1 000 km且每个基站能够处理106个对象。如果每一个基站都能连接106个终端，那么通过估算可知，只需要建立10 000个基站，就能将Sigfox网络覆盖整个美国。

4 中国联通无线蜂窝物联网演进路线

中国联通无线蜂窝物联网整体朝着软件化和标准化的方向不断演变和发展。

4.1 近期

4.1.1 构建物联网专网

近期的主要目标是最大限度地满足大连接物联网的基本接入需求，以NB-IoT和LTE-eMTC物联网接入技术的引进作为发展契机，不断推动物联网专网的建设。此外，尝试探索NFV技术更多的实际应用，最终实现两级结构部署。中国联通近期网络演进架构如图2所示。

图2 中国联通近期网络演进架构

4.1.2 无线网

不断推动CA和MIMO等LTE网络技术的发展，满足大带宽（如有视频监控等）物联网业务的实际接入需求。此外，将现有UMTS/LTE网络作为基础，结合实际业务需求引进NB-IoT和eMTC等多种技术，确保可以满足物联网的实际连接需求。

4.1.3 核心网

将NB-IoT等新技术的引入当作一个发展的契机，建立一个物联网专网。在原独立接入的基础上，不断推动MME和S-GW等核心网元的专用部署。具体地，传统2G、3G以及4G物联网接入用户物联网业务复用各省原有的H2H EPC网络资源，同时各省新建物联网专用核心网对接物联网中心专用PGW和HSS网元。eNodeB通过S1链路重定向、PLMN以及DECORE等方案，将IoT终端和常规手机终端区分附着到IoT专用核心网和H2H常规核心网。