LTE：物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)未來

　　在不久的將來，物聯(lián)網(wǎng)會(huì)將數(shù)十億臺(tái)設(shè)備連接至互聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)來自于 Harbour Research 的信息，2014 年IoT 設(shè)備出貨量估計(jì)達(dá)到 20 億，2020 年其出貨量預(yù)計(jì)將超過 70 億。只有在具有低成本的通信網(wǎng)絡(luò)和無線設(shè)備可用的情況下，這一點(diǎn)才能夠?qū)崿F(xiàn)。通過應(yīng)用 Bluetooth?、ZigBee、Wi-Fi 或蜂窩網(wǎng)絡(luò)等無線技術(shù)，幾乎全球任何地區(qū)的任何物體都能夠快速、可靠地連接至互聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)前最新的蜂窩技術(shù)，LTE?M 和 NB?IoT 將對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的成功普及產(chǎn)生至關(guān)重要的作用。

　　多數(shù)應(yīng)用采用了在免授權(quán)頻段中運(yùn)行的局域網(wǎng)技術(shù)。與此相反，依賴于移動(dòng)性或全球性接入的應(yīng)用主要利用了衛(wèi)星技術(shù)及第二代和第三代蜂窩移動(dòng)無線技術(shù)。此處僅列舉幾個(gè)典型實(shí)例：車隊(duì)管理、集裝箱跟蹤、咖啡自動(dòng)售貨機(jī)或 ATM 服務(wù)、個(gè)人健康監(jiān)測。在大多數(shù)情況下，這些應(yīng)用所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量較少，通常僅需 SMS 服務(wù)即可實(shí)現(xiàn)傳輸。目前約 60 % 的蜂窩 IoT 設(shè)備采用了第二代移動(dòng)通信技術(shù)，例如GPRS。在未來幾年內(nèi)，尤其隨著人們對(duì)更高的數(shù)據(jù)率和長期網(wǎng)絡(luò)可用性的需求日益增長，第三代移動(dòng)通信技術(shù)將逐漸占據(jù)重要地位。采用 LTE 的第四代移動(dòng)通信迄今為止所發(fā)揮的作用不甚明顯。

　　因?yàn)?LTE 主要針對(duì)移動(dòng)寬帶市場進(jìn)行了優(yōu)化，所以 IoT 對(duì)4G 技術(shù)需求很少。此外，與 GSM 調(diào)制解調(diào)器相比，LTE 調(diào)制解調(diào)器的成本仍然相對(duì)較高。然而，LTE 的某些特征使其愈發(fā)引人注目。全球可接入性就是其中一個(gè)特征。據(jù)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)會(huì) (GSMA) 所提供的信息，至 2015 年 9 月，422 家運(yùn)營商已在 146 個(gè)國家/地區(qū)提供了商業(yè) LTE 服務(wù)。LTE 的長期可用性是另一個(gè)使其充滿吸引力的原因。越來越多的蜂窩運(yùn)營商宣布，他們將不再支持第二代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。因此，人們必須轉(zhuǎn)換至最新技術(shù)。為了更適應(yīng)于 M2M 市場，在成本和功耗方面進(jìn)行了優(yōu)化的首個(gè)LTE芯片組已可用。LTE 在頻譜效率、時(shí)延和數(shù)據(jù)吞吐量方面提供了其他技術(shù)優(yōu)勢。

　　在對(duì) 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義的早期階段，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了針對(duì) IoT 市場優(yōu)化解決方案的必要性，所以針對(duì)機(jī)器類型通信 (MTC) 的具體改進(jìn)層出不窮。例如，委員會(huì)已在 Rel.10/11 中定義了一些特征以防止海量 IoT 設(shè)備導(dǎo)致移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)過載。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商需要時(shí)刻做好充分準(zhǔn)備，以應(yīng)對(duì)數(shù)千臺(tái)設(shè)備同時(shí)連接至網(wǎng)絡(luò)。這種情況可能會(huì)出現(xiàn)在突發(fā)事件之后，例如，停電后電網(wǎng)恢復(fù)。人們已引入了過載機(jī)制和減少信令流量的選項(xiàng)來處理這類事件。許多 IoT 應(yīng)用(例如，傳感器網(wǎng)絡(luò))很少發(fā)送數(shù)據(jù)且不需要精確到秒的操作。在接入期間，這些設(shè)備可向網(wǎng)絡(luò)報(bào)告其已準(zhǔn)備接受更長的延時(shí)(延時(shí)容忍接入)。Rel.10 中包含這樣一種流程，該流程允許網(wǎng)絡(luò)在開始時(shí)拒絕這些設(shè)備的連接請(qǐng)求，從而延遲連接(延長等待時(shí)間)。 Rel.11，可借助于分級(jí)接入控制接入蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)。在這種情況下，只有分配到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)許可級(jí)別的設(shè)備方可建立連接。網(wǎng)絡(luò)會(huì)傳輸位映射bitmap(EAB 限制位映射)，bitmap確定了哪些級(jí)別具有接入許可(圖 1)?！　?/p>

　　圖 1

　　Rel.10 和 11 中引入的這些流程在不影響移動(dòng)寬帶服務(wù)的情況下可確保目前和未來的 IoT 應(yīng)用和設(shè)備在蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可靠且穩(wěn)定地運(yùn)行。

　　目前，唯一缺少的是為低數(shù)據(jù)流量、低功耗和低成本的 IoT 設(shè)備而進(jìn)行優(yōu)化的解決方案。委員會(huì)已開始在 Rel.12 中制定此類解決方案。然而，人們很快發(fā)現(xiàn)沒有一個(gè)單一且簡單的解決方案適用于所有的應(yīng)用場景。集裝箱跟蹤、垃圾桶管理、智能儀表、農(nóng)業(yè)傳感器以及運(yùn)動(dòng)和個(gè)人健康追蹤器等應(yīng)用的對(duì)技術(shù)的要求非常多樣化。因此，Rel.12 主要側(cè)重于低功耗和低成本調(diào)制解調(diào)器。得出的結(jié)果為節(jié)能模式 (PSM)，其對(duì)于電池供電型設(shè)備和新的LTE 0類設(shè)備來說尤為重要，其復(fù)雜度應(yīng)當(dāng)僅有 1 類調(diào)制解調(diào)器的一半。

　　節(jié)能模式 (PSM)

　　PSM 流程會(huì)在數(shù)據(jù)鏈路終止后或在定期跟蹤區(qū)域跟新 (TAU) 過程完成后開始。首先，設(shè)備將進(jìn)入正常的空閑模式，在該模式下定期切換至接收模式，以便接收消息。所以，設(shè)備可通過尋呼保持可用狀態(tài)。在定時(shí)器 T3324 到達(dá)設(shè)定時(shí)間后，進(jìn)入 PSM。在該模式下，設(shè)備可隨時(shí)發(fā)送消息，因?yàn)槠湓诰W(wǎng)絡(luò)上保持注冊(cè)狀態(tài)。然而，由于前端已關(guān)閉，所以即使通過尋呼設(shè)備也不可用。因此，PSM 只適用于很少向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)量極少的傳感器網(wǎng)絡(luò)。該流程不適用于需要傳感器快速作出響應(yīng)或?qū)憫?yīng)時(shí)間要求很高的應(yīng)用。采用 PSM 的應(yīng)用必須容忍該行為且必須為空閑模式和節(jié)能模式設(shè)計(jì)最佳定時(shí)器值。端到端的測試對(duì)于將應(yīng)用行為匹配至網(wǎng)絡(luò)行為來說是必不可少的。　

　　圖 2

　　低成本的 0 類LTE設(shè)備

　　0 類的引入首次允許價(jià)格大幅降低的 LTE 調(diào)制解調(diào)器(適用于 M2M 市場)的嘗試。理想情況下，此類調(diào)制解調(diào)器的功耗也較低。為了達(dá)到這一目標(biāo)，通過將支持的數(shù)據(jù)率降至 1 Mbps 以降低調(diào)制解調(diào)器的復(fù)雜性。從而最大限度減少對(duì)處理功率和內(nèi)存的要求。制造商也可摒棄全雙工模式和多天線。因此，設(shè)備無需采用雙工濾波器，否則就需要雙工濾波器去防止發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的干擾。

　　0 類設(shè)備現(xiàn)在仍處于開發(fā)中，可能將在 2016 年推出。

　　1 類(Rel.8) 0 類(Rel.12)

　　下行鏈路峰值速率10 Mbps1 Mbps

　　上行鏈路峰值速率5 Mbps1 Mbps

　　UE RF 鏈路21

　　雙工模式全雙工半雙工(可選)

　　UE 接收機(jī)帶寬20 MHz20 MHz

　　UE 最大發(fā)射功率23 dBm23 dBm

　　MIMO 層數(shù)11

　　最高 DL 調(diào)制階數(shù)64 QAM64 QAM

　　最高 UL 調(diào)制階數(shù)16 QAM16 QAM　　

　　圖 3

　　LTE-M 的進(jìn)一步發(fā)展

　　LTE-M 已經(jīng)邁出了第一步。Rel.13 包含其他降低成本的措施，尤其是降低上行鏈路和下行鏈路的帶寬，降低數(shù)據(jù)率以及降低發(fā)射功率。

　　同時(shí)也在計(jì)劃進(jìn)一步降低功耗。這將對(duì)無法使用 PSM 的應(yīng)用產(chǎn)生一定影響，因?yàn)榧词乖O(shè)備自身不傳輸數(shù)據(jù)，但至少必須在短間隔內(nèi)保持可用狀態(tài)。在這種情況下，調(diào)制解調(diào)器定期從空閑模式切換至接收模式，以便于獲得尋呼消息和系統(tǒng)狀態(tài)信息。DRX 定時(shí)器確定模式切換的頻率。目前，最短間隔為 2.56 秒。舉例來說，如果某一設(shè)備僅在每 15 分鐘內(nèi)預(yù)計(jì)獲得數(shù)據(jù)，則該頻率相當(dāng)頻繁。定時(shí)器的擴(kuò)展 (eDRX) 已進(jìn)行規(guī)劃且處于商討階段，有望將電池壽命大幅延長至數(shù)年。

　　必須擴(kuò)大范圍，以適用于極端接收條件下(例如，地下室中)的智能儀表等應(yīng)用，或者適用于分布廣泛的設(shè)備，例如農(nóng)業(yè)應(yīng)用。包括多重復(fù)性或者對(duì)時(shí)效和誤差要求不高的各種技術(shù)應(yīng)當(dāng)改善接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的功率平衡到 15 dB。范圍也因此得以擴(kuò)展。

　　在 Rel.14 中，汽車行業(yè)的要求促進(jìn)了徹底縮短了消費(fèi)類設(shè)備之間在通信方面的延時(shí)的研究，例如實(shí)現(xiàn)汽車之間的實(shí)時(shí)通信。

　　LP-WAN：對(duì) LTE-M 的競爭?

　　LTE-M 借助其新特征可滿足更多 IoT 應(yīng)用的需求，有助于眾多用戶從 2G/3G 技術(shù)過渡至 LTE。然而，現(xiàn)在人們需要極低成本和低功耗的設(shè)備，當(dāng)前的蜂窩技術(shù)似乎不太合適。所以，在過去幾年中，低功耗 WAN 等替代技術(shù)在市場中占據(jù)了一席之地。在大多數(shù)情況下，這些技術(shù)針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化，適用于數(shù)據(jù)量極低的傳感器網(wǎng)絡(luò)如煙霧探測器或垃圾桶上的填充傳感器。這些技術(shù)具有應(yīng)用范圍廣和采用免授權(quán)頻段的優(yōu)勢。SIGFOX 就是其中一個(gè)突出代表。該網(wǎng)絡(luò)采用了超窄帶技術(shù)，且已在數(shù)個(gè)國家網(wǎng)絡(luò)中投入使用。SIGFOX 已針對(duì)極小數(shù)據(jù)包的偶發(fā)傳輸進(jìn)行了優(yōu)化，允許在消息發(fā)送后一段時(shí)間之后進(jìn)行接收。

　　另一實(shí)例為 LoRa。該項(xiàng)技術(shù)的業(yè)界代表已組成了 LoRa 聯(lián)盟。這些代表根據(jù) Semtech 公司的 LoRa 技術(shù)制定了 LoRaWAN 標(biāo)準(zhǔn)以及用于兼容設(shè)備認(rèn)證的額外規(guī)范。LoRa 采用了調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)，這種類型的技術(shù)與用于雷達(dá)應(yīng)用的技術(shù)相似。支持三種類別的設(shè)備。類別 A 類似于 SIGFOX，僅允許在消息傳輸后出現(xiàn)的兩個(gè)短接收窗口期間進(jìn)行接收。類別 B 允許通過信標(biāo)同步的定期接收窗口。類別 C 可隨時(shí)接收，但設(shè)備正在傳輸?shù)那闆r除外。LP-WAN 技術(shù)的其它實(shí)例還包括 Weightless-N 和 RPMA。

　　SIGFOXLoRaWeightless-NRPMA

　　頻率868 MHz (ETSI)

　　915 MHz (FCC)

　　2400 MHz868 MHz (ETSI)

　　915 MHz (FCC)868 MHz (ETSI)

　　915 MHz (FCC)2400 MHz

　　調(diào)制UNBChirp DSSSUNBRPMA

　　技術(shù)推動(dòng)者SIGFOX、Semtech、NWave、Ingenu　

　　圖 4

　　GSMA – 超低成本設(shè)備

　　不久前，GSMA 也曾致力于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，今年 GSMA 發(fā)起了一場有關(guān) LP-WAN 的倡議。目的是盡快根據(jù)授權(quán)頻段中的現(xiàn)有蜂窩標(biāo)準(zhǔn)定義 LP-WAN 標(biāo)準(zhǔn)。主要的基礎(chǔ)設(shè)施、調(diào)制解調(diào)器和芯片組制造商紛紛與移動(dòng)服務(wù)供應(yīng)商進(jìn)行合作，從而制定出合適的標(biāo)準(zhǔn)。目的是讓這些標(biāo)準(zhǔn)在Rel.13 得到批準(zhǔn)并在 2016 年推出商用產(chǎn)品。首批現(xiàn)場試驗(yàn)已在進(jìn)行中。

　　目前，大量有關(guān)的技術(shù)討論和替代方法的研究都在如火如荼地進(jìn)行。然而，該委員會(huì)已決定應(yīng)制定一項(xiàng)窄帶 IOT (NB-IoT) 標(biāo)準(zhǔn)。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)將允許使用 LTE 載波中的資源塊，相鄰載波間頻譜中的未用資源或者獨(dú)立、保留頻譜中的資源。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的要求概要包括極低功耗、極低成本、改進(jìn)的室內(nèi)接收性能，以及支持大量數(shù)據(jù)流量極少的設(shè)備。

　　目前，大量的標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)正在執(zhí)行中，以確保為未來的物聯(lián)網(wǎng)提供合適的通信技術(shù)。這些活動(dòng)也將為第五代移動(dòng)無線通信鋪平道路，在第五代移動(dòng)無線通信中，極低延時(shí)、超長電池壽命且具有大量設(shè)備扮演了重要角色。　

　　用于分析功耗和流量特性的 E2E 應(yīng)用。