LTE無線通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合與發(fā)展

李 昊，胡 興（上海貝爾股份有限公司，上海 201206）

0 前言

2004年12月，在3GPP多倫多會(huì)議上，確定LTE作為3G的演進(jìn)技術(shù)。在20 MHz頻譜帶寬下，LTE能夠提供下行326 Mbit/s與上行86 Mbit/s的峰值速率。這種巨大的性能優(yōu)勢(shì)，使LTE成為目前無線通信系統(tǒng)中最火熱的技術(shù)。由于正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸，并通過層二調(diào)度器對(duì)無線資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度。使得無線信道的使用更靈活、更有效率，特別適用于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)這樣的小數(shù)據(jù)包、高頻次、常在線業(yè)務(wù)，可以解決在GSM與WCDMA為代表的2G/3G技術(shù)對(duì)小數(shù)據(jù)包常在線業(yè)務(wù)必須要保持一個(gè)固定帶寬的數(shù)據(jù)承載，使常在線業(yè)務(wù)使用2G/3G技術(shù)時(shí)，頻譜利用率極低的技術(shù)瓶頸得以解決。

由于傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)無法滿足物聯(lián)網(wǎng)對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅沟迷缙谖锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用在部署范圍、應(yīng)用領(lǐng)域等諸多方面有所局限，終端之間以及終端與后臺(tái)軟件之間都難以開展協(xié)同。隨著無線通信與云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，建立端到端的新型無線物聯(lián)網(wǎng)將成為必然，無線通信網(wǎng)絡(luò)成為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)通信終端也可實(shí)現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)終端的融合，而LTE無線通信網(wǎng)絡(luò)讓這一切有了可能。

1 關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。這包含以下2層意思。

第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)。

第二，用戶端可延伸和擴(kuò)展到任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信。

因此，物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

因?yàn)樵诨ヂ?lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上做的網(wǎng)絡(luò)延伸，突破了傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)只在本地進(jìn)行自動(dòng)化控制，對(duì)于信息不對(duì)稱的現(xiàn)狀，不同的行業(yè)可以通過物聯(lián)網(wǎng)的相互協(xié)調(diào)得以合作、協(xié)調(diào)與發(fā)展，從而可以突破傳統(tǒng)行業(yè)現(xiàn)有的水平，達(dá)到本質(zhì)的突破，甚至革命。圖1為物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的基本模塊示意圖。

自從Google在2006年推出的“Google 101計(jì)劃”中提出云計(jì)算的概念之后，許多組織從不同的研究視角給出了云計(jì)算的定義，目前關(guān)于云計(jì)算的定義已有上百種。其核心思想是將大量用于網(wǎng)絡(luò)連接的計(jì)算和處理資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度，構(gòu)成一個(gè)資源池按需向用戶提供服務(wù)。

維基百科對(duì)云計(jì)算的定義是：云計(jì)算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算方式，通過互聯(lián)網(wǎng)上異構(gòu)、自治的服務(wù)為個(gè)人和企業(yè)用戶提供按需即取的計(jì)算、軟件信息。

伯克利云計(jì)算白皮書對(duì)云計(jì)算的定義是：云計(jì)算包括互聯(lián)網(wǎng)上各種服務(wù)形式的應(yīng)用以及應(yīng)用所依托的數(shù)據(jù)中心的軟硬件設(shè)施。通過量入為出的方式提供給公眾的云稱為公共云，如Amazon s3（simple storage service）、Google App Engine和 Microsoft Azure 等，而不對(duì)公眾開放的組織內(nèi)部數(shù)據(jù)中心的云稱為私有云。

以上2家機(jī)構(gòu)對(duì)云的定義各有側(cè)重，從根本上說，云計(jì)算是以虛擬技術(shù)為核心的技術(shù)，以規(guī)模經(jīng)濟(jì)為驅(qū)動(dòng)，以互聯(lián)網(wǎng)為載體，以由大量的計(jì)算資源組成的IT資源池為支撐，按照用戶需求動(dòng)態(tài)地提供虛擬化的、可伸縮的IT服務(wù)。在云計(jì)算模式下，不同種類的IT服務(wù)按照用戶的需求規(guī)模和要求動(dòng)態(tài)地構(gòu)建、運(yùn)營和維護(hù)，用戶一般以量入為出的方式支付其利用資源的費(fèi)用。

目前越來越多的廠商可以提供不同層次的云計(jì)算服務(wù)，部分廠商還可以同時(shí)提供設(shè)備、平臺(tái)、軟件等多層次的云計(jì)算服務(wù)，例如Google既可提供云計(jì)算平臺(tái)服務(wù)，又可提供云計(jì)算軟件服務(wù)，眾多廠家均在云計(jì)算領(lǐng)域?qū)ふ抑虡I(yè)突破點(diǎn)。

2 物聯(lián)網(wǎng)所特有的業(yè)務(wù)模型分析

表1示出的是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)的主流數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)模型，其中包括各種業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)類型、描述、數(shù)據(jù)包頻率、數(shù)據(jù)包大小、配置范圍、移動(dòng)性、終端密度等，該數(shù)據(jù)均取自真實(shí)的業(yè)務(wù)模型分析。其中，會(huì)話頻率為每天該業(yè)務(wù)被觸發(fā)的會(huì)話數(shù)。會(huì)話大小為該類型業(yè)務(wù)每個(gè)數(shù)據(jù)包的大小。配置范圍為該業(yè)務(wù)被配置的覆蓋場(chǎng)景。移動(dòng)性表示該業(yè)務(wù)是靜止的還是移動(dòng)的。終端密度表示每平方公里M2M終端的數(shù)目。通過對(duì)各類業(yè)務(wù)場(chǎng)景數(shù)據(jù)包的分析可以估計(jì)出物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)形態(tài)規(guī)律以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)的壓力。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的基本模塊示意圖

從表1可以看出，物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)模型為小包、高頻次的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、類似QQ的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)也是一種常在線業(yè)務(wù)，該業(yè)務(wù)會(huì)大量浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源（目前QQ數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)已經(jīng)對(duì)2G/3G網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生極大影響），造成信令風(fēng)暴，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)效率低下。隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，數(shù)據(jù)包更小，頻次更高，并且常在線，數(shù)據(jù)負(fù)荷更大，如果采用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與解決方法，信令風(fēng)暴問題必將凸顯，而成為運(yùn)營商通過無線網(wǎng)絡(luò)承載物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的瓶頸。

3 LTE無線通信系統(tǒng)適配物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)模型

圖2為物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)與LTE無線網(wǎng)絡(luò)與前端自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)合而成的無線物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖，由于物聯(lián)網(wǎng)需要把傳感器和控制機(jī)通過自組織網(wǎng)絡(luò)等局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳感器的疊加，而把LTE無線通信網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)關(guān)接入，所以數(shù)據(jù)流在自組織網(wǎng)絡(luò)回傳輸入到LTE網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候非常大。會(huì)產(chǎn)生更大負(fù)荷的小包、高頻次的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，此模型為物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所特有，對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)將產(chǎn)生巨大的壓力。

由于LTE技術(shù)采用正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成并行低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸，并通過層二調(diào)度器對(duì)無線資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度,從而可利用LTE技術(shù)使物聯(lián)網(wǎng)所特有的小包、高頻次等常在線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)成為可能。另外，需要根據(jù)協(xié)議層（見圖3）進(jìn)行細(xì)致分析，并調(diào)整其中參數(shù)，加以優(yōu)化。

從核心網(wǎng)的角度上看，手機(jī)發(fā)起業(yè)務(wù)之后需要建立無線承載，可以通過NAS消息通知核心網(wǎng)并建立相應(yīng)的QCI（QoS Class Identifier）的無線承載進(jìn)行傳輸，3GPP定義了QCI（見表2），并通過S1消息通知接入網(wǎng)建立相應(yīng)的無線承載。

LTE系統(tǒng)的核心網(wǎng)沒有主動(dòng)釋放機(jī)制，也就是說不會(huì)監(jiān)測(cè)到?jīng)]有數(shù)據(jù)，就進(jìn)行鏈路釋放。只有接入網(wǎng)消息或者UE通過NAS消息通知核心網(wǎng)才會(huì)真正釋放。核心網(wǎng)、UE的NAS層都保持ATTACH狀態(tài)，保存IP地址，從而實(shí)現(xiàn)常在線，不管底層是否保持或者釋放鏈路，都不替換IP地址。

表1 物聯(lián)網(wǎng)的主流數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)模型

表2 3GPP定義的QCI參數(shù)

圖2 無線物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖

圖3 LTE系統(tǒng)協(xié)議棧示意圖

從接入網(wǎng)的角度看，接入網(wǎng)按照核心網(wǎng)的QCI參數(shù)配置相應(yīng)的無線參數(shù)，并且，由于LTE用戶面?zhèn)鬏敹纪ㄟ^適配共享信道的資源，所以配置靈活，資源占用率可達(dá)到最優(yōu)。

如果一段時(shí)間沒有數(shù)據(jù)，會(huì)進(jìn)入DRX周期省電模式（需要根據(jù)不同業(yè)務(wù)的應(yīng)用層業(yè)務(wù)模型來調(diào)整參數(shù)，優(yōu)化DRX周期的參數(shù)，UE可以配置）。

LTE中使用OFDM的共享資源，用層二調(diào)度器來對(duì)資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度，理論上，上層不釋放信令資源，并不會(huì)影響到空口的資源，可以真正做到保留常在線。調(diào)度器與RRC對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。3GPP對(duì)視頻、游戲、語音等多方面的業(yè)務(wù)形態(tài)均有定義，但是尚未定義基于物聯(lián)網(wǎng)的小包、高頻次、常在線的業(yè)務(wù)形態(tài)，可以分析基于物聯(lián)網(wǎng)的特殊業(yè)務(wù)模型形態(tài)，對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以適配物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)形態(tài)。

4 結(jié)束語

通過對(duì)物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)有數(shù)據(jù)形態(tài)的分析可以得知，必須將LTE系統(tǒng)按照各種物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行優(yōu)化，才能順利承載物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，并且保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。3GPP的9種QCI中并沒有定義物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的業(yè)務(wù)形態(tài)，也就是說，如果完全按照協(xié)議實(shí)現(xiàn)，不能滿足物聯(lián)網(wǎng)的要求。可以通過3GPP消息中自定義的位域，抽象出全新的QCI，并且根據(jù)特定的小包、高頻次數(shù)據(jù)模型，對(duì)無線通信系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并與自定義的物聯(lián)網(wǎng)專用的QCI進(jìn)行映射，產(chǎn)生適用于物聯(lián)網(wǎng)的小包、高頻次的無線承載，從而更好地為物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)服務(wù)。隨著科技的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算技術(shù)必然將會(huì)與普通的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)甚至語音業(yè)務(wù)一樣為公眾使用，而2G/3G技術(shù)已經(jīng)成為其發(fā)展的瓶頸，第四代移動(dòng)通信LTE技術(shù)可以更好地為物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)服務(wù)，提供穩(wěn)定的無線承載。

［1］Wikipedia.Cloud computing［EB/OL］.［2011-07-12］.http://www.en.Wikipedia.org/wiki/Cloud computing.

［2］Michael A，F(xiàn)ox A，Griffith R，et a1.Above the clouds：a berkeley view of cloud computing［EB/OL］.［2011-07-12］.http://www.citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?Doi=10.1.1.150.628&rep=repl&type=pdf.

［3］R2-100204 Traffic model for M2M service ［S/OL］. ［2011-07-12］.http://www.3gpp.org/ftp/tsg.../ADN_Tdoc_List_RAN2_68bis.htm.

［4］3GPP TS 22.060 General Packet Radio Service （GPRS）；Service description；Stage 1［S/OL］. ［2011-07-12］.http://www.turkcell.com.tr/downloads/hakkimizda/pdf/22060-800.pdf.

［5］3GPP TS 36.300 Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）；Overall description；Stage 2［S/OL］.［2011-07-12］.［S/OL］.［2011-07-12］.http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/36300.htm.