面向5G的蜂窩物聯網技術與應用研究

【摘要】? ? 隨著5G技術的發展， 5G三大應用場景與各行各業的深度融合加速了物聯網業務的發展進程。文章介紹了蜂窩物聯網業務的主要需求與分類，研究了各類蜂窩物聯網業務應用及對應的主流技術標準和關鍵技術，對面向5G的物聯網應用研究具有一定指導意義。

【關鍵字】? ? 5G物聯網? ? NB-IoT/eMTC? ? mMTC? ? uRLLC

一、概述

萬物互聯是繼移動互聯網后的又一個時代浪潮，而5G與各行各業的深度融合無疑會加速萬物互聯的進度。蜂窩物聯網（ Cellular IoT）是以蜂窩移動網絡為主要接入手段的物聯網，利用蜂窩網絡實現物聯網終端與網絡的連接，是物聯網發展的重要路徑。在5G誕生以前主要以增強機器類通信（eMTC）和窄帶物聯網（NB-IoT）等為代表。5G的商用極大地擴展了通信連接范疇。5G更加多樣化的性能指標，決定了5G的應用場景更加豐富，不僅關注人與人，也關注人與物、物與物，面向增強型移動寬帶（eMBB）、海量機器類通信（mMTC）、超高可靠低時延場景（uRLLC）等三大場景實現產業跨領域發展和產業融合。其中mMTC與uRLLC二大場景和物聯網強相關，是物聯網業務的核心要求，也是5G拓展物聯網的核心場景，完美解決了物聯網及其相關垂直應用的問題。5G的商業化引領蜂窩物聯網新一輪發展與技術創新。

二、蜂窩物聯網業務需求與分類

目前蜂窩物聯網業務根據速率、時延及可靠性等要求主要分為三大類，各類業務特征、業務占比、可用技術和典型應用如下。

2.1低速率、廣連接業務

該類業務的主要特征為低速率、低功耗、低成本、廣連接，占比約為60%，目前主要采用GSM、NB-IoT等技術，主要為數據信息的遠程自動采集業務，典型的業務代表有智能抄表及智慧城市相關應用。此類業務終端只需要在上報數據時才會通過移動網絡連接位于Internet內的遠程后臺，每天連接次數很少，業務速率小于100kbps。

2.2中等需求類業務

該類業務為中低吞吐率及部分語音、移動性應用，對覆蓋、功耗和成本有一定要求，占比約為30%，主要采用3G和eMTC等技術，主要針對交互類業務，典型的業務有物流監控、可穿戴設備等，此類業務終端在特定的時間段內（如車輛行駛過程中）定期上報（如每間隔5分鐘）衛星位置、車輛運行參數等數據;同時不定時地接收后臺的立即定位、控制等遠程指令，業務速率小于10Mbps。

2.3高可靠性、低時延業務

該類業務對傳輸可靠性和時延要求較高，占比約為10%，主要采用4G及 5G等技術，主要為視頻應用類，典型的業務有車聯網、遠程醫療等，一般傳輸速率大于10Mbps。該類業務雖然占比最少，但具有極高價值，是5G及未來物聯網的發展方向。

前兩種業務占物聯網應用的 90%，屬于低功耗廣域網絡，目前已得到廣泛應用，由NB-IoT 和 eMTC兩種技術標準支持，也是5G NR中mMTC場景的主要解決方案。第三種業務屬大帶寬、低時延和高可靠等其它業務，是5G NR場景中uRLLC重點發展業務。

三、蜂窩物聯網技術標準

3.1 NB-IoT/eMTC

NB-IoT標準和eMTC標準都具有增強覆蓋，大連接，低功耗，低成本的特點。在具體性能表現上，二者各有側重，在應用場景上也有所差異，在業務上各有聚焦的特性化業務。二者均屬于 LPWA 網絡，針對物聯網覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗少等需求在物理層、網絡結構等方面進行了簡化和演進。但仍存在一定的不同，具體差異表現在以下幾個方面：

NB-IoT使用200kHz帶寬，支持100Kbps以下低速率數據，目前只支持頻分雙工，支持小區重選，不支持移動性、切換和VoLTE語音通信， NB-IoT的覆蓋能力強且成本較低，支持獨立部署和LTE保護帶及帶內部署三種方式，適用于小數據量、低移動性、時延不敏感、終端數量大的窄帶物聯網業務;NB-IoT 在覆蓋方面有更好的表現、同時其終端也具有更低的功耗，適用于智能停車、智能抄表和物流倉儲等在覆蓋廣度與深度上要求高的場景。

eMTC帶寬為1.4MHz， 支持最高1Mbps數據速率，支持頻分雙工和時分雙工， 支持切換和VoLTE語音通信， 移動性支持較好，支持獨立部署和LTE帶內部署兩種方式，適合中速率物聯網業務;eMTC 在單用戶速率方面有更好的表現，容量更大，其網絡特性更適合對實時性、交互性有需求的業務，適合如可穿戴、健康監測、智能家居等應用。

綜上所述，與NB-IoT相比，eMTC的優勢在于傳輸速率、雙工方式、語音通信、時延、移動性、定位等方面，而 NB-IoT 的優勢在于成本、功耗、覆蓋、連接數、可靠性等方面，兩者在窄帶物聯網領域各具優勢，在應用方面互為補充;同時兩者面向了5G的海量連接（mMTC）場景，是 5G mMTC的核心組成部分，將向5G mMTC長期演進。

3.2 5G mMTC

5G不斷深度賦能各垂直行業，為構建萬物互聯的智能社會，實現海量物聯網業務提供強大動力。大規模機器類通信 （mMTC）是海量連接的解決方案，是5G三大應用方向中專門為物聯網應用而設計的，是NB-IoT 和eMTC技術的未來發展方向。

基于LTE的NB-IoT和eMTC技術與mMTC相比，在覆蓋、時延、電池壽命、連接密度等方面存在一定差距，數據包到達率無法得到保障。

基于5G 的mMTC技術，為了支持海量物聯網連接，具備以下四大關鍵性能指標：

1.在覆蓋方面，最大耦合損耗（MCL）達164 dB。

2.超低時延：MCL為164dB時，每傳輸20字節數據包的上行鏈路平均延遲不超過10秒。

3.超長續航時間：MCL為164dB時，電池壽命為10～15年。

4.極高的連接密度：支持每平方公里100萬個設備連接，網絡支持連接數量超千億。

mMTC是機器類數據通信，可以實現終端與服務器間或終端之間通信而不需要人機交互。mMTC作為5G物聯網場景，主要應用于5G以前的移動通信網絡無法滿足的物聯網及垂直行業，包括智慧城市、智能交通、環境監測、智能家居等需要傳感、采集和處理海量數據的應用場景，具有低速率、低功耗、低成本、時延要求不高、覆蓋范圍廣和容量大等特點。

3.3 5G uRLLC

超高可靠低時延（uRLLC）體現了“人”與“物”之間的超低時延、超高可靠性的通信需求。當前uRLLC的主要應用場景包括垂直行業的車聯網、AR/VR、工業精確控制、無人機遠程監測、交通安全和控制、遠程手術、急救人員跟蹤等行業。不同于常規的公網業務傳輸，為了增強最終用戶的業務感知和實現實時無線控制，上述應用場景對于業務傳輸的時延和可靠性具有更高需求，網絡性能指標包含：空口時延不大于1 ms，可靠性不小于99.9999%。

為了進一步降低uRLLC場景下的網絡時延，無線側采用基于更短時長的傳輸、免調度傳輸和搶占傳輸等技術方案。更短時長的傳輸包括使用較大的子載波間隔和支持時域符號級的調度以降低空口數據傳輸時延;免授權調度傳輸包括無需下行控制信息（DCI）激活的免調度傳輸和上下行優先搶占空口資源的高優先級uRLLC業務傳輸等關鍵技術;搶占傳輸是指基站將eMBB業務的資源同時分配給URLLC業務，為保證uRLLC業務性能，uRLLC業務通過打孔方式搶占eMBB業務資源以降低時延，并同時保證eMBB業務的傳輸性能。

在空口的可靠性增強方面，主要以犧牲頻譜效率為代價，在物理層通過選用更低的碼率和調制階數的方式提高傳輸成功率，從而增強可靠性。業務信道的可靠性增強技術主要包括： 降低編碼率和增加分集增益

（1）增加調制編碼方案：支持MCS最低π/2 BPSK、最高限制為64QAM的調制;增加信道編碼冗余以降低數據碼率提升傳輸可靠性。

（2）數據重復傳輸： 在時延允許條件下，采用重傳機制，支持業務數據在物理層基于slot、mini-slot重復傳輸，進一步提高傳輸成功率，獲取最大分集增益，提升業務可靠性，并進一步減小傳輸時延。

四、5G蜂窩物聯網關鍵技術

4.1 5G網絡切片

為應對物聯網多樣化的應用需求和保證用戶更好的體驗質量（QoE），5G網絡根據不同業務類型的特點，利用網絡功能虛擬化（NFV）和軟件定義網絡（SDN）技術將基于軟件的網絡功能與底層基礎設施資源分離，將單一物理網絡在公共共享基礎設施之上構建多個網絡特性不同、完全解耦的端到端虛擬網絡，即將網絡資源進行切片，為典型的業務場景分配獨立的切片，在切片內針對業務需求設計增強的網絡架構，對時延、帶寬等性能指標進行靈活配置，并且切片之間互不影響，從而滿足不同場景的定制化需求，實現一網多用，也提高了網絡資源利用率。網絡切片是5G網絡的重要特征和最基本的能力，是滿足獨立組網和差異化業務需求的關鍵。

4.2 5G MEC

為了支持延遲敏感型業務實現卓越的性能和體驗質量，5G 系統架構提供了高效靈活的支持。多接入邊緣計算（MEC）又稱移動邊緣計算，是實現5G低延遲和高可靠性等的關鍵技術之一，主要用于將云平臺從移動核心網內遷移到移動接入網邊緣，實現了將計算、存儲等能力下沉至更接近用戶業務的位置，可以將物聯網終端除通信與數據采集功能外的其他功能轉移到邊緣云平臺實現，有效服務于對時延要求特別高的業務類型（如車聯網和遠程控制等）以及對計算能力要求特別高的業務類型（如視頻監控與分析等）。如uRLLC場景的無人駕駛業務，要求無線網絡具有低時延、大帶寬、位置感知、高可靠性等性能。引入MEC技術，業務面本地化部署，不需要將控制信息傳到云端平臺再返回，實現超可靠低時延，保證了無人駕駛使用安全。

五、結束語

5G為物聯網而生，其中的mMTC和uRLLA是物聯網核心應用場景，而mMTC的支撐基礎是當前的NB-IoT和eMTC，多種技術標準結合5G網絡切片和MEC等核心技術，滿足了物聯網各類業務性能。5G將促進社會各領域深度融合發展，從to C到to B，實現萬物感知、萬物互聯、萬物智能，開創改變人類社會的新時代。

參考文獻

[1] 陳孟嘗，潘桂新， 5G時代蜂窩物聯網演進方案研究[J]. 郵電設計技術，2020（8）：73-76.

[2] 韓書君，《北京郵電大學博士論文》，2020.6.30

[3] 易芝玲，崔春風等，5G 蜂窩物聯網關鍵技術分析 北京郵電大學學報 2018， 41（5）： 20-25

[4] 5G概念白皮書 《互聯網文檔資源（https：//wenku.baidu.）》2019

[5] 無線基礎知識? 《互聯網文檔資源（https：//wenku.baidu.）》2019

[6] 肖育苗，呂亞莉， 5G與4G網絡的對比分析綜述《中國新通信》? 2017（6） 11-5402/TN

作者簡介

何晶，女，出生于1970年9月，1991年8月畢業于東北大學通信工程專業，本科，2006年3月畢業于東北大學通信與信息系統專業，研究生，現就職于遼寧郵電規劃設計院有限公司。高級工程師，2011年度全國優秀設計工作者。通信地址：沈陽市渾南區金科街7號，郵編：110179，聯系電話：13940585805.

參? 考? 文? 獻

[1] 陳孟嘗，潘桂新， 5G時代蜂窩物聯網演進方案研究[J]. 郵電設計技術，2020（8）：73-76.

[2] 易芝玲，崔春風等，5G 蜂窩物聯網關鍵技術分析 北京郵電大學學報 2018， 41（5）： 20-25

[3] 崔梟飛，樊曉賀，新基建浪潮下5GmMTC業務場景安全問題研究 信息安全研究，2020（8）： 10-1345/TP