5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)主流技術(shù)方案及演進(jìn)研究

鄭 杰，謝 飛

（浙江工業(yè)大學(xué) 之江學(xué)院，浙江 紹興 312030）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)低速率業(yè)務(wù)比重越來(lái)越高，在5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)主流技術(shù)方案的研究中，NB-IoT、LTE-eMTC等技術(shù)成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)先選擇。針對(duì)5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)主流技術(shù)方案演進(jìn)研究，對(duì)構(gòu)建5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)具有十分重要的意義。

1 5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)在不同速率下的業(yè)務(wù)發(fā)展?fàn)顩r

1.1 低速率及低功耗業(yè)務(wù)

在5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)中，低速率和低功耗的業(yè)務(wù)也被稱(chēng)為L(zhǎng)PWA業(yè)務(wù)，占5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的60%左右。蜂窩物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)廣泛應(yīng)用于水、電、煤氣等業(yè)務(wù)中，這些業(yè)務(wù)對(duì)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)主要是通過(guò)2G網(wǎng)的GSM和NB-IoT技術(shù)作為支撐，可以很好地滿(mǎn)足人們生活的相關(guān)需求[1]。

1.2 中低速率業(yè)務(wù)

中低速率業(yè)務(wù)約占整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的30%左右。在中低速率業(yè)務(wù)中，主要有3G WCDMA、LTE Cat.1及eMTC等。而在5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)中，典型的業(yè)務(wù)代表有智能POS機(jī)、電氣控制設(shè)備等，這使得5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)和以往的中低速率業(yè)務(wù)技術(shù)明顯不同。

1.3 高速率業(yè)務(wù)

在5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)中，高速率業(yè)務(wù)的占比只有10%左右。雖然高速率業(yè)務(wù)占比較少，但是卻有著非常高的價(jià)值，是5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)發(fā)展的重點(diǎn)方向[2]。在5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的高速率業(yè)務(wù)中，主要使用的技術(shù)以5G LTE Cat.4和LTE Cat.6為主，同時(shí)主要應(yīng)用于視頻監(jiān)控以及遠(yuǎn)程控制工作中。

2 我國(guó)2G～4G物聯(lián)網(wǎng)的定位及演進(jìn)策略

2.1 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)演進(jìn)策略

隨著移動(dòng)通信2G和3G的退網(wǎng)，4G和5G逐漸替代了2G和3G。結(jié)合這種技術(shù)演進(jìn)趨勢(shì)，為提高頻率利用率和運(yùn)營(yíng)效率，我國(guó)通信網(wǎng)絡(luò)正在逐漸轉(zhuǎn)型和升級(jí)。在4G的發(fā)展中，無(wú)論是網(wǎng)絡(luò)部署還是終端都非常完善和豐富。在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，4G網(wǎng)和5G網(wǎng)依舊是主要網(wǎng)絡(luò)[3]。由3GPP推出的LTE演進(jìn)NB-IoT技術(shù)作為專(zhuān)門(mén)面向低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的通信標(biāo)準(zhǔn)，使得廣域物聯(lián)網(wǎng)具備“廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接”等四大優(yōu)勢(shì)，一經(jīng)推出即受到全球各大運(yùn)營(yíng)商的主推，從而替代了原有的2G物聯(lián)網(wǎng)。同時(shí)由于3GPP在同一時(shí)期推出的eMTC技術(shù)也是由LTE演進(jìn)而來(lái)，因此3GPP具有和NB-IoT技術(shù)比較相近的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通常在不需要獨(dú)立載波的情況下，3GPP可直接上行干擾管理以及載波調(diào)度技術(shù)的研究，這也成為L(zhǎng)PWA業(yè)務(wù)的候選技術(shù)之一，也在全球獲得推廣。

2.2 不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，大部分物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上下指標(biāo)的通行，對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)指標(biāo)要求主要集中在上下行速率、不同狀態(tài)下的通信功耗和移動(dòng)速度支持等幾個(gè)方面，如表1所示[4]。在5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)指標(biāo)中，對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)需求，需要選擇對(duì)應(yīng)的終端類(lèi)別。因此在決定不同網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)方案時(shí)，需要考慮到網(wǎng)絡(luò)是否滿(mǎn)足高、中、低的速率特性，有利于針對(duì)不同速率進(jìn)行替換，最終滿(mǎn)足同一類(lèi)型業(yè)務(wù)的技術(shù)交替。

表1 2G-4G不同蜂窩物聯(lián)網(wǎng)主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

2.3 2G/3G/4G物聯(lián)網(wǎng)的定位

在我國(guó)2G-4G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的定位和演進(jìn)策略中，2G物聯(lián)網(wǎng)中堅(jiān)定推進(jìn)退網(wǎng)，可以加速完成退網(wǎng)，并在已有的潛在業(yè)務(wù)中引導(dǎo)LTE Cat.1的遷移。針對(duì)那些靜止或者移動(dòng)性較低的2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)，2G物聯(lián)網(wǎng)加快速度完成退網(wǎng)，2G物聯(lián)網(wǎng)中已有或潛在業(yè)務(wù)中高價(jià)值用戶(hù)引導(dǎo)其往LTE Cat.1遷轉(zhuǎn)（如車(chē)聯(lián)網(wǎng)等），靜止或者移動(dòng)性低的低價(jià)值2G物聯(lián)需要2G物聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)推動(dòng)網(wǎng)用戶(hù)（如抄表類(lèi)、煙感等），推動(dòng)用戶(hù)往NB-IoT技術(shù)發(fā)展[5]。而在3G物聯(lián)網(wǎng)原則上停止演進(jìn)，有序推進(jìn)減頻退網(wǎng)，推動(dòng)已有或潛在客戶(hù)往LTE Cat.1遷轉(zhuǎn)。4G物聯(lián)網(wǎng)積極發(fā)展為物聯(lián)網(wǎng)中高速業(yè)務(wù)主力承載網(wǎng)絡(luò)，繼續(xù)推進(jìn)基于Cat.4的高速業(yè)務(wù)承載，積極推廣Cat.1作為中低速業(yè)務(wù)的承載，并根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展情況對(duì)現(xiàn)網(wǎng)參數(shù)配置與容量等做出動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3 我國(guó)5G物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展策略

3.1 對(duì)5G物聯(lián)網(wǎng)中mMTC的定位發(fā)展方向

5G的3大應(yīng)用場(chǎng)景中mMTC是專(zhuān)門(mén)為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，一般面向LPWA類(lèi)應(yīng)用，如圖1所示[6]。針對(duì)此類(lèi)應(yīng)用的情況，需要對(duì)LPWA應(yīng)用場(chǎng)景引入全新額空口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并使用NB-loT以及eMTC這兩種不同的技術(shù)，滿(mǎn)足5G物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的相關(guān)需求，但是需要確保NB-loT以及eMTC這兩種技術(shù)可以和5G物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有足夠的兼容性。針對(duì)這些情況可以看出，5G物聯(lián)網(wǎng)大連接場(chǎng)景仍將由NB-IoT和eMTC 2種技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足，而按前面分析eMTC技術(shù)在國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商基本沒(méi)有部署，所以目前中國(guó)聯(lián)通仍需積極解決NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋問(wèn)題并推廣相關(guān)業(yè)務(wù)，既可為未來(lái)新的5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)保留更多商業(yè)機(jī)會(huì)，也可探索更多適合mMTC類(lèi)業(yè)務(wù)的商業(yè)模式[7]。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)

3.2 引入NR-Light新技術(shù)

在我國(guó)5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中，由于eMBB主要針對(duì)4K、8K、VR以及AR等寬帶應(yīng)用，隨著5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，很容易導(dǎo)致URLLC接收到的5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)具有嚴(yán)重的延遲情況[8]。而mMTC主要針對(duì)于那些低延時(shí)速率的大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)連接，這也導(dǎo)致URLLC向著“高端”物聯(lián)網(wǎng)的方向發(fā)展。基于此，引入NR-Light技術(shù)，既能保證一定的中高速率，同時(shí)又能滿(mǎn)足相關(guān)設(shè)備對(duì)5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的使用需求。

3.3 利用5G邊緣云構(gòu)建端邊協(xié)同型物聯(lián)網(wǎng)

在5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的主流技術(shù)中，借助邊緣云技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集和其他功能的遷移[9]。在利用5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行邊緣云傳輸處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)據(jù)的傳輸，有利于更好地實(shí)現(xiàn)與終端本地處理的一致性[10]。

4 結(jié) 論

在5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)主流技術(shù)方案及演進(jìn)研究中，物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)也在不斷發(fā)生新舊更替。本文結(jié)合3GPP等不同的技術(shù)對(duì)5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)主流技術(shù)的發(fā)展提出不同的想法和建議，從而加速移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)升級(jí)，并引領(lǐng)我國(guó)進(jìn)入到全民應(yīng)用時(shí)代。