无线蜂窝物联网

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  【摘 要】随着无线通讯发展速度,全球无线通讯,发展得如火如荼,人们对于行动通讯、影音传输或终端应用的需求日与俱增,所到之处网络无所不在,因此即便4G还再持续扩展布建时, 5G的时代已经到来,无线蜂窝物联网的发展已成为必然趋势。
  【关键词】5G;物联网
  Wireless cellular internet of things
  Zhao Bo,Xu Zhao-lei
  (Tianyuan Ruixin Communication Technology Co., Ltd Xi'an Shanxi 710000)
  【Abstract】With the rapid development of wireless communication, global wireless communication has been in full swing. People's demand for mobile communication, audio and video transmission or terminal applications has increased day by day. The network is everywhere, so even if 4G continues to expand, The era of 5G has arrived, and the development of wireless cellular Internet of Things has become an inevitable trend.
  【Key words】5G;Internet of Things
  1. 引言
  现如今移动通信正在从人和人的连接,向人与物以及物与物的连接迈进,万物互联是必然趋势。然而当前的4G网络在物与物连接上能力不足。事实上,相比蓝牙、 ZigBee等短距离通信技术,移动蜂窝网络具备广覆盖、可移动以及大连接数等特性,能够带来更加丰富的应用场景,理应成为物联网的主要连接技术。作为LTE的演进型技术,4.5G除了具有高达
  1Gbps的峰值速率,还意味着基于蜂窝物联网的更多连接数,支持海量M2M连接以及更低
  时延,将助推高清视频、 VOLTE以及物联网等应用快速普及。蜂窝物联网正在开启一个前所未有的广阔市场。对于电信运营商而言,车联网、智慧医疗、智能家居等物联网应用将产生海量连接远远超过人与人之间的通信需求。
  2. 蜂窝物联网概述及发展
  物联网是新一代信息技术的重要组成部分,也是“信息化”时代的重要发展阶段。物联网就是物物相连的互联网,这有两层意思:其一,物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络:其二,其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间,进行信息交换和通信,也就是物物相息。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术,广泛应用于网络的融合中,也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。所谓蜂窝物联网,就是蜂窝移动通信网+物联网相结合的发展产物,为物与物之间的通信提供更好的网络覆盖,支持更多联接,以及更低的终端功耗,从而满足行业,公共,个人,家庭等领域的应用,例如水电燃气的抄表,市政的路灯和垃圾管理,畜牧养殖灌溉,以及环境监测等等(见图1)。
  3. 无线蜂窝物联网的关键技术
  为了适应物联网应用需求的发展,3GPP、EISI等国际标准组织加快通信系统标准的制定和前沿技术研究,满足运营商的商用需求。基于蜂窝络的物联网关键技术研究按照应用场景,可以划分为两大类。一类为满足低速、大连接、广覆盖要求的窄带蜂窝网络技术及增强方案;另一类为满足高速、低时延、大连接、广覆盖要求的宽带蜂窝网络技术及增强方案。第一类窄带技术方案,针对速率为100~200bit/s的M2M业务,满足大连接和覆盖能力等特殊要求;第二类宽带技术方案,主要是基于3G/4G技术方案增强功能,在满足基本速率为1Mbit/s M2M业务要求的同时,满足M2M连接数量和覆盖等特殊要求。
  3.1 窄带M2M关键技术及解决方案。
  3.1.1 窄带M2M关键技术指标。
  3.1.1.1 窄带M2M解决方案主要支持1T1R的M2M終端,在网络架构设计方面要满足重用现有核心网架构,降低终端能耗;支持短消息业务、IP業务;能够支持终端自动小区选择/重选的移动性功能;能够复用Gb接口或S1接口方案。
  3.1.1.2 窄带M2M解决方案,支持的典型部署场景要求如表1:
  3.1.1.3 下行链路预算指标为:Lmax=Px-(Pd+Rj)+Gj (1)
  式中:Lmax为最大耦合损耗(MCL),Px为发射功率,Pd为等效噪声功率,Rj为目标接受噪音比,Gj为接收机处理增益。
  Pd=Md+Nj+Mg+10lgWx (2)
  式中:Md为底噪功率谱密度, Nj为接收机噪声系数, Mg为干扰余量, Wx为下行接受带宽。
  3.1.1.4 根据经验参数,经计算得出GPRS下行链路的最大耦合损耗为149.0dB。为了满足静止和低速场景的M2M下行覆盖指标,窄带M2M解决方案需要满足下行最大耦合损耗169.0dB的覆盖要求。上述为最大链路损耗的理论计算值,根据链路级仿真结果,最大耦合损耗取值定义为164dB。
  上行链路预算指标为:Lmax=Ps-(Pd+Rt)+Gj(3)
  式中:Ps为上行发射功率,Rt为目标信噪比。
  Ps=Md+Nj+Mg+10lgWs (4)   式中:Ws为上行接受带宽。
  3.1.1.5 根据经验参数,经计算得出GPRS上行链路的最大耦合损耗为144.0dB。对于上行链路场景,由于受终端发射功率的限制,需要考虑其他技术手段以提高信号的接收质量。
  3.1.2 窄带M2M候选技术解决方案。
  3.1.2.1 窄带M2M候选技术解决方案按照系统演进可以分为2类。第一类为基于GSM系统演进的方案,即GSM覆盖扩展方案,如EC-GSM;另一类为新定义的空口解决方案,如NB-M2M解决方案、NB- OFDMA解决方案。
  3.1.2.2 GSM扩展覆盖方案(EC-GSM),基于现有GSM系统的物理信道,重用现有的物理层设计方案,可用2G系统的设备硬件,通过软件升级满足M2M业务要求。为了满足最大耦合损耗164dB要求,M2M终端必须采用多次重传、降低编码速率、低阶调制方式等技术手段以提高传输可靠性。重复传输的次数要根据M2M终端测试的覆盖等级确定。对于控制信道设计,编码和突发业务的映射采用全新设计方案,进一步减少载荷设计。综合考虑传输可靠性和传输效率,EC-GSM在上行和下行必选支持MCS 1-4的传输方案(采用GMSK调制方式),可选支持MCS 5-9(采用8PSK调制方式)。RLC层传输窗口缩小到16并减少进程数。为了实现节能效果,EC-GSM支持节能模式(PSM),需满足不同的数据包、报告间隔及对应的覆盖场景。
  3.1.2.3 窄带M2M解决方案(NB-M2M)采用全新的空口设计,工作带宽为200kHz(需要预留10%保护带),基于频分复用(FDM)的多址方案。NB-M2M解决方案实际使用180kHz带宽,下行物理信道被划分为12个子信道,每个信道使用15kHz;而上行物理信道划分36个子信道,每个信道使用5kH。在下行链路,NB-M2M支持π/2-BPSK、π/4-QPSK和16-QAM调整方式而上行链路支持π/2-BPSK、π/4-QPSK和π/8-8PSK调制方式。当信道条件较差时,采用降低调制方式、编码速率,并增加重复发送次数(下行最多8次重复发送,而上行最多为16次重复发送),可以满足最差覆盖条件(>170dB)的基本业务需求。
  3.1.2.4 窄带 OFDMA(NB-OFDMA)解决方案,上行链路采用单载波FDMA(SC-FDMA)方案,下行链路采用窄带 OFDMA接人方式。该方案复用LTE系统多址方案,在上下行都采用跳频技术。上行/下行链路使用180kHz,共划分为72个信道,每信道占用2.5kHz。下行鏈路支持BPSK、QPSK、160AM调制方式,而上行链路支持BPSK、(2,2)TPSK、QPSK调制方式。为了适应目标传输速率,上下行物理共享信道采用一个或多个子信道捆绑传输,根据信道质量确定传输时隙长度、编码速率、调制方式、重复次数的组合方案,从而满足M2M业务典型环境下的目标传输速率。由于该方案仍处于标准讨论阶段,方案设计尚不完善,终端工作时长预计与NB-M2M性能相当。根据最新3GPP标准进展,NB-M2M和NB-OFDMA方案可能会融合为一个技术解决方案,上行链路可能会采用NB-M2M上行传输方案,下行链路可能会采用NB-OFDMA下行传输方案,从而实现多种技术方案的融合。
  3.2 基于3G/4G的宽带增强技术方案。
  3.2.1 3G增强技术方案。
  3GPP针对3C网络M2M业务需求,从R10版本起,针对核心网过载的拥塞机制,进行了多项针对性研究,主要对核心网 eWaitTime参数进行扩展及优化,降低核心网信令负荷,以支持更多的M2M连接数量。
  3.2.2 4G MTC技术解决方案。
  3.2.2.1 LTE MTC技术方案基于现有LTE网络承载多种类型终端,包括LTE M2M终端,以满足LTE M2M终端(AA电池供电)功耗超过10年,传输速率达到1 Mbit/s的低成本、广覆盖等要求的技术解决方案。从R12版本起,3GPP定义了新终端类型(Cate 0)以支持M2M业务需要,并在R13版本对MTC功能进一步增强。R13 Cate 0终端成本比Cate 1终端成本下降75%~80%,并能实现与现有LTE终端的共存。
  3.2.2.2 在R12版本引入节电模式(PSM)功能,对于下行不敏感时延类业务,满足终端耗电10年以上的要求。在节电模式状态下, LTE MTC终端不需要保持空口监听,网络侧会保持终端在线状态从而减少连接建立与释放等相关流程的信令开销。为了延长终端电池时长,R13版本对增强型DRX(eDRX)功能进行了标准化讨论。与QoS特性相关的功能,将继续在R13版本中开展标准研究,重点关注接入承载增强、接入控制、多种QoS等级、业务特定的DRX和调度功能,支持300Km/h高速场景等需求。除了上述空口功能,3GPP也对用户隐私、鉴权、数据保密和完整性、移动设备识别等功能进行了标准化,保证 LTE MTC的可靠性和安全。
  4. 蜂窝物联网未来趋势
  4.1 与新兴企业的结合力度逐渐加大。
  随着物联网技术的不断完善和物联网产品的逐渐增加,物联网的发展潜力在逐渐扩大,并逐渐发展成为能够推动经济发展的重要生产力。创新是现阶段物联网技术发展的核心观念并且创新模式的变化有利于创新工作的开展,进而能扩大物联网发展的潜力和市场。新型企业的兴起体现了创新思维和理念,物联网和新型企业的结合有利于物联网向创新方向发展,并且有利于物联网在发展过程中不断的实现用户体验创新和发展。
  4.2 向商业化方向发展。
  市场需求、物联网建设成本、物联网发展的标准、物联网技术的成熟程度、物联网商业模式的完善程度都是影响物联网发展的相关因素,这些因素推动了物联网发展逐渐向商业化方向发展。并且,物联网需求市场逐渐智能化,这令物联网发展产生了强大的推动力,再加上各项物联网建设标准也在逐渐成熟,各项物联网推广技术也在逐渐成熟,这加快了物联网向更加专业和标准的方向发展,并推动了物联网的商业化进程。   4.3 针对性较强的行业将得到持续发展。
  行业应用仍然是物联网发展的基本方向,在未来新型的经济形势下,针对性较强的行业将得到良好的发展,例如服务业。由此可见,物联网的发展能够提高服务行业等针对性较强行业的持续发展,并且未来众多企业都会将物联网效率提高,并通过信息转换等方式切实提高企业的经济效益和建设速度。
  5. 结束语
  业务需求和技术发展驱动着蜂窝物联网技术不断向前演进。一方面,蜂窝物联网技术继续向低功耗广覆盖技术演进;另一方面,向低时延高可靠业务特征的技术演进,如未舌来的LTE-V及5G物联网技术等。多条技术路线的演进促进物联网业务蓬勃发展,为未来人类提供更加便捷、高效的生活方式和服务。玉林联通也将乗承开放的姿态,与各产业链伙伴积极合作,共同开拓物联网产业新空间,在创新中发展,接共享万物互联的新时代。本文简要描述了蜂窝物联网的发展、相关技术及未来发展趋势,望对初识者有一个系统简单的了解。
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