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移动蜂窝物联网演进方案研究


作者:邢宇龙 张力方 胡 云 来源:公众号/ 5G 2017-07-20 16:42:22
摘要:物联网应用中,低速率业务占比超过了50%。以NB-IoT和LTE-eMTC为代表的低功耗广域蜂窝技术在低功耗、广覆盖业务中扮演着重要角色。对物联网通信技术的分类和演进路线进行了阐述,介绍了NB-IoT和LTE-eMTC这两种典型的蜂窝通信技术的标准进展,最后给出了中国联通物联网的演进策略和蜂窝物联网的部署方案。

  一 引言

  IoT的概念自1999年被学者提出以来,得到了世界各国科研界和产业界的广泛关注,是继计算机、互联网和移动通信网之后世界信息产业发展的第3次浪潮。进入新世纪后,物联网得到了快速发展,产业界更是提出了万物互联的设想,越来越多的物体将被连接到互联网,并最终实现到主控端、云端的连接。

  据IDC预测,到2020年,全球物联网连接将达到300亿;到2025年,全球物联网连接将达到700亿。巨量的物联网连接需求,对IoT的网络接入能力提出了更高的要求。目前的物联网业务以短距接入为主,占到市场一半以上的份额。随着低功耗广域(LPWA)技术的落地,将在部分场景中代替传统的短距接入技术。GSMA报告显示,2020年蜂窝物联网连接数将达到30亿,以NB-IoT和LTE-eMTC等为代表的广域蜂窝物联网接入技术由于采用授权频谱,具有干扰小、可靠性高等优势,将承接大量物联网接入业务。

  本文首先介绍物联网技术的演进方向,包括物联网接入技术的分类、演进、技术业务适应性以及NB-IoT和LTE-eMTC技术的标准化进程。然后从物联网演进架构、演进方案2个方面介绍中国联通物联网演进策略。最后给出中国联通蜂窝物联网部署方案,并对蜂窝物联网技术演进进行了总结。

  二 物联网技术演进

  1、物联网接入技术分类

  物联网无线接入技术种类众多,包括Zigbee、Wi-Fi、蓝牙、Z-wave等短距和长距无线通信技术。长距无线技术分为2类,包括工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术和工作于授权频谱下传统的2G/3G/4G蜂窝技术及其3GPP支持的LTE演进技术,如LTE eMTC、NB-IoT等。受业界青睐的LPWA既包括广域非授权频谱技术LoRa和Sigfox,也包括授权频谱的LTE-eMTC和NB-IoT等。

  物联网接入技术分类如图1所示。

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图1 物联网接入技术分类

  2、物联网接入技术演进

  物联网接入技术整体演进方向如图2所示。

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图2 物联网接入技术演进方向

  传统蜂窝网络演进方向为:

  a)大带宽、高速率应用场景。

  b)低时延、高可靠应用场景。

  c)低功耗大连接场景,代表技术有NB-IoT和LTE-eMTC等。

  短距接入技术朝着低功耗广覆盖方向演进,代表技术为802.11ah。

  新兴非授权频谱广域技术包括LoRa和Sigfox等。上述演进方向包含一个共振点,即LPWA。NBIoT、LTE-eMTC等蜂窝物联网技术最受全球运营商的青睐,已经成为运营商开展物联网业务的最佳切入点。

  3、物联网技术及业务适应性

  物联网业务多种多样,既有大带宽高速率业务应用,也有诸如抄表、农田环境监测等低功耗、大连接应用。针对差异化业务应用,出现了与之适应的物联网接入技术。如图2所示,针对无人驾驶等高可靠、超低时延业务,需要采用LTE 面向大带宽高速率演进的LTE-V等技术;对诸如视频监控、智能医疗等高QoS应用场景,仍需要传统3G/4G网络来承载;图2中金字塔下2层业务对终端成本和功耗敏感,需要用LPWA来承载。在LPWA中,运营商擅长的LTE-eMTC和NB-IoT在应用场景方面既有差异也有互补。LTE-eMTC可支持中低速率应用及LPWA业务,支持语音及移动性,适合如可穿戴、智能建筑、智能家居等应用;NB-IoT支持超低速率LPWA业务,极致深度覆盖,覆盖增强方面比eMTC多5 dB以上,更适合环境较为恶劣、多阻挡和屏蔽的远程抄表、城市公共设备监测等应用。

  4、标准化进展

  由于市场对物联网业务需求急迫,各运营商、设备厂商、芯片厂商纷纷积极推进窄带蜂窝物联网的标准化工作。

  NB-IoT 标准化进展(见图3):从2014年5月起,NB-IoT 经历了多次融合和更替。2016 年6 月16 日3GPP RAN 全会第72 次会议上,NB-IoT核心协议在RAN1、RAN2、RAN3 和RAN4 4个工作组均完成冻结。在R13标准中,NB作为一个全新标准的技术,其空口技术相比LTE进行了重新设计:180 kHz窄带系统和上行3.75 kHz的子载波间隔能有效提高网络覆盖,从而满足至少比GSM高20 dB以上的链路预算设计目标;UE仅支持半双工,且增加了PSM和eDRX功能,能有效降低终端功耗,节约终端成本。

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图3 NB-IoT标准化进展

  3GPP R14新增定位功能、SC-P2M下行广播功能、非连接态移动性增强功能,可以满足更多场景需要,提高网络可靠性。

  LTE-eMTC 标准化进展(见图4):为了满足MTC更低传输速率及更低功耗的需求,3GPP R12新增Cat0的UE传输等级,UE工作带宽为20 MHz,支持半双工,最大发射功率为23 dBm;3GPP R13的eMTC进一步简化终端功能,UE工作带宽为1.4 MHz,支持半双工,UE可使用更低发射功率20 dBm;3GPP R14阶段也将新增定位功能、SC-P2M 下行广播功能、异频测量功能等。LTE eMTC 相比NB-IoT能够提供更高的传输速率,拥有更丰富的应用场景,但受限于产业链,整体比NB要慢半年左右。

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  图4 LTE-eMTC标准化进展

  三 中国联通物联网演进策略

  1、中国联通物联网演进架构

  中国联通物联网总体策略聚焦“规模拓展物联网业务新空间”战略,将中国联通打造成为管道提供商、产业整合商和服务提供商。演进架构分为“云、管、端”模式,如图5所示。5G微信公众平台(ID:angmobile)了解到,作者进一步指出,“云”为物联网平台及各行业应用平台,包括垂直行业应用平台和物联网管理及使能平台。通过实施平台基础能力建设,打造以平台为核心的业务拓展样板工程,探索运营商物联网业务的商业闭环。“管”指管道化能力建设。通过引入LTEeMTC、NB-IoT等窄带物联网技术实现对网络规模覆盖。同时,通过推进虚拟化核心网建设,实现“人网”和“物网”分离。“端”为物联网终端。结合行业应用及业务需求,持续推进双频终端产业链成熟,开展定制化模组、芯片、产品的研制与商用。

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图5 中国联通物联网演进总体架构

  2、中国联通网络演进方案

  物联网的总体演进方向将朝着软件化、标准化的方向发展,以适应网络快速迭代的要求。

  (1)近期:构建物联网专网

  如图6所示,本阶段以满足大连接物联网接入需求为目标,以NB-IoT、LTE-eMTC物联网接入技术引入为契机,推进物联网专网的构建,并尝试探索NFV技术的应用,实现2级结构部署。

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  图6 中国联通近期网络演进架构

  无线网:以当前LTE网络为基础,一方面持续推进LTE网络的演进,如CA、MIMO等,满足大带宽(如视频监控)物联网业务接入需求;另一方面基于当前UMTS/LTE网络,根据业务需求引入NB-IoT、LTE-eMTC技术,满足低功耗、大连接物联网接入需求。同时,在整体部署上,通过多模多频等技术,推进物联网与UMTS/LTE基站的共平台,满足未来网络演进需要。

  核心网:以NB-IoT等技术引入为契机,构建物联网专网,在原来独立接入(专用HSS、P-GW)基础上,进一步推进MME、S-GW等核心网网元的专用部署,同时,尝试NFV技术的引入。

  (2)中期:“人”、“物”分离专网

  如图7所示,本阶段以物联网专用核心网为基础,推进物联网接入与“人网”分离,并通过网元分布部署,满足物联网实时接入需求,实现多级结构部署

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  图7 中国联通中期网络演进架构

  无线网:以LTE网络为基础,在满足大连接物联网业务接入场景的基础上,尝试引入MEC等新的技术,推进实时物联网业务接入的需要。此外,在原来以接入技术为区分的基础上,推进以业务应用为区分,接入到物联网专网。

  核心网:以物联网专网为基础,一方面,推进整体专网H2H网上的物联网业务逐步减少,物联网专网承担起绝大部分的物联网业务,并推进整个物联网专网的虚拟化;另一方面,通过PGW下沉满足uMTC业务需求。

  (3)远期:按需融合物联网

  如图8所示,本阶段以虚拟化物联网专网为基础推进整个网络功能的重构,实现不同业务及行业应用的按需编排和接入。进一步地,在原来多级网络结构的基础上,实现多级DC的部署。

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  图8 中国联通远期网络演进架构

  四 中国联通蜂窝物联网部署方案

  1、频率迁移方案

  基于LTE演进的物联网技术NB-IoT、LTE-eMTC,其频率部署总体跟随LTE频谱使用情况进行选择。NB-IoT:根据现网实际部署情况,推进基于G900/U900/L1800网络演进部署。

  a)基于900 MHz演进部署建议。如图9所示,初期考虑现有G900/U900频率重耕,后续推进L900的演进部署,根据G/U业务发展情况,G/U退网,最终演进为N/L900。

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  图9 900 MHz演进部署方案

  b)基于1 800 MHz演进部署建议。如图10所示,1.8 GHz频段上NB-IoT的部署需兼顾GSM重耕以及LTE载波聚合部署。

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  图10 1 800 MHz演进部署方案

  LTE-eMTC:LTE-eMTC是基于LTE演进的低功耗广覆盖技术,其频率选择遵从现网LTE实际频率使用情况。

  2、无线设备升级方案

  NB-IoT:基于现网G900/U900/L1800设备升级支持N900,具体方案如表1所示。

  表1 NB-IoT无线设备升级方案

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  a)G900网络升级策略:新建NB-IoT基站并满足L900软件开通要求,需要新增NB-IoT基带处理模块、主控模块及RRU硬件设备,且需要进行软件升级。

  b)U900网络升级策略:支持NB-IoT的UL多模设备,需要新增基带处理模块及主控模块,并软件升级支持NB-IoT部署;否则,需要新建NB-IoT基站,满足软件升级至L900的能力。

  c)G/L1800网络升级策略:新增或升级NB-IoT基带处理模块、主控模块,RRU软件升级支持NB-IoT。LTE-eMTC:LTE-eMTC是基于LTE演进的低功耗广域覆盖技术,其无线设备可在现网LTE设备上直接升级支持物联网业务(见表2)。

  表2 LTE-eMTC无线设备升级方案

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  3、核心网部署方案

  物联网核心网向基于云化的NFV虚拟化架构演进已成为业界发展趋势。中国联通物联网核心网部署方案将采用共平台云化架构,集中部署NFV网元,可实现网络资源动态伸缩,统一调度,业务自动发放,实现网络平滑升级与扩容,最大利用硬件资源,降低投资成本。此外,在后续网络切片模式中,需要能够根据不同业务需求进行不同业务快速部署和灵活调度,甚至是跨运营商集成,都需要核心网具备云化架构。

  五 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。中国联通也将秉承开放的姿态,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,共享万物互联的新时代。。无线网络利用了IT技术打造出基于通信系统的开放云架构平台,较传统的基于专有处理系统的架构平台,可以帮助运营商降低硬件成本、提高资源利用率,能更好地支持未来新标准、新业务,同时支持能力开放的要求。

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