何种技术来实现万物互联呢?

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物联网的5G方案

2018年上半年第三代合作伙伴计划(3GPP)向国际电信联盟(ITU)提交NB-IoT和LTE-M技术作为物联网在5G时代的候选方案,以满足IMT-2020中描述的5G LPWAN要求。

3GPP承诺LPWAN将继续仅通过演进LTE-M和NB-IoT作为5G规范过程的一部分,并且3GPP同意不会为5G研究新的LPWAN解决方案。而且大多数NB-IoT和LTE-M设备的固件都可以升级以支持5G,这几乎可以说我们已经跨入了5G的大门。

 

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NB-IoT和LTE-M都是为物联网应用开发的两种LPWAN技术,都是用于低带宽蜂窝通信的协议,专为需要传输少量数据的物联网设备设计的,具有较低成本和较长时间的电池寿命。

值得注意的是NB-IoT和LTE-M都是4G技术,最初设计NB-IoT和LTE-M时确保了它们可以在LTE系统内进行带内操作,并且可以共享LTE频谱,对于5G NR也是如此。未来会使NB-IoT和LTE-M可以在5G中进行带内操作或共存。这为NB-IoT和LTE-M提供了对5G的向前兼容性。

物联网对网络的需求

NB-IoT与LTE-M的出现并非偶然,并且在这之前也有其他的针对物联网的解决方案。LPWAN的兴起主要是由于物联网的普及,但像LTE之类的传统蜂窝网络解决方案通常消耗太多功率。此外,它们不适合不经常传输数据且传输数据量较少的应用。例如读取水位、气体消耗或电力使用的仪表。

物联网需要一个能够提供低功耗和覆盖广的解决方案。一般需要满足以下四点:

  1. 技术成本低,支持更广泛的部署并提高应用程序的投资回报率
  2. 低功耗,电池的使用寿命需要很长
  3. 覆盖范围广,可以连接到地下、建筑物内和农村环境中的设备
  4. 高连接容量,今后将会有大量的物联网设备接入物联网,这无疑会是个巨大的负荷


万物互连,所有的“物”都连到互联网,都成为互联网世界的一个分子,在互联网世界里,人和物是同等的。有句经典,“在互联网世界里,没有人知道你是一条狗”。所以万物互连,是真需求,是一个美好的愿望。

物联网的技术,包含两部分:传感器技术和通信技术。

传感器技术是物联网的关键基础,是把物理世界的“物”,转换为数字世界中可辨认的数字化“物理量”,比如温度传感器、陀螺仪、指压传感器等等,这是物联网的核心基础。如果无法描述和转换物理世界的“物”,物联网无从可谈,有了万物的传感器,才可能有万物互连。

物联网的通信技术包括有线通信和无线通信。有线物联网大家都知道的,如电话线、五类网线、电力线PLC、同轴电缆,这里无需多说。而无线物联网,则再分为蜂窝物联网和局域物联网。蜂窝物联网可包括GPRS、CDMA 1X、NB-IOT、eMTC、LoRa、5G等,主要是指通过蜂窝通信提供物联网的传输需求,覆盖广和移动需求,可以是公众通信网(三大运营商的网络),也可以是专网(电力、公安、油田等),也包括企业自建的Lora网络(LPWAN)。而局域物联网,包括很多短距无线通信技术,比如WIFI、蓝牙、zigbee等,这些技术在现有的局域物联网中使用很多,如果从连接终端数来统计的话,局域物联网相比蜂窝物联网,规模大很多很多。

何种技术来实现万物互联呢?

物联网的世界非常多姿多彩,个性化需求很多,万物互连应该是有由蜂窝网技术和局域网技术共同完成。4G和5G只是属于蜂窝物联网的一种,并不是全部,从经济性和安全性,万物互连不能单独由4G和5G承担。

那么为何说5G技术支持万物互连呢?是的,蜂窝移动通信,原本就是满足人和人的通信,容量、覆盖、质量、速度是非常关键的,也是相互制约的要素(很难做到既要高速上网,又要大海量用户)。

从GSM和CDMA开始,到现在的5G,在覆盖和容量上不断快速发展,原来一个基站只支持几百个用户同时打电话,到现在一个4G基站支持200~300用户同时高速上网,技术发展确实是惊人的。到了物联网阶段,一个基站要服务几万个物联网终端,就是所谓的海量连接,需要用到各种技术来满足。但是要知道,容量和速度是制约的,要支持5万个物联网(不是真正的同时时间传输数据),每个物联网终端发送数据量和时间都很少,比如一个抄表终端,一天24小时,只在1分中内传输1000个Byte字节大小的数据,然后23小时59分都在睡觉,明白了吗?又比如如果在体育场里有足球比赛,1万名观众拿着手机看4K视频,这个场景下目前的5G技术是无法实现的,那是天方夜谭——你不信?脑补一下。

5G是由3GPP标准化组织制定的技术标准,主要针对运营商的蜂窝网络,并非某个国家拥有(顺便普及一下,WIFI是有IEEE标准组织制定的,也不是某个国家拥有)。5G的三大特点,eMBB、uRLLC和mMTC,是一个良好的设计方案,但大部分技术提升不是针对手机用户,而是蜂窝物联网用户,每平方公里提供100万个终端的接入,即海量连接,是蜂窝物联网技术发展的一个突破。但只是移动运营商利用蜂窝移动通信技术,来满足“万物互连”的一个技术方案,或一种愿望。

物联网的特点就是个性化非常明显,并不是每个物联网应用都需要超低时延,或者低功耗,或者全覆盖。一个简单的例子,智能家居,把家庭的所有电器、门锁、照明、马桶都“万物互连”起来,4G、5G蜂窝物联网是最好的方案吗?不见得,5G的技术优势没用上,不需要超高速上网、低时延、低功耗,那智能家居需要什么呢?需要良好的无线信号覆盖、友好方便的用户交互、资费便宜甚至免费,这些光纤宽带+WIFI技术已经完全满足了。

试想一下,如果用5G实现智能家居,可能会出现:卫生间信号不好,智能马桶冲不能冲水;欠费停机,智能门锁就开不了;白天可以看4K高清视频,晚上就只能看标清视频(5G无线容量都是整个基站的所有用户共享的,没办法承诺单个用户的上网速率的)。但用PLC turbo + mesh wifi 技术,可以解决无死角信号覆盖,永远不会欠费,也不会和邻居争抢无线频率资源。

除了智能家居,很多封闭场景下,使用局域物联网技术更加合适,比如广州宜家商场,全封闭环境下使用ibeacon蓝牙定位服务,这些不一定非要用5G的物联网场景。当然,确实有些低时延、大覆盖的场景,需要使用蜂窝物联网技术才能解决,比如车联网。

物联网方案的发展


Cat-1
Cat-1代表了使用现有LTE网络连接物联网设备的早期推动力。虽然性能不如3G网络,但他是需要浏览器界面或语音功能的物联网应用的绝佳选择。重要的是它已经标准化并且物联网很容易过渡到Cat-1网络。


Cat-0
Cat-1之后有了Cat-0。相对于Cat-1,它优化了成本,消除了Cat-1支持的高数据要求的功能,放弃了对MIMO的支持,简化为半双工,峰值速率降低为1Mbit/s,终端复杂度降低为普通LTE终端的40%。

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LTE-M通常被视为物联网应用而构建的第二代LTE芯片。他完成了Cat-0最初设想的低成本和低功耗。通过将最大系统带宽限制在1.4MHz,而不是Cat-0的20MHz。Cat-M相对于其他方案的真正优势在于Cat-M与现有的LTE网络兼容。对于运营商来说,这是一个好消息,因为他们不需要花钱来建造新的天线,尽管Cat-M与LTE网络相连需要一个软件补丁。


NB-IoT/Cat-M2
NB-IoT的目的类似于Cat-M,但是它使用DSSS调制而不是LTE无线电。因此NB-IoT不在LTE频段中运行,这意味着供应商前期部署NB-IoT的成本会更高。尽管如此NB-IoT被吹捧为可能更便宜的选择,因为它消除了对网关的需求。其他方案的基础设施通常具有聚合传感器数据的网关,然后网关与主服务器通信。但是,使用NB-IoT,传感器数据将直接发送到主服务器。


NB-IoT与LTE-M的优劣
LTE-M和NB-IoT都属于M2M通信的类别,也称MTC(机器类型通信)。并且两者都是专门为长时间传输少量数据的物联网设备而设计优化的。两者都有特定的应用场景。

LTE-M
LTE-M的设备复杂度更低,支持大规模的连接密度、低设备功耗、低延迟并提供广阔的覆盖范围,同时允许服复用LTE的基础设施。

对于任务关键型的应用,LTE-M是唯一的选择,它支持需要实时通信的设备,以确保应用程序满足用户体验要求。LTE-M支持语音,并且LTE-M上行链路和下行链路速度高达1 Mbps,远远超过NB-IOT。

尽管LTE-M技术支持语音,但每个网络运营商都要决定是否在LTE-M技术支持语音。其次在扩展覆盖面的情况下,语音根本无法用于LTE-M,仅在标准覆盖区域中支持语音。

 

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NB-IoT
NB-IOT是为了实现大规模分布式设备的高效通信和长电池寿命的方案,使用移动互联网来连接这些事物。NB-IoT的特点是改善室内覆盖(拥有更强的穿透力),支持大量低吞吐量设备,低延迟灵敏度,超低设备成本,低设备功耗和优化的网络架构。

 

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在医疗保健领域,许多患者监测设备仅需要记录并将患者病情的少量数据传输到医院。在农业方面,需要传输的天气或土壤状况数据量很少,而对于智慧城市,传感器检测城市垃圾箱的充满程度或空气污染程度对数据量的要求也不高。这时NB-IoT会是更好的选择。

 

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物联网涵盖了广泛的应用。对于实时监控,你可能需要高带宽。对于资产跟踪,数据吞吐量很小,但随着对象的移动,不可避免地会有很多切换。智能电表和许多智能城市用例需要每天一次或两次小型数据传输。这意味着没有一种技术可以满足物联网设备的特定需求。

正在路上的物联网

3G UMTS和4G LTE技术使用不同的核心网络,这会产生额外的复杂性和成本,运营商也需要弃用3G技术以进入单核心网络。同样的问题不会出现在5G核心网络,它可以连接到5G NR以及5G LTE。

为了确保LTE-M和NB-IoT的类似兼容性,3GPP正在研究允许NB-IoT和LTE-M连接到5G核心网络的机制。这将使未来的5G系统能够使用相同的核心网络支持LTE、NR、NB-IoT和LTE-M。

NB-IoT和LTE-M刚刚起步。在接下来的几年中,这些低功耗蜂窝网络将为大量新应用打开大门,连接数十亿需要远程连接并延长电池寿命的设备。

物联网的世界非常多姿多彩,个性化需求很多,万物互连应该是有由蜂窝网技术和局域网技术共同完成。4G和5G只是属于蜂窝物联网的一种,并不是全部,从经济性和安全性,万物互连不能单独由4G和5G承担。

万物互连是真需求,但5G不是唯一方案,泛在无线百花齐放。

为满足“万物互连”的需求,5G技术实现海量连接,是由运营商主推的使用蜂窝物联网方案,利用蜂窝技术来实现海量连接,确实是3GPP组织对人类的重要贡献。但从上面分析可以看出,满足“万物互连”不一非得使用5G蜂窝物联网,而是各种有线无线技术轮番上场,各展身手,这就是传说中的泛在网,或者泛在无线通信(5G本身只是泛在无线的一种方式而已)。在物联网时代,众多泛在无线通信技术百花齐放,与5G一并起舞。

最近几天,网上广泛流传了项立刚老师关于5G技术业务的视频,项老师在其中提到2025年中国的物联网终端数(连接数)达到100亿,这是非常可能的,但是否都用5G或蜂窝技术来实现,各位看官看了上面的分析,心里自有答案了。

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