面向5G的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術與應用研究

【摘要】? ? 隨著5G技術的發(fā)展， 5G三大應用場景與各行各業(yè)的深度融合加速了物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的發(fā)展進程。文章介紹了蜂窩物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的主要需求與分類，研究了各類蜂窩物聯(lián)網(wǎng)業(yè)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(lián)網(wǎng)應用研究具有一定指導意義。

【關鍵字】? ? 5G物聯(lián)網(wǎng)? ? NB-IoT/eMTC? ? mMTC? ? uRLLC

一、概述

萬物互聯(lián)是繼移動互聯(lián)網(wǎng)后的又一個時代浪潮，而5G與各行各業(yè)的深度融合無疑會加速萬物互聯(lián)的進度。蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（ Cellular IoT）是以蜂窩移動網(wǎng)絡為主要接入手段的物聯(lián)網(wǎng)，利用蜂窩網(wǎng)絡實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)終端與網(wǎng)絡的連接，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)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(lián)網(wǎng)（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(xiàn)產(chǎn)業(yè)跨領域發(fā)展和產(chǎn)業(yè)融合。其中mMTC與uRLLC二大場景和物聯(lián)網(wǎng)強相關，是物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的核心要求，也是5G拓展物聯(lián)網(wǎng)的核心場景，完美解決了物聯(lián)網(wǎng)及其相關垂直應用的問題。5G的商業(yè)化引領蜂窩物聯(lián)網(wǎng)新一輪發(fā)展與技術創(chuàng)新。

二、蜂窩物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務需求與分類

目前蜂窩物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務根據(jù)速率、時延及可靠性等要求主要分為三大類，各類業(yè)務特征、業(yè)務占比、可用技術和典型應用如下。

2.1低速率、廣連接業(yè)務

該類業(yè)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(shù)據(jù)信息的遠程自動采集業(yè)務，典型的業(yè)務代表有智能抄表及智慧城市相關應用。此類業(yè)務終端只需要在上報數(shù)據(jù)時才會通過移動網(wǎng)絡連接位于Internet內(nèi)的遠程后臺，每天連接次數(shù)很少，業(yè)務速率小于100kbps。

2.2中等需求類業(yè)務

該類業(yè)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(yè)務，典型的業(yè)務有物流監(jiān)控、可穿戴設備等，此類業(yè)務終端在特定的時間段內(nèi)（如車輛行駛過程中）定期上報（如每間隔5分鐘）衛(wèi)星位置、車輛運行參數(shù)等數(shù)據(jù);同時不定時地接收后臺的立即定位、控制等遠程指令，業(yè)務速率小于10Mbps。

2.3高可靠性、低時延業(yè)務

該類業(yè)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(yè)務有車聯(lián)網(wǎng)、遠程醫(yī)療等，一般傳輸速率大于10Mbps。該類業(yè)務雖然占比最少，但具有極高價值，是5G及未來物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向。

前兩種業(yè)務占物聯(lián)網(wǎng)應用的 90%，屬于低功耗廣域網(wǎng)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(yè)務屬大帶寬、低時延和高可靠等其它業(yè)務，是5G NR場景中uRLLC重點發(fā)展業(yè)務。

三、蜂窩物聯(lián)網(wǎng)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(xiàn)上，二者各有側(cè)重，在應用場景上也有所差異，在業(yè)務上各有聚焦的特性化業(yè)務。二者均屬于 LPWA 網(wǎng)絡，針對物聯(lián)網(wǎng)覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗少等需求在物理層、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)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(xiàn)在以下幾個方面：

NB-IoT使用200kHz帶寬，支持100Kbps以下低速率數(shù)據(jù)，目前只支持頻分雙工，支持小區(qū)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(nèi)部署三種方式，適用于小數(shù)據(jù)量、低移動性、時延不敏感、終端數(shù)量大的窄帶物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務;NB-IoT 在覆蓋方面有更好的表現(xiàn)、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(shù)據(jù)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(nèi)部署兩種方式，適合中速率物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務;eMTC 在單用戶速率方面有更好的表現(xiàn)，容量更大，其網(wǎng)絡特性更適合對實時性、交互性有需求的業(yè)務，適合如可穿戴、健康監(jiān)測、智能家居等應用。

綜上所述，與NB-IoT相比，eMTC的優(yōu)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(yōu)勢在于成本、功耗、覆蓋、連接數(shù)、可靠性等方面，兩者在窄帶物聯(lián)網(wǎng)領域各具優(yōu)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(yè)，為構(gòu)建萬物互聯(lián)的智能社會，實現(xiàn)海量物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務提供強大動力。大規(guī)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(lián)網(wǎng)應用而設計的，是NB-IoT 和eMTC技術的未來發(fā)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(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)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(jié)數(shù)據(jù)包的上行鏈路平均延遲不超過10秒。

3.超長續(xù)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(wǎng)絡支持連接數(shù)量超千億。

mMTC是機器類數(shù)據(jù)通信，可以實現(xiàn)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(lián)網(wǎng)場景，主要應用于5G以前的移動通信網(wǎng)絡無法滿足的物聯(lián)網(wǎng)及垂直行業(yè)，包括智慧城市、智能交通、環(huán)境監(jiān)測、智能家居等需要傳感、采集和處理海量數(shù)據(jù)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(xiàn)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(yè)的車聯(lián)網(wǎng)、AR/VR、工業(yè)精確控制、無人機遠程監(jiān)測、交通安全和控制、遠程手術、急救人員跟蹤等行業(yè)。不同于常規(guī)的公網(wǎng)業(yè)務傳輸，為了增強最終用戶的業(yè)務感知和實現(xiàn)實時無線控制，上述應用場景對于業(yè)務傳輸?shù)臅r延和可靠性具有更高需求，網(wǎng)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(wǎng)絡時延，無線側(cè)采用基于更短時長的傳輸、免調(diào)度傳輸和搶占傳輸?shù)燃夹g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(diào)度以降低空口數(shù)據(jù)傳輸時延;免授權(quán)調(diào)度傳輸包括無需下行控制信息（DCI）激活的免調(diào)度傳輸和上下行優(yōu)先搶占空口資源的高優(yōu)先級uRLLC業(yè)務傳輸?shù)汝P鍵技術;搶占傳輸是指基站將eMBB業(yè)務的資源同時分配給URLLC業(yè)務，為保證uRLLC業(yè)務性能，uRLLC業(yè)務通過打孔方式搶占eMBB業(yè)務資源以降低時延，并同時保證eMBB業(yè)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(diào)制階數(shù)的方式提高傳輸成功率，從而增強可靠性。業(yè)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(diào)制編碼方案：支持MCS最低π/2 BPSK、最高限制為64QAM的調(diào)制;增加信道編碼冗余以降低數(shù)據(jù)碼率提升傳輸可靠性。

（2）數(shù)據(jù)重復傳輸： 在時延允許條件下，采用重傳機制，支持業(yè)務數(shù)據(jù)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(yè)務可靠性，并進一步減小傳輸時延。

四、5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術

4.1 5G網(wǎng)絡切片

為應對物聯(lián)網(wǎng)多樣化的應用需求和保證用戶更好的體驗質(zhì)量（QoE），5G網(wǎng)絡根據(jù)不同業(yè)務類型的特點，利用網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）和軟件定義網(wǎng)絡（SDN）技術將基于軟件的網(wǎng)絡功能與底層基礎設施資源分離，將單一物理網(wǎng)絡在公共共享基礎設施之上構(gòu)建多個網(wǎng)絡特性不同、完全解耦的端到端虛擬網(wǎng)絡，即將網(wǎng)絡資源進行切片，為典型的業(yè)務場景分配獨立的切片，在切片內(nèi)針對業(yè)務需求設計增強的網(wǎng)絡架構(gòu)，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(xiàn)一網(wǎng)多用，也提高了網(wǎng)絡資源利用率。網(wǎng)絡切片是5G網(wǎng)絡的重要特征和最基本的能力，是滿足獨立組網(wǎng)和差異化業(yè)務需求的關鍵。

4.2 5G MEC

為了支持延遲敏感型業(yè)務實現(xiàn)卓越的性能和體驗質(zhì)量，5G 系統(tǒng)架構(gòu)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(xiàn)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(wǎng)內(nèi)遷移到移動接入網(wǎng)邊緣，實現(xiàn)了將計算、存儲等能力下沉至更接近用戶業(yè)務的位置，可以將物聯(lián)網(wǎng)終端除通信與數(shù)據(jù)采集功能外的其他功能轉(zhuǎn)移到邊緣云平臺實現(xiàn)，有效服務于對時延要求特別高的業(yè)務類型（如車聯(lián)網(wǎng)和遠程控制等）以及對計算能力要求特別高的業(yè)務類型（如視頻監(jiān)控與分析等）。如uRLLC場景的無人駕駛業(yè)務，要求無線網(wǎng)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(yè)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(xiàn)超可靠低時延，保證了無人駕駛使用安全。

五、結(jié)束語

5G為物聯(lián)網(wǎng)而生，其中的mMTC和uRLLA是物聯(lián)網(wǎng)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(jié)合5G網(wǎng)絡切片和MEC等核心技術，滿足了物聯(lián)網(wǎng)各類業(yè)務性能。5G將促進社會各領域深度融合發(fā)展，從to C到to B，實現(xiàn)萬物感知、萬物互聯(lián)、萬物智能，開創(chuàng)改變?nèi)祟惿鐣男聲r代。

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作者簡介

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

參? 考? 文? 獻

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

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