面向5G移動(dòng)通信的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析

霍晗，凌飛，王曉娟

中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司山西省分公司，山西太原，030006

0 引言

5G移動(dòng)通信領(lǐng)域的發(fā)展，需要各種技術(shù)的緊密配合、協(xié)調(diào)與支撐，與許多相關(guān)技術(shù)的完善、發(fā)展密不可分，而蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)便屬其一，它作為整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)當(dāng)中的重要構(gòu)成，憑借各種優(yōu)勢(shì)，受到社會(huì)的廣泛推崇。需指出的是，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）作為蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的代表，能把既往的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)作基礎(chǔ)，以此在物與物之間實(shí)現(xiàn)更寬泛的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，有助于成本的降低與運(yùn)作效能的提高；此外，它還能降低終端能耗，故可以較好地滿(mǎn)足社會(huì)多領(lǐng)域需要，如醫(yī)療保健、智慧交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)及智慧城市等[1]。

1 物聯(lián)網(wǎng)概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的基本定義

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際就是以現(xiàn)有或處于演進(jìn)狀態(tài)的信息通信技術(shù)（可互操作）為基礎(chǔ)，借助互聯(lián)物件（虛擬與物理），獲得先進(jìn)且實(shí)用化服務(wù)的一類(lèi)具有全球性特征的信息基礎(chǔ)設(shè)施[2]。在物聯(lián)網(wǎng)這一時(shí)代背景下，網(wǎng)絡(luò)能夠把我們身邊的各種設(shè)備、物品相連接，融為一體，以此為人們生產(chǎn)、生活提供更優(yōu)質(zhì)、高效的服務(wù)與體驗(yàn)。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)

在推動(dòng)機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）通信標(biāo)準(zhǔn)化的這一進(jìn)程當(dāng)中，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)（ETSI）早在2008年便已組建M2M技術(shù)委員會(huì)，而且在2012年時(shí)，與其他13家成員相聯(lián)合，在全球范圍內(nèi)發(fā)起了具有重要時(shí)代意義的one M2M倡議，其主要目的是促進(jìn)M2M通信系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)效率的不斷提升。

需指出的是，one M2M圍繞物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，給出的定義如下。（1）應(yīng)用層。應(yīng)用與設(shè)備間的連通，不僅囊括應(yīng)用層協(xié)議，而且還包含一些智能系統(tǒng)及北向接口相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化定義。（2）服務(wù)層。該層主要包含與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用處于連接狀態(tài)的物理網(wǎng)絡(luò)及底層的硬件與管理協(xié)議。（3）網(wǎng)絡(luò)層。該層即端點(diǎn)設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間的通信層，囊括設(shè)備所連接的通信網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備自身等。在2014年，Io TWF架構(gòu)委員會(huì)對(duì)外發(fā)布了一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)（7層）的參考模型，囊括數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)與儲(chǔ)存及邊緣計(jì)算，其為物聯(lián)網(wǎng)的虛擬化提供了一個(gè)實(shí)用且簡(jiǎn)潔的方式[3]。

2 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)研究

針對(duì)傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)而言，其所使用的智能終端、傳感器等大多采用的是價(jià)格低廉的產(chǎn)品，另外，在供電上，多選用的是干電池，故存在有限的能源，大多應(yīng)用于室外或者地下管廊。此類(lèi)情況使得傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，特別是在應(yīng)對(duì)M2M時(shí)，表現(xiàn)出明顯的通信能力不足的情況。隨著許多新技術(shù)的誕生、新業(yè)態(tài)的形成，第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）明確指出，應(yīng)將信號(hào)覆蓋范圍不斷擴(kuò)大，促進(jìn)能源綜合利用效率的提升，此外，還應(yīng)促進(jìn)時(shí)延的降低，且能夠同時(shí)且高質(zhì)量地支持海量、低流量設(shè)備接入，以及促進(jìn)設(shè)備復(fù)雜度的降低[4]。

圍繞以上需求，業(yè)內(nèi)突出了邊緣計(jì)算（EC）的概念模型。實(shí)際就是把各種功能（如存儲(chǔ)、服務(wù)、程序等），向網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行推送，借助大量網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或終端，將相應(yīng)的計(jì)算工作完成，借此促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的減輕以及網(wǎng)絡(luò)壓力的降低。需指出的是，移動(dòng)邊緣計(jì)算實(shí)為蜂窩網(wǎng)絡(luò)融合邊緣計(jì)算這一背景下而形成的產(chǎn)物，乃5G領(lǐng)域中的核心技術(shù)。思科早在2011年便率先提出了霧計(jì)算（FC），其實(shí)際是把云服務(wù)以一種合理、妥當(dāng)?shù)姆绞竭B接于邊緣計(jì)算，建立與中間件相類(lèi)似的網(wǎng)絡(luò)功能模塊[5]。與云計(jì)算相比較，霧計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)的碎片化特征及應(yīng)用的復(fù)雜性更為相符，故借助霧計(jì)算，可較好實(shí)現(xiàn)解耦云端與設(shè)備終端，并促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)帶寬占用情況的減輕。LTE-M又稱(chēng)為eMTC，是專(zhuān)門(mén)針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)而制定的一項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2016年，3GPP結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，專(zhuān)門(mén)制定了具有深遠(yuǎn)影響的窄帶物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（NBIOT），其具有多種特點(diǎn)，如低功耗、低速率、覆蓋廣及低成本、可實(shí)現(xiàn)海量連接等。表1為NBIOT、eMTC與LTE-4G的技術(shù)特征及具體的應(yīng)用領(lǐng)域。

表1 NB-IOT、eMTC 與LTE-4G 的技術(shù)特征及應(yīng)用領(lǐng)域

3 面向5G通信的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)分析

伴隨物聯(lián)網(wǎng)在相應(yīng)接入方式上的日漸多元化，以及云計(jì)算、邊緣計(jì)算、霧計(jì)算等技術(shù)的日漸成熟，面向5G網(wǎng)絡(luò)的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)正在變得越發(fā)清晰（圖1）。從圖中可知，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)把邊緣計(jì)算層與傳輸層分開(kāi)，并且還對(duì)服務(wù)管理層與應(yīng)用層進(jìn)行了解耦。

圖1 面向5G 的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)概念圖

3.1 各子層功能

（1）感知層。需說(shuō)明的是，感知層實(shí)為信息的一個(gè)重要入口，它借助嵌入式控制器及各種類(lèi)型的傳感器，把所采集到的各種參數(shù)，以多種方式傳送至感知層，比如LoRa、藍(lán)牙、ZigBee或者Wi-Fi等。在整個(gè)架構(gòu)當(dāng)中，感知層位于最前端，全部數(shù)據(jù)信息均需要經(jīng)過(guò)此層而產(chǎn)生，實(shí)為整個(gè)架構(gòu)體系當(dāng)中的一個(gè)基礎(chǔ)性架構(gòu)。（2）傳輸層。此層的主要作用就是傳輸數(shù)據(jù)，需強(qiáng)調(diào)的是，無(wú)論是eMTC終端，還是NB-IOT終端，再或者是5G終端，均屬于此層。另外，5G物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)實(shí)為傳輸層的另外一個(gè)關(guān)鍵構(gòu)成，其主要功能即為轉(zhuǎn)換協(xié)議，并進(jìn)行傳輸，即能夠把感知層當(dāng)中的諸如Wi-Fi、LoRa、ZigBee、藍(lán)牙等通信方式，以一種合理、妥當(dāng)且高效的方式，向5G通信可以兼容的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。（3）邊緣計(jì)算層。此層的主要功能有兩種，其一為接入設(shè)備，其二為處理數(shù)據(jù)。對(duì)于邊緣計(jì)算終端而言，其大多選用的是嵌入式終端，通過(guò)進(jìn)行合理化的邊緣計(jì)算，能夠分擔(dān)核心網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，且還能降低開(kāi)銷(xiāo)。另外，核心網(wǎng)絡(luò)僅需對(duì)邊緣計(jì)算后所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，便能促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)性能的大幅提高。還需指出的是，在此層當(dāng)中，還包含其他功能，如身份識(shí)別、安全認(rèn)證等。（4）霧計(jì)算層。該層可以在公、私有云與物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算層之間建立起緊密且無(wú)縫隙的連接，主要包含功能、接口定義及資源、權(quán)限管理等。（5）云計(jì)算層。該層主要由兩部分組成，其一為私有云，其二是公有云，是全部數(shù)據(jù)的最終匯入點(diǎn)，大量數(shù)據(jù)被儲(chǔ)存在云數(shù)據(jù)中心，且由其進(jìn)行計(jì)算，以此為上層應(yīng)用提供更優(yōu)質(zhì)化服務(wù)。（6）應(yīng)用層乃是整個(gè)架構(gòu)中的最高層，架構(gòu)當(dāng)中的全部層次均為此層而服務(wù)，通過(guò)開(kāi)展高質(zhì)量且全面性的大數(shù)據(jù)處理，為各種應(yīng)用提供支持，比如車(chē)聯(lián)網(wǎng)、人工智能及決策支持等[6]。

3.2 架構(gòu)數(shù)據(jù)的具體處理流程

圖2為數(shù)據(jù)的基本處理流程。需指出的是，對(duì)于終端數(shù)據(jù)而言，其主要由各種類(lèi)型的傳感器所產(chǎn)生，因物聯(lián)網(wǎng)的感知層存在較多的通信方式，故在各種協(xié)議的驅(qū)使下，數(shù)據(jù)通常會(huì)被分裝成多個(gè)數(shù)據(jù)幀。對(duì)于這些數(shù)據(jù)幀來(lái)講，會(huì)不斷流向一些終端，比如eMTC終端、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、5G終端或NB-IOT終端等，并且經(jīng)5G信道，最終達(dá)到傳輸數(shù)據(jù)的目的。于網(wǎng)絡(luò)邊緣處，借助邊緣計(jì)算設(shè)備，對(duì)數(shù)據(jù)開(kāi)展有目的性、針對(duì)性的邊緣化處理，然后再經(jīng)霧計(jì)算，把經(jīng)過(guò)邊緣計(jì)算處理之后的數(shù)據(jù)連接于云端。需強(qiáng)調(diào)的是，數(shù)據(jù)最終會(huì)被大數(shù)據(jù)所處理（云端大數(shù)據(jù)中心），然后為各種應(yīng)用層提供可靠支持[7]。

圖2 數(shù)據(jù)處理的基本流程

4 NB-IOT的具體部署場(chǎng)景

針對(duì)NB-IOT而言，其對(duì)多種部署場(chǎng)景均能提供支持，比如Guard-band Mode、Stand-alone Mode以及In-band Mode等，其中，對(duì)于In-band Mode來(lái)分析，能夠?qū)TE載波當(dāng)中的所有資源塊進(jìn)行利用；針對(duì)Guard-band Mode來(lái)講，則能夠?qū)TE系統(tǒng)當(dāng)中的邊緣無(wú)用頻帶進(jìn)行利用；而對(duì)于Stand-alone Mode來(lái)考量，主要對(duì)那些單獨(dú)頻帶（與GSM頻段重耕相適用）進(jìn)行利用[8]。

4.1 NB-IOT的上、下行信道

（1）下行基帶信號(hào)。NB-IOT的下行基帶信號(hào)以正交頻分多址（OFDMA）為基礎(chǔ)，基帶的采樣速率是1.92MHz，而與之相對(duì)應(yīng)的子載波間距是15kHz。還需強(qiáng)調(diào)的是，NB-IOT下行信號(hào)主要囊括三部分，分別是NRS、NSSS與NPSS，其中，對(duì)于NPSS來(lái)講，其在各系統(tǒng)幀相對(duì)應(yīng)的第5個(gè)子幀上進(jìn)行傳輸；針對(duì)NRS而言，通常情況下，會(huì)在1～2個(gè)天線(xiàn)端口上進(jìn)行傳輸；對(duì)于NSSS來(lái)考量，其則在第9個(gè)子幀上予以傳輸。（2）上行基帶信號(hào)。對(duì)于NB-IOT上行鏈路而言，其能夠?yàn)镸ulti-Tone與Single-Tone提供可靠支持，其中，Single-Tone主要囊括15、3.75kHz，且插入到相應(yīng)的循環(huán)前綴上。需指出的是，在描述物理層時(shí)，通過(guò)開(kāi)展脈沖整形操作，不僅能有效降低功耗，而且還能促進(jìn)覆蓋范圍的擴(kuò)充。在Multi-Tone模式當(dāng)中，所選擇的是SC-FDMA方式，其峰值速率更高，子載波間隔可達(dá)到15kHz，且1ms子幀與0.5ms時(shí)隙當(dāng)作LTE[9]。

4.2 NB-IOT的具體測(cè)試

選用NB-IOT模塊（以BC95為基礎(chǔ)），圍繞NB-IOT信號(hào)，開(kāi)展全面分析，且實(shí)施NB-IOT上行測(cè)試。借助數(shù)字頻譜分析儀對(duì)NB-IOT信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并測(cè)試信號(hào)。表2為具體的測(cè)試參數(shù)。

表2 NB-IOT 頻譜的具體測(cè)試參數(shù)

以NB-IOT為對(duì)象，采用ASE頻譜分析儀對(duì)其實(shí)施解調(diào)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果得知，EVM QPSK的均值是0.08%，而EVM phys Signal、EVM phys Channel的均值分別是0.07%、0.08%。需說(shuō)明的是，NB-IOT在設(shè)計(jì)時(shí)，秉持精簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、重復(fù)傳輸、超窄帶的原則，通過(guò)對(duì)一定速率、移動(dòng)性性能、時(shí)延進(jìn)行犧牲，以此來(lái)獲得能夠較好面向LWPA物聯(lián)網(wǎng)的承載能力。需指出的是，NB-IOT的帶寬是200kHz，可為2G網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)、騰頻提供可靠支持，與此同時(shí)，在子載波上，選用的是3.75kHz，故能夠做到獨(dú)立部署，還能與LTE共同部署（共載波）；此外，NB-IOT可以較好地滿(mǎn)足大連接方面的要求，今后還能進(jìn)行升級(jí)，從而更好地為5G而服務(wù)，成為其重要組成部分[10]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上，伴隨物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的持續(xù)推新與完善，在社會(huì)各層面中，涌現(xiàn)出許多新的通信需求，而在這些需求的驅(qū)動(dòng)與作用下，誕生了許多新的通信技術(shù)，最具代表性的有LoRa、Wi-Fi、ZigBee以及藍(lán)牙等。本文基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)與5G技術(shù)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)進(jìn)行了分析，并與一些先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合（如霧計(jì)算、邊緣計(jì)算等），對(duì)面向5G網(wǎng)絡(luò)的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)當(dāng)中的各子層進(jìn)行了深入探討；重點(diǎn)對(duì)NB-IOT的上下行信道展開(kāi)了深入剖析，而且還對(duì)其實(shí)施解調(diào)測(cè)試，以此為面向5G的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供支撐與依據(jù)。