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LTE:物联网的移动未来

在不久的将来,物联网会将数十亿台设备连接至互联网。根据来自于 Harbour Research 的信息,2014 年IoT 设备出货量估计达到 20 亿,2020 年其出货量预计将超过 70 亿。
发布时间:2016-07-01 13:17        来源:通信产业网        作者:通信产业网

在不久的将来,物联网会将数十亿台设备连接至互联网。根据来自于 Harbour Research 的信息,2014 年IoT 设备出货量估计达到 20 亿,2020 年其出货量预计将超过 70 亿。只有在具有低成本的通信网络和无线设备可用的情况下,这一点才能够实现。通过应用 Bluetooth®、ZigBee、Wi-Fi 或蜂窝网络等无线技术,几乎全球任何地区的任何物体都能够快速、可靠地连接至互联网。当前最新的蜂窝技术,LTE‑M 和 NB‑IoT 将对物联网的成功普及产生至关重要的作用。

多数应用采用了在免授权频段中运行的局域网技术。与此相反,依赖于移动性或全球性接入的应用主要利用了卫星技术及第二代和第三代蜂窝移动无线技术。此处仅列举几个典型实例:车队管理、集装箱跟踪、咖啡自动售货机或 ATM 服务、个人健康监测。在大多数情况下,这些应用所产生的数据流量较少,通常仅需 SMS 服务即可实现传输。目前约 60 % 的蜂窝 IoT 设备采用了第二代移动通信技术,例如GPRS。在未来几年内,尤其随着人们对更高的数据率和长期网络可用性的需求日益增长,第三代移动通信技术将逐渐占据重要地位。采用 LTE 的第四代移动通信迄今为止所发挥的作用不甚明显。

因为 LTE 主要针对移动宽带市场进行了优化,所以 IoT 对4G 技术需求很少。此外,与 GSM 调制解调器相比,LTE 调制解调器的成本仍然相对较高。然而,LTE 的某些特征使其愈发引人注目。全球可接入性就是其中一个特征。据全球移动通信系统协会 (GSMA) 所提供的信息,至 2015 年 9 月,422 家运营商已在 146 个国家/地区提供了商业 LTE 服务。LTE 的长期可用性是另一个使其充满吸引力的原因。越来越多的蜂窝运营商宣布,他们将不再支持第二代移动网络。因此,人们必须转换至最新技术。为了更适应于 M2M 市场,在成本和功耗方面进行了优化的首个LTE芯片组已可用。LTE 在频谱效率、时延和数据吞吐量方面提供了其他技术优势。

在对 3GPP 标准进行定义的早期阶段,人们已经认识到了针对 IoT 市场优化解决方案的必要性,所以针对机器类型通信 (MTC) 的具体改进层出不穷。例如,委员会已在 Rel.10/11 中定义了一些特征以防止海量 IoT 设备导致移动网络过载。网络运营商需要时刻做好充分准备,以应对数千台设备同时连接至网络。这种情况可能会出现在突发事件之后,例如,停电后电网恢复。人们已引入了过载机制和减少信令流量的选项来处理这类事件。许多 IoT 应用(例如,传感器网络)很少发送数据且不需要精确到秒的操作。在接入期间,这些设备可向网络报告其已准备接受更长的延时(延时容忍接入)。Rel.10 中包含这样一种流程,该流程允许网络在开始时拒绝这些设备的连接请求,从而延迟连接(延长等待时间)。 Rel.11,可借助于分级接入控制接入蜂窝通信网络。在这种情况下,只有分配到当前网络许可级别的设备方可建立连接。网络会传输位映射bitmap(EAB 限制位映射),bitmap确定了哪些级别具有接入许可(图 1)。

Rel.10 和 11 中引入的这些流程在不影响移动宽带服务的情况下可确保目前和未来的 IoT 应用和设备在蜂窝通信网络内可靠且稳定地运行。

目前,唯一缺少的是为低数据流量、低功耗和低成本的 IoT 设备而进行优化的解决方案。委员会已开始在 Rel.12 中制定此类解决方案。然而,人们很快发现没有一个单一且简单的解决方案适用于所有的应用场景。集装箱跟踪、垃圾桶管理、智能仪表、农业传感器以及运动和个人健康追踪器等应用的对技术的要求非常多样化。因此,Rel.12 主要侧重于低功耗和低成本调制解调器。得出的结果为节能模式 (PSM),其对于电池供电型设备和新的LTE 0类设备来说尤为重要,其复杂度应当仅有 1 类调制解调器的一半。

节能模式 (PSM)

PSM 流程会在数据链路终止后或在定期跟踪区域跟新 (TAU) 过程完成后开始。首先,设备将进入正常的空闲模式,在该模式下定期切换至接收模式,以便接收消息。所以,设备可通过寻呼保持可用状态。在定时器 T3324 到达设定时间后,进入 PSM。在该模式下,设备可随时发送消息,因为其在网络上保持注册状态。然而,由于前端已关闭,所以即使通过寻呼设备也不可用。因此,PSM 只适用于很少向设备发送数据,且数据量极少的传感器网络。该流程不适用于需要传感器快速作出响应或对响应时间要求很高的应用。采用 PSM 的应用必须容忍该行为且必须为空闲模式和节能模式设计最佳定时器值。端到端的测试对于将应用行为匹配至网络行为来说是必不可少的。

低成本的 0 类LTE设备

0 类的引入首次允许价格大幅降低的 LTE 调制解调器(适用于 M2M 市场)的尝试。理想情况下,此类调制解调器的功耗也较低。为了达到这一目标,通过将支持的数据率降至 1 Mbps 以降低调制解调器的复杂性。从而最大限度减少对处理功率和内存的要求。制造商也可摒弃全双工模式和多天线。因此,设备无需采用双工滤波器,否则就需要双工滤波器去防止发射机和接收机之间的干扰。

0 类设备现在仍处于开发中,可能将在 2016 年推出。

LTE-M 的进一步发展

LTE-M 已经迈出了第一步。Rel.13 包含其他降低成本的措施,尤其是降低上行链路和下行链路的带宽,降低数据率以及降低发射功率。

同时也在计划进一步降低功耗。这将对无法使用 PSM 的应用产生一定影响,因为即使设备自身不传输数据,但至少必须在短间隔内保持可用状态。在这种情况下,调制解调器定期从空闲模式切换至接收模式,以便于获得寻呼消息和系统状态信息。DRX 定时器确定模式切换的频率。目前,最短间隔为 2.56 秒。举例来说,如果某一设备仅在每 15 分钟内预计获得数据,则该频率相当频繁。定时器的扩展 (eDRX) 已进行规划且处于商讨阶段,有望将电池寿命大幅延长至数年。

必须扩大范围,以适用于极端接收条件下(例如,地下室中)的智能仪表等应用,或者适用于分布广泛的设备,例如农业应用。包括多重复性或者对时效和误差要求不高的各种技术应当改善接收机和发射机之间的功率平衡到 15 dB。范围也因此得以扩展。

在 Rel.14 中,汽车行业的要求促进了彻底缩短了消费类设备之间在通信方面的延时的研究,例如实现汽车之间的实时通信。

LP-WAN:对 LTE-M 的竞争?

LTE-M 借助其新特征可满足更多 IoT 应用的需求,有助于众多用户从 2G/3G 技术过渡至 LTE。然而,现在人们需要极低成本和低功耗的设备,当前的蜂窝技术似乎不太合适。所以,在过去几年中,低功耗 WAN 等替代技术在市场中占据了一席之地。在大多数情况下,这些技术针对传感器网络进行了优化,适用于数据量极低的传感器网络如烟雾探测器或垃圾桶上的填充传感器。这些技术具有应用范围广和采用免授权频段的优势。SIGFOX 就是其中一个突出代表。该网络采用了超窄带技术,且已在数个国家网络中投入使用。SIGFOX 已针对极小数据包的偶发传输进行了优化,允许在消息发送后一段时间之后进行接收。

另一实例为 LoRa。该项技术的业界代表已组成了 LoRa 联盟。这些代表根据 Semtech 公司的 LoRa 技术制定了 LoRaWAN 标准以及用于兼容设备认证的额外规范。LoRa 采用了调频扩频技术,这种类型的技术与用于雷达应用的技术相似。支持三种类别的设备。类别 A 类似于 SIGFOX,仅允许在消息传输后出现的两个短接收窗口期间进行接收。类别 B 允许通过信标同步的定期接收窗口。类别 C 可随时接收,但设备正在传输的情况除外。LP-WAN 技术的其它实例还包括 Weightless-N 和 RPMA。

SIGFOXLoRaWeightless-NRPMA

频率868 MHz (ETSI)

915 MHz (FCC)

2400 MHz868 MHz (ETSI)

915 MHz (FCC)868 MHz (ETSI)

915 MHz (FCC)2400 MHz

调制UNBChirp DSSSUNBRPMA

技术推动者SIGFOXSemtechNWaveIngenu

GSMA – 超低成本设备

不久前,GSMA 也曾致力于物联网的发展,今年 GSMA 发起了一场有关 LP-WAN 的倡议。目的是尽快根据授权频段中的现有蜂窝标准定义 LP-WAN 标准。主要的基础设施、调制解调器和芯片组制造商纷纷与移动服务供应商进行合作,从而制定出合适的标准。目的是让这些标准在Rel.13 得到批准并在 2016 年推出商用产品。首批现场试验已在进行中。

目前,大量有关的技术讨论和替代方法的研究都在如火如荼地进行。然而,该委员会已决定应制定一项窄带 IOT (NB-IoT) 标准。这项标准将允许使用 LTE 载波中的资源块,相邻载波间频谱中的未用资源或者独立、保留频谱中的资源。这项标准的要求概要包括极低功耗、极低成本、改进的室内接收性能,以及支持大量数据流量极少的设备。

目前,大量的标准化活动正在执行中,以确保为未来的物联网提供合适的通信技术。这些活动也将为第五代移动无线通信铺平道路,在第五代移动无线通信中,极低延时、超长电池寿命且具有大量设备扮演了重要角色。

用于分析功耗和流量特性的 E2E 应用。

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