運(yùn)營商角度的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展應(yīng)用淺析(上)

運(yùn)營商角度的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展應(yīng)用淺析（上）

摘要：為了促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尋找電信運(yùn)營商的物聯(lián)網(wǎng)商機(jī)，在分析國內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，討論了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的技術(shù)范疇、關(guān)鍵理論和技術(shù)瓶頸，著重從電信行業(yè)的角度，研究基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，探討運(yùn)營商在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展所遇到的挑戰(zhàn)，提出要抓住萬物互聯(lián)發(fā)展新機(jī)遇需關(guān)注的問題以及相關(guān)建議。關(guān)鍵詞：萬物互聯(lián)，物聯(lián)網(wǎng)，NB-IoT，eMTC，LPWA1引言信息領(lǐng)域正發(fā)生著由互聯(lián)網(wǎng)到物聯(lián)網(wǎng)的新一輪技術(shù)革命，電信業(yè)也開始步入物聯(lián)網(wǎng)階段，新階段有望給傳統(tǒng)客戶群增長(zhǎng)放緩的移動(dòng)運(yùn)營商帶來新的收入來源。然而物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)相對(duì)復(fù)雜，具有領(lǐng)域廣泛、主體眾多、專業(yè)性強(qiáng)等特征，呈現(xiàn)出一個(gè)令人困惑的格局，許多一度被認(rèn)為是不同行業(yè)的公司開始爭(zhēng)奪相同的客戶和資源。本文從電信行業(yè)角度出發(fā)，分析運(yùn)營商關(guān)注的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，探討運(yùn)營商在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的布局。文章主要關(guān)注3個(gè)方面的內(nèi)容：(1)物聯(lián)網(wǎng)的定義和技術(shù)范疇界定。根據(jù)國內(nèi)外近年大量對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)深入系統(tǒng)研究的相關(guān)工作分析，較為準(zhǔn)確地把握物聯(lián)網(wǎng)定義和技術(shù)范疇，以及其未來發(fā)展方向。(2)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究。物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)和技術(shù)研究領(lǐng)域有許多值得深入探討的問題，萬物互聯(lián)市場(chǎng)應(yīng)用業(yè)務(wù)種類繁多，產(chǎn)業(yè)界各方協(xié)力推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的商業(yè)進(jìn)程。但同時(shí)本文對(duì)最新的理論和技術(shù)研究進(jìn)行梳理，著重從電信行業(yè)的角度討論基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究。(3)電信運(yùn)營商在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中創(chuàng)造服務(wù)新價(jià)值。探討運(yùn)營商如何應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展所帶來的挑戰(zhàn)，抓住萬物互聯(lián)發(fā)展新機(jī)遇的一些問題。2基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)理論和技術(shù)研究領(lǐng)域有許多值得深入探討的問題，這里主要從電信行業(yè)的角度，討論基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究[1-5]。2.1技術(shù)比較與選擇物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)種類繁多，難以以單一技術(shù)滿足[6-8]，按網(wǎng)絡(luò)性能和覆蓋要求，物聯(lián)網(wǎng)的無線通信技術(shù)大致可劃分為高/低速率、短/長(zhǎng)距離四個(gè)象限分布：一類象限是Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等短距離通信技術(shù)；二類象限是LPWAN(Low-powerWide-AreaNetwork，低功耗廣域網(wǎng))，即廣域網(wǎng)通信技術(shù)，LPWA又可分為兩類：一類是工作于未授權(quán)頻譜的LoRa、SigFox等技術(shù)，另一類是工作于授權(quán)頻譜下，3GPP支持的2G/3G/4G蜂窩通信技術(shù)，比如EC-GSM、LTECat-m、NB-IoT等；三類象限是傳統(tǒng)的2G/3G/4G蜂窩技術(shù)；而4G拓展演進(jìn)和5G技術(shù)發(fā)展涉及了四個(gè)象限。事實(shí)上，四個(gè)象限的技術(shù)涉及范圍相互交織，如圖1所示：圖1物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)分類面對(duì)各種興起的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其中長(zhǎng)距離類業(yè)務(wù)最適合運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)承載。LPWA連接規(guī)模巨大，同時(shí)也存在多個(gè)通訊陣營標(biāo)準(zhǔn)的競(jìng)爭(zhēng)，是運(yùn)營商掌控入口、爭(zhēng)奪市場(chǎng)的主戰(zhàn)場(chǎng)，從運(yùn)營商的角度上更關(guān)注3GPP主要的3種標(biāo)準(zhǔn)：LTE-M、EC-GSM和NB-IoT，分別基于LTE演進(jìn)、GSM演進(jìn)和CleanSlate技術(shù)。(1)LTE-M(LTE-Machine-to-Machine)LTE-M是基于LTE演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，初期在R12中被稱為“Low-CostMTC”，在R13中被稱為“LTEenhancedMTC(eMTC)”，旨在基于現(xiàn)有的LTE載波滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需求。LTE-M覆蓋增強(qiáng)15dB增益，可支持語音、高速移動(dòng)(＜1Mbps)和獨(dú)立定位等高附加值物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。(2)EC-GSM(ExtendedCoverage-GSM)EC-GSM，即擴(kuò)展覆蓋GSM技術(shù)。隨著各種LPWA技術(shù)的興起，傳統(tǒng)GPRS應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的劣勢(shì)凸顯。2014年3月，3GPPGERAN#62會(huì)議“CellularSystemSupportforUltraLowComplexityandLowThroughputInternetofThings”研究項(xiàng)目提出，將窄帶(200kHz)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)遷移到GSM上，尋求比傳統(tǒng)GPRS高20dB的更廣的覆蓋范圍，并提出了五大目標(biāo)：提升室內(nèi)覆蓋性能、支持大規(guī)模設(shè)備連接、減小設(shè)備復(fù)雜性、減小功耗和時(shí)延。2015年，TSGGERAN#67會(huì)議報(bào)告表示，EC-GSM已滿足五大目標(biāo)。GERAN將繼續(xù)研究EC-GSM，直到R13NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)。(3)NB-IoT(NarrowBand-InternetofThings)2015年8月，3GPPRAN開始立項(xiàng)研究窄帶無線接入全新的空口技術(shù)，稱之為“CleanSlateCIoT”。NB-IoT技術(shù)并不基于GSM，而是一種Clean-Slate方案。NB-IoT是3GPPR13階段LTE的一項(xiàng)重要增強(qiáng)技術(shù)，射頻帶寬可以低至0.18MHz。目前基于LTEFDD系統(tǒng)對(duì)NB-IoT的支持，標(biāo)準(zhǔn)已完成大部分，預(yù)計(jì)將于2016年6月凍結(jié)；標(biāo)準(zhǔn)上TD-LTE系統(tǒng)暫不支持NB-IoT技術(shù)。NB-IoT的物理層設(shè)計(jì)也大部分沿用LTE系統(tǒng)技術(shù)，如上行采用SC-FDMA，下行采用OFDM。高層協(xié)議設(shè)計(jì)沿用LTE協(xié)議，針對(duì)其小數(shù)據(jù)包、低功耗和大連接特性進(jìn)行功能增強(qiáng)。核心網(wǎng)部分基于S1接口連接，支持獨(dú)立部署升級(jí)兩種方式。NB-IoT是NB-CIoT和NB-LTE兩種標(biāo)準(zhǔn)的融合。NB-CIoT是由華為、高通和沃達(dá)豐聯(lián)合提出，NB-LTE是由愛立信、諾基亞、中興、三星、英特爾、MTK等廠家提出。NB-CIoT提出了全新的空口技術(shù)，相對(duì)來說在現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)上改動(dòng)較大，是六大CleanSlate技術(shù)中唯一滿足TSGGERAN67#會(huì)議中提出的五大目標(biāo)的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，特別是NB-CIoT的通信模塊成本低于GSM模塊和NB-LTE模塊。而NB-LTE更傾向于與現(xiàn)有LTE兼容，其主要優(yōu)勢(shì)在于容易部署。最終，在2015年9月的RAN69#會(huì)議上協(xié)商統(tǒng)一形成NB-IoT，平衡了各方利益，并適用于更廣泛的部署場(chǎng)景。傳統(tǒng)的蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景下面臨著幾大挑戰(zhàn)，主要包括：1)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍小；2)終端電池壽命短；3)達(dá)不到深度覆蓋而影響業(yè)務(wù)質(zhì)量；4)模組成本居高不下。而NB-IoT技術(shù)具有廣覆蓋(20dB增益)、低功耗(10年電池壽命)、大連接(50k連接數(shù)每小區(qū))和低成本(模組成本降至5美元以下)的優(yōu)點(diǎn)，成為運(yùn)營商低速低功耗物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的技術(shù)首選。第三方分析公司Machina預(yù)測(cè)，NB-IoT未來將覆蓋25%的M2M連接。另外，基于標(biāo)準(zhǔn)的3GPP蜂窩技術(shù)并不是物聯(lián)網(wǎng)的唯一解決方案。低功耗廣域(LPWA)領(lǐng)域還有Sigfox和LoRa等專有系統(tǒng)在與蜂窩技術(shù)展開競(jìng)爭(zhēng)?；跇?biāo)準(zhǔn)的解決方案相比專有解決方案的優(yōu)點(diǎn)在于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)模和許可的頻譜使用：基于標(biāo)準(zhǔn)的解決方案出自3GPP標(biāo)準(zhǔn)，3GPP為GSM、UMTS和LTE等移動(dòng)技術(shù)設(shè)立全球標(biāo)準(zhǔn)；基于標(biāo)準(zhǔn)的解決方案使用獲得許可的頻譜，而專有系統(tǒng)與Wi-Fi、Bluetooth和ZigBee一樣，使用未經(jīng)授權(quán)的頻譜。2.2應(yīng)用場(chǎng)景及進(jìn)展物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)種類繁多，存在多種解決方案[9-12]，各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用要求和技術(shù)的選擇影響服務(wù)質(zhì)量(QoS)、成本效率和其他指標(biāo)。而從物聯(lián)網(wǎng)通信要求看，大概可歸納為如下幾點(diǎn)：1)上行鏈路和下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率的要求；2)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用覆蓋范圍要求；3)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所需的時(shí)延范圍要求；4)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中連接物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量要求；5)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池要求；6)內(nèi)容安全維護(hù)的要求。從物聯(lián)網(wǎng)連接分類看，大致可分為3類主要應(yīng)用場(chǎng)景，如表1所示。表1物聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用場(chǎng)景類型占比/%典型業(yè)務(wù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)相關(guān)技術(shù)高速率10·視頻監(jiān)控·機(jī)器人·智慧醫(yī)療·速率＞1Mbps·流量高，視頻信息·功耗不敏感LTE-APro中速率30·可穿戴設(shè)備·智能家防·車隊(duì)管理·電子廣告·100kbps＜速率＜·移動(dòng)性·支持語音·時(shí)延100ms級(jí)·功耗不敏感·eMTC·2GGPRS/CDMA低速率LPWA市場(chǎng)60·智能抄表·智慧農(nóng)業(yè)·智能停車·資產(chǎn)跟蹤·設(shè)備遠(yuǎn)程管理·環(huán)境監(jiān)控(傳感控制類需求)·速率＜100kbps·深度覆蓋·超低成本·海量連接·時(shí)延不敏感(秒級(jí))·流量不高文本為主·一般功耗敏感·NB-IoT·LoRa·Sigfox等萬物互聯(lián)已成為全球運(yùn)營商積極布局的重要戰(zhàn)略方向，主流運(yùn)營商將IoT產(chǎn)業(yè)作為營收增長(zhǎng)的新引擎。Vodafone自建并運(yùn)營了全球第三大M2M平臺(tái)(GDSP)；AT&T推出了一個(gè)基于云的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)M2X，以及一個(gè)用來為物聯(lián)網(wǎng)世界構(gòu)建應(yīng)用的開發(fā)門戶網(wǎng)站“DataFlow”，重點(diǎn)布局車聯(lián)網(wǎng)、物流跟蹤管理等業(yè)務(wù)；SKTelecom2016年計(jì)劃在全國范圍部署基于LoRa協(xié)議的LPWA網(wǎng)絡(luò)。我國三大運(yùn)營商也開始發(fā)力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。3移動(dòng)運(yùn)營商策略建議物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展給運(yùn)營商帶來了不小的挑戰(zhàn)。由于運(yùn)營商對(duì)實(shí)體行業(yè)的了解不夠，缺少相應(yīng)行業(yè)專家，故對(duì)需要聚焦的垂直領(lǐng)域、需要發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)核心業(yè)務(wù)把握不準(zhǔn)確。二是技術(shù)方面，很多物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)有其自身的特性需求，包括對(duì)時(shí)延、高可靠性的要求或高并發(fā)、廣覆蓋的要求等，運(yùn)營商作為管道和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施提供者，要考慮怎樣才能經(jīng)濟(jì)有效地支撐各種各樣的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。三是物聯(lián)網(wǎng)終端方面，物聯(lián)網(wǎng)終端的集采、渠道鋪設(shè)都有很大困難，而且工業(yè)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)要求高，如何衡量數(shù)量與成本的關(guān)系是個(gè)大問題。四是安全方面，需要一個(gè)端到端的安全信息設(shè)計(jì)，能對(duì)系統(tǒng)的安全做主動(dòng)的監(jiān)測(cè)、修復(fù)和系統(tǒng)的升級(jí)[13-14]。運(yùn)營商需借助自身優(yōu)勢(shì)，迎接物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的挑戰(zhàn)，抓住萬物互聯(lián)發(fā)展新機(jī)遇，尋求新型商業(yè)模式，創(chuàng)造新服務(wù)價(jià)值。(1)