运营商角度的物联网技术发展应用浅析(上)

运营商角度的物联网技术发展应用浅析（上）

摘要：为了促进物联网产业的发展，寻找电信运营商的物联网商机，在分析国内外物联网系统研究的基础上，讨论了物联网相关的技术范畴、关键理论和技术瓶颈，着重从电信行业的角度，研究基于移动通信网络的物联网技术应用，探讨运营商在物联网发展所遇到的挑战，提出要抓住万物互联发展新机遇需关注的问题以及相关建议。关键词：万物互联，物联网，NB-IoT，eMTC，LPWA1引言信息领域正发生着由互联网到物联网的新一轮技术革命，电信业也开始步入物联网阶段，新阶段有望给传统客户群增长放缓的移动运营商带来新的收入来源。然而物联网产业相对复杂，具有领域广泛、主体众多、专业性强等特征，呈现出一个令人困惑的格局，许多一度被认为是不同行业的公司开始争夺相同的客户和资源。本文从电信行业角度出发，分析运营商关注的物联网技术的发展和应用，探讨运营商在物联网发展中的布局。文章主要关注3个方面的内容：(1)物联网的定义和技术范畴界定。根据国内外近年大量对于物联网深入系统研究的相关工作分析，较为准确地把握物联网定义和技术范畴，以及其未来发展方向。(2)物联网技术应用研究。物联网市场和技术研究领域有许多值得深入探讨的问题，万物互联市场应用业务种类繁多，产业界各方协力推动物联网相关技术的商业进程。但同时本文对最新的理论和技术研究进行梳理，着重从电信行业的角度讨论基于移动通信网络的物联网技术应用研究。(3)电信运营商在物联网发展中创造服务新价值。探讨运营商如何应对物联网发展所带来的挑战，抓住万物互联发展新机遇的一些问题。2基于移动通信网络的物联网技术应用物联网理论和技术研究领域有许多值得深入探讨的问题，这里主要从电信行业的角度，讨论基于移动通信网络的物联网技术应用研究[1-5]。2.1技术比较与选择物联网业务种类繁多，难以以单一技术满足[6-8]，按网络性能和覆盖要求，物联网的无线通信技术大致可划分为高/低速率、短/长距离四个象限分布：一类象限是Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等短距离通信技术；二类象限是LPWAN(Low-powerWide-AreaNetwork，低功耗广域网)，即广域网通信技术，LPWA又可分为两类：一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术，另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的2G/3G/4G蜂窝通信技术，比如EC-GSM、LTECat-m、NB-IoT等；三类象限是传统的2G/3G/4G蜂窝技术；而4G拓展演进和5G技术发展涉及了四个象限。事实上，四个象限的技术涉及范围相互交织，如图1所示：图1物联网无线通信技术分类面对各种兴起的物联网技术，其中长距离类业务最适合运营商网络承载。LPWA连接规模巨大，同时也存在多个通讯阵营标准的竞争，是运营商掌控入口、争夺市场的主战场，从运营商的角度上更关注3GPP主要的3种标准：LTE-M、EC-GSM和NB-IoT，分别基于LTE演进、GSM演进和CleanSlate技术。(1)LTE-M(LTE-Machine-to-Machine)LTE-M是基于LTE演进的物联网技术，初期在R12中被称为“Low-CostMTC”，在R13中被称为“LTEenhancedMTC(eMTC)”，旨在基于现有的LTE载波满足物联网设备需求。LTE-M覆盖增强15dB增益，可支持语音、高速移动(＜1Mbps)和独立定位等高附加值物联网应用。(2)EC-GSM(ExtendedCoverage-GSM)EC-GSM，即扩展覆盖GSM技术。随着各种LPWA技术的兴起，传统GPRS应用于物联网的劣势凸显。2014年3月，3GPPGERAN#62会议“CellularSystemSupportforUltraLowComplexityandLowThroughputInternetofThings”研究项目提出，将窄带(200kHz)物联网技术迁移到GSM上，寻求比传统GPRS高20dB的更广的覆盖范围，并提出了五大目标：提升室内覆盖性能、支持大规模设备连接、减小设备复杂性、减小功耗和时延。2015年，TSGGERAN#67会议报告表示，EC-GSM已满足五大目标。GERAN将继续研究EC-GSM，直到R13NB-IoT标准冻结。(3)NB-IoT(NarrowBand-InternetofThings)2015年8月，3GPPRAN开始立项研究窄带无线接入全新的空口技术，称之为“CleanSlateCIoT”。NB-IoT技术并不基于GSM，而是一种Clean-Slate方案。NB-IoT是3GPPR13阶段LTE的一项重要增强技术，射频带宽可以低至0.18MHz。目前基于LTEFDD系统对NB-IoT的支持，标准已完成大部分，预计将于2016年6月冻结；标准上TD-LTE系统暂不支持NB-IoT技术。NB-IoT的物理层设计也大部分沿用LTE系统技术，如上行采用SC-FDMA，下行采用OFDM。高层协议设计沿用LTE协议，针对其小数据包、低功耗和大连接特性进行功能增强。核心网部分基于S1接口连接，支持独立部署升级两种方式。NB-IoT是NB-CIoT和NB-LTE两种标准的融合。NB-CIoT是由华为、高通和沃达丰联合提出，NB-LTE是由爱立信、诺基亚、中兴、三星、英特尔、MTK等厂家提出。NB-CIoT提出了全新的空口技术，相对来说在现有LTE网络上改动较大，是六大CleanSlate技术中唯一满足TSGGERAN67#会议中提出的五大目标的蜂窝物联网技术，特别是NB-CIoT的通信模块成本低于GSM模块和NB-LTE模块。而NB-LTE更倾向于与现有LTE兼容，其主要优势在于容易部署。最终，在2015年9月的RAN69#会议上协商统一形成NB-IoT，平衡了各方利益，并适用于更广泛的部署场景。传统的蜂窝移动通信技术在物联网应用场景下面临着几大挑战，主要包括：1)网络覆盖范围小；2)终端电池寿命短；3)达不到深度覆盖而影响业务质量；4)模组成本居高不下。而NB-IoT技术具有广覆盖(20dB增益)、低功耗(10年电池寿命)、大连接(50k连接数每小区)和低成本(模组成本降至5美元以下)的优点，成为运营商低速低功耗物联网建设的技术首选。第三方分析公司Machina预测，NB-IoT未来将覆盖25%的M2M连接。另外，基于标准的3GPP蜂窝技术并不是物联网的唯一解决方案。低功耗广域(LPWA)领域还有Sigfox和LoRa等专有系统在与蜂窝技术展开竞争。基于标准的解决方案相比专有解决方案的优点在于标准规模和许可的频谱使用：基于标准的解决方案出自3GPP标准，3GPP为GSM、UMTS和LTE等移动技术设立全球标准；基于标准的解决方案使用获得许可的频谱，而专有系统与Wi-Fi、Bluetooth和ZigBee一样，使用未经授权的频谱。2.2应用场景及进展物联网业务种类繁多，存在多种解决方案[9-12]，各种物联网应用要求和技术的选择影响服务质量(QoS)、成本效率和其他指标。而从物联网通信要求看，大概可归纳为如下几点：1)上行链路和下行链路的数据传输速率的要求；2)物联网应用覆盖范围要求；3)物联网应用所需的时延范围要求；4)物联网应用中连接物联网设备的数量要求；5)物联网设备的电池要求；6)内容安全维护的要求。从物联网连接分类看，大致可分为3类主要应用场景，如表1所示。表1物联网主要应用场景类型占比/%典型业务业务特点相关技术高速率10·视频监控·机器人·智慧医疗·速率＞1Mbps·流量高，视频信息·功耗不敏感LTE-APro中速率30·可穿戴设备·智能家防·车队管理·电子广告·100kbps＜速率＜·移动性·支持语音·时延100ms级·功耗不敏感·eMTC·2GGPRS/CDMA低速率LPWA市场60·智能抄表·智慧农业·智能停车·资产跟踪·设备远程管理·环境监控(传感控制类需求)·速率＜100kbps·深度覆盖·超低成本·海量连接·时延不敏感(秒级)·流量不高文本为主·一般功耗敏感·NB-IoT·LoRa·Sigfox等万物互联已成为全球运营商积极布局的重要战略方向，主流运营商将IoT产业作为营收增长的新引擎。Vodafone自建并运营了全球第三大M2M平台(GDSP)；AT&T推出了一个基于云的数据存储服务M2X，以及一个用来为物联网世界构建应用的开发门户网站“DataFlow”，重点布局车联网、物流跟踪管理等业务；SKTelecom2016年计划在全国范围部署基于LoRa协议的LPWA网络。我国三大运营商也开始发力物联网业务。3移动运营商策略建议物联网的发展给运营商带来了不小的挑战。由于运营商对实体行业的了解不够，缺少相应行业专家，故对需要聚焦的垂直领域、需要发展的物联网核心业务把握不准确。二是技术方面，很多物联网业务有其自身的特性需求，包括对时延、高可靠性的要求或高并发、广覆盖的要求等，运营商作为管道和网络设施提供者，要考虑怎样才能经济有效地支撑各种各样的物联网业务。三是物联网终端方面，物联网终端的集采、渠道铺设都有很大困难，而且工业级物联网要求高，如何衡量数量与成本的关系是个大问题。四是安全方面，需要一个端到端的安全信息设计，能对系统的安全做主动的监测、修复和系统的升级[13-14]。运营商需借助自身优势，迎接物联网发展的挑战，抓住万物互联发展新机遇，寻求新型商业模式，创造新服务价值。(1)