物聯(lián)網(wǎng)的5G方案
2018年上半年第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）向國際電信聯(lián)盟（ITU）提交NB-IoT和LTE-M技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)在5G時(shí)代的候選方案，以滿足IMT-2020中描述的5G LPWAN要求。
3GPP承諾LPWAN將繼續(xù)僅通過演進(jìn)LTE-M和NB-IoT作為5G規(guī)范過程的一部分，并且3GPP同意不會(huì)為5G研究新的LPWAN解決方案。而且大多數(shù)NB-IoT和LTE-M設(shè)備的固件都可以升級(jí)以支持5G，這幾乎可以說我們已經(jīng)跨入了5G的大門。
NB-IoT和LTE-M都是為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)的兩種LPWAN技術(shù)，都是用于低帶寬蜂窩通信的協(xié)議，專為需要傳輸少量數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)的，具有較低成本和較長(zhǎng)時(shí)間的電池壽命。
值得注意的是NB-IoT和LTE-M都是4G技術(shù)，最初設(shè)計(jì)NB-IoT和LTE-M時(shí)確保了它們可以在LTE系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行帶內(nèi)操作，并且可以共享LTE頻譜，對(duì)于5G NR也是如此。未來會(huì)使NB-IoT和LTE-M可以在5G中進(jìn)行帶內(nèi)操作或共存。這為NB-IoT和LTE-M提供了對(duì)5G的向前兼容性。
物聯(lián)網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求
NB-IoT與LTE-M的出現(xiàn)并非偶然，并且在這之前也有其他的針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的解決方案。LPWAN的興起主要是由于物聯(lián)網(wǎng)的普及，但像LTE之類的傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)解決方案通常消耗太多功率。此外，它們不適合不經(jīng)常傳輸數(shù)據(jù)且傳輸數(shù)據(jù)量較少的應(yīng)用。例如讀取水位、氣體消耗或電力使用的儀表。
物聯(lián)網(wǎng)需要一個(gè)能夠提供低功耗和覆蓋廣的解決方案。一般需要滿足以下四點(diǎn)：
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技術(shù)成本低，支持更廣泛的部署并提高應(yīng)用程序的投資回報(bào)率
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低功耗，電池的使用壽命需要很長(zhǎng)
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覆蓋范圍廣，可以連接到地下、建筑物內(nèi)和農(nóng)村環(huán)境中的設(shè)備
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高連接容量，今后將會(huì)有大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)，這無疑會(huì)是個(gè)巨大的負(fù)荷
萬物互連，所有的“物”都連到互聯(lián)網(wǎng)，都成為互聯(lián)網(wǎng)世界的一個(gè)分子，在互聯(lián)網(wǎng)世界里，人和物是同等的。有句經(jīng)典，“在互聯(lián)網(wǎng)世界里，沒有人知道你是一條狗”。所以萬物互連，是真需求，是一個(gè)美好的愿望。
物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，包含兩部分：傳感器技術(shù)和通信技術(shù)。
傳感器技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)，是把物理世界的“物”，轉(zhuǎn)換為數(shù)字世界中可辨認(rèn)的數(shù)字化“物理量”，比如溫度傳感器、陀螺儀、指壓傳感器等等，這是物聯(lián)網(wǎng)的核心基礎(chǔ)。如果無法描述和轉(zhuǎn)換物理世界的“物”，物聯(lián)網(wǎng)無從可談，有了萬物的傳感器，才可能有萬物互連。
物聯(lián)網(wǎng)的通信技術(shù)包括有線通信和無線通信。有線物聯(lián)網(wǎng)大家都知道的，如電話線、五類網(wǎng)線、電力線PLC、同軸電纜，這里無需多說。而無線物聯(lián)網(wǎng)，則再分為蜂窩物聯(lián)網(wǎng)和局域物聯(lián)網(wǎng)。蜂窩物聯(lián)網(wǎng)可包括GPRS、CDMA 1X、NB-IOT、eMTC、LoRa、5G等，主要是指通過蜂窩通信提供物聯(lián)網(wǎng)的傳輸需求，覆蓋廣和移動(dòng)需求，可以是公眾通信網(wǎng)（三大運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)），也可以是專網(wǎng)（電力、公安、油田等），也包括企業(yè)自建的Lora網(wǎng)絡(luò)（LPWAN）。而局域物聯(lián)網(wǎng)，包括很多短距無線通信技術(shù)，比如WIFI、藍(lán)牙、zigbee等，這些技術(shù)在現(xiàn)有的局域物聯(lián)網(wǎng)中使用很多，如果從連接終端數(shù)來統(tǒng)計(jì)的話，局域物聯(lián)網(wǎng)相比蜂窩物聯(lián)網(wǎng)，規(guī)模大很多很多。
何種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)呢？
物聯(lián)網(wǎng)的世界非常多姿多彩，個(gè)性化需求很多，萬物互連應(yīng)該是有由蜂窩網(wǎng)技術(shù)和局域網(wǎng)技術(shù)共同完成。4G和5G只是屬于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的一種，并不是全部，從經(jīng)濟(jì)性和安全性，萬物互連不能單獨(dú)由4G和5G承擔(dān)。
那么為何說5G技術(shù)支持萬物互連呢？是的，蜂窩移動(dòng)通信，原本就是滿足人和人的通信，容量、覆蓋、質(zhì)量、速度是非常關(guān)鍵的，也是相互制約的要素（很難做到既要高速上網(wǎng)，又要大海量用戶）。
從GSM和CDMA開始，到現(xiàn)在的5G，在覆蓋和容量上不斷快速發(fā)展，原來一個(gè)基站只支持幾百個(gè)用戶同時(shí)打電話，到現(xiàn)在一個(gè)4G基站支持200~300用戶同時(shí)高速上網(wǎng)，技術(shù)發(fā)展確實(shí)是驚人的。到了物聯(lián)網(wǎng)階段，一個(gè)基站要服務(wù)幾萬個(gè)物聯(lián)網(wǎng)終端，就是所謂的海量連接，需要用到各種技術(shù)來滿足。但是要知道，容量和速度是制約的，要支持5萬個(gè)物聯(lián)網(wǎng)（不是真正的同時(shí)時(shí)間傳輸數(shù)據(jù)），每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)終端發(fā)送數(shù)據(jù)量和時(shí)間都很少，比如一個(gè)抄表終端，一天24小時(shí)，只在1分中內(nèi)傳輸1000個(gè)Byte字節(jié)大小的數(shù)據(jù)，然后23小時(shí)59分都在睡覺，明白了嗎？又比如如果在體育場(chǎng)里有足球比賽，1萬名觀眾拿著手機(jī)看4K視頻，這個(gè)場(chǎng)景下目前的5G技術(shù)是無法實(shí)現(xiàn)的，那是天方夜譚——你不信？腦補(bǔ)一下。
5G是由3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，主要針對(duì)運(yùn)營(yíng)商的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，并非某個(gè)國家擁有（順便普及一下，WIFI是有IEEE標(biāo)準(zhǔn)組織制定的，也不是某個(gè)國家擁有）。5G的三大特點(diǎn)，eMBB、uRLLC和mMTC，是一個(gè)良好的設(shè)計(jì)方案，但大部分技術(shù)提升不是針對(duì)手機(jī)用戶，而是蜂窩物聯(lián)網(wǎng)用戶，每平方公里提供100萬個(gè)終端的接入，即海量連接，是蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)突破。但只是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商利用蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，來滿足“萬物互連”的一個(gè)技術(shù)方案，或一種愿望。
物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)就是個(gè)性化非常明顯，并不是每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都需要超低時(shí)延，或者低功耗，或者全覆蓋。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，智能家居，把家庭的所有電器、門鎖、照明、馬桶都“萬物互連”起來，4G、5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)是最好的方案嗎？不見得，5G的技術(shù)優(yōu)勢(shì)沒用上，不需要超高速上網(wǎng)、低時(shí)延、低功耗，那智能家居需要什么呢？需要良好的無線信號(hào)覆蓋、友好方便的用戶交互、資費(fèi)便宜甚至免費(fèi)，這些光纖寬帶+WIFI技術(shù)已經(jīng)完全滿足了。
試想一下，如果用5G實(shí)現(xiàn)智能家居，可能會(huì)出現(xiàn)：衛(wèi)生間信號(hào)不好，智能馬桶沖不能沖水；欠費(fèi)停機(jī)，智能門鎖就開不了；白天可以看4K高清視頻，晚上就只能看標(biāo)清視頻（5G無線容量都是整個(gè)基站的所有用戶共享的，沒辦法承諾單個(gè)用戶的上網(wǎng)速率的）。但用PLC turbo + mesh wifi 技術(shù)，可以解決無死角信號(hào)覆蓋，永遠(yuǎn)不會(huì)欠費(fèi)，也不會(huì)和鄰居爭(zhēng)搶無線頻率資源。
除了智能家居，很多封閉場(chǎng)景下，使用局域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更加合適，比如廣州宜家商場(chǎng)，全封閉環(huán)境下使用ibeacon藍(lán)牙定位服務(wù)，這些不一定非要用5G的物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景。當(dāng)然，確實(shí)有些低時(shí)延、大覆蓋的場(chǎng)景，需要使用蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)才能解決，比如車聯(lián)網(wǎng)。
物聯(lián)網(wǎng)方案的發(fā)展
Cat-1
Cat-1代表了使用現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)連接物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的早期推動(dòng)力。雖然性能不如3G網(wǎng)絡(luò)，但他是需要瀏覽器界面或語音功能的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的絕佳選擇。重要的是它已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化并且物聯(lián)網(wǎng)很容易過渡到Cat-1網(wǎng)絡(luò)。
Cat-0
Cat-1之后有了Cat-0。相對(duì)于Cat-1，它優(yōu)化了成本，消除了Cat-1支持的高數(shù)據(jù)要求的功能，放棄了對(duì)MIMO的支持，簡(jiǎn)化為半雙工，峰值速率降低為1Mbit/s，終端復(fù)雜度降低為普通LTE終端的40%。
LTE-M通常被視為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而構(gòu)建的第二代LTE芯片。他完成了Cat-0最初設(shè)想的低成本和低功耗。通過將最大系統(tǒng)帶寬限制在1.4MHz，而不是Cat-0的20MHz。Cat-M相對(duì)于其他方案的真正優(yōu)勢(shì)在于Cat-M與現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)兼容。對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來說，這是一個(gè)好消息，因?yàn)樗麄儾恍枰ㄥX來建造新的天線，盡管Cat-M與LTE網(wǎng)絡(luò)相連需要一個(gè)軟件補(bǔ)丁。
NB-IoT/Cat-M2
NB-IoT的目的類似于Cat-M，但是它使用DSSS調(diào)制而不是LTE無線電。因此NB-IoT不在LTE頻段中運(yùn)行，這意味著供應(yīng)商前期部署NB-IoT的成本會(huì)更高。盡管如此NB-IoT被吹捧為可能更便宜的選擇，因?yàn)樗藢?duì)網(wǎng)關(guān)的需求。其他方案的基礎(chǔ)設(shè)施通常具有聚合傳感器數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)，然后網(wǎng)關(guān)與主服務(wù)器通信。但是，使用NB-IoT，傳感器數(shù)據(jù)將直接發(fā)送到主服務(wù)器。
NB-IoT與LTE-M的優(yōu)劣
LTE-M和NB-IoT都屬于M2M通信的類別，也稱MTC（機(jī)器類型通信）。并且兩者都是專門為長(zhǎng)時(shí)間傳輸少量數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備而設(shè)計(jì)優(yōu)化的。兩者都有特定的應(yīng)用場(chǎng)景。
LTE-M
LTE-M的設(shè)備復(fù)雜度更低，支持大規(guī)模的連接密度、低設(shè)備功耗、低延遲并提供廣闊的覆蓋范圍，同時(shí)允許服復(fù)用LTE的基礎(chǔ)設(shè)施。
對(duì)于任務(wù)關(guān)鍵型的應(yīng)用，LTE-M是唯一的選擇，它支持需要實(shí)時(shí)通信的設(shè)備，以確保應(yīng)用程序滿足用戶體驗(yàn)要求。LTE-M支持語音，并且LTE-M上行鏈路和下行鏈路速度高達(dá)1 Mbps，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過NB-IOT。
盡管LTE-M技術(shù)支持語音，但每個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商都要決定是否在LTE-M技術(shù)支持語音。其次在擴(kuò)展覆蓋面的情況下，語音根本無法用于LTE-M，僅在標(biāo)準(zhǔn)覆蓋區(qū)域中支持語音。
NB-IoT
NB-IOT是為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模分布式設(shè)備的高效通信和長(zhǎng)電池壽命的方案，使用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)來連接這些事物。NB-IoT的特點(diǎn)是改善室內(nèi)覆蓋（擁有更強(qiáng)的穿透力），支持大量低吞吐量設(shè)備，低延遲靈敏度，超低設(shè)備成本，低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。
在醫(yī)療保健領(lǐng)域，許多患者監(jiān)測(cè)設(shè)備僅需要記錄并將患者病情的少量數(shù)據(jù)傳輸?shù)结t(yī)院。在農(nóng)業(yè)方面，需要傳輸?shù)奶鞖饣蛲寥罓顩r數(shù)據(jù)量很少，而對(duì)于智慧城市，傳感器檢測(cè)城市垃圾箱的充滿程度或空氣污染程度對(duì)數(shù)據(jù)量的要求也不高。這時(shí)NB-IoT會(huì)是更好的選擇。
物聯(lián)網(wǎng)涵蓋了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于實(shí)時(shí)監(jiān)控，你可能需要高帶寬。對(duì)于資產(chǎn)跟蹤，數(shù)據(jù)吞吐量很小，但隨著對(duì)象的移動(dòng)，不可避免地會(huì)有很多切換。智能電表和許多智能城市用例需要每天一次或兩次小型數(shù)據(jù)傳輸。這意味著沒有一種技術(shù)可以滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的特定需求。
正在路上的物聯(lián)網(wǎng)
3G UMTS和4G LTE技術(shù)使用不同的核心網(wǎng)絡(luò)，這會(huì)產(chǎn)生額外的復(fù)雜性和成本，運(yùn)營(yíng)商也需要棄用3G技術(shù)以進(jìn)入單核心網(wǎng)絡(luò)。同樣的問題不會(huì)出現(xiàn)在5G核心網(wǎng)絡(luò)，它可以連接到5G NR以及5G LTE。
為了確保LTE-M和NB-IoT的類似兼容性，3GPP正在研究允許NB-IoT和LTE-M連接到5G核心網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制。這將使未來的5G系統(tǒng)能夠使用相同的核心網(wǎng)絡(luò)支持LTE、NR、NB-IoT和LTE-M。
NB-IoT和LTE-M剛剛起步。在接下來的幾年中，這些低功耗蜂窩網(wǎng)絡(luò)將為大量新應(yīng)用打開大門，連接數(shù)十億需要遠(yuǎn)程連接并延長(zhǎng)電池壽命的設(shè)備。
物聯(lián)網(wǎng)的世界非常多姿多彩，個(gè)性化需求很多，萬物互連應(yīng)該是有由蜂窩網(wǎng)技術(shù)和局域網(wǎng)技術(shù)共同完成。4G和5G只是屬于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的一種，并不是全部，從經(jīng)濟(jì)性和安全性，萬物互連不能單獨(dú)由4G和5G承擔(dān)。
萬物互連是真需求，但5G不是唯一方案，泛在無線百花齊放。
為滿足“萬物互連”的需求，5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)海量連接，是由運(yùn)營(yíng)商主推的使用蜂窩物聯(lián)網(wǎng)方案，利用蜂窩技術(shù)來實(shí)現(xiàn)海量連接，確實(shí)是3GPP組織對(duì)人類的重要貢獻(xiàn)。但從上面分析可以看出，滿足“萬物互連”不一非得使用5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)，而是各種有線無線技術(shù)輪番上場(chǎng)，各展身手，這就是傳說中的泛在網(wǎng)，或者泛在無線通信（5G本身只是泛在無線的一種方式而已）。在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，眾多泛在無線通信技術(shù)百花齊放，與5G一并起舞。
最近幾天，網(wǎng)上廣泛流傳了項(xiàng)立剛老師關(guān)于5G技術(shù)業(yè)務(wù)的視頻，項(xiàng)老師在其中提到2025年中國的物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)（連接數(shù)）達(dá)到100億，這是非常可能的，但是否都用5G或蜂窩技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，各位看官看了上面的分析，心里自有答案了。
