5G時代蜂窩物聯(lián)網(wǎng)演進方案研究

0 引言

近年來物聯(lián)網(wǎng)（IoT）被逐步認為是繼計算機和移動互聯(lián)網(wǎng)之后，將引領(lǐng)第3 次信息產(chǎn)業(yè)革命浪潮的關(guān)鍵技術(shù)。其中，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)作為解決物聯(lián)網(wǎng)連接的重要技術(shù)之一，也得到快速的發(fā)展。隨著移動通信技術(shù)的演進，2G、3G、LTE（Cat.1&Cat.4）、NB-IoT、eMTC 等技術(shù)都逐步成為不同物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的技術(shù)選擇，而隨著5G這一面向萬物互聯(lián)技術(shù)的到來，中國聯(lián)通蜂窩物聯(lián)網(wǎng)面臨2G 到5G 四代技術(shù)7 種網(wǎng)絡(luò)的演進，下面將結(jié)合應(yīng)用需求和中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)實際介紹物聯(lián)網(wǎng)演進方案。

1 中國聯(lián)通蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀概述

根據(jù)IDC 的調(diào)研報告，主要按照速率要求將全球蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的連接分成低、中、高速率3 類業(yè)務(wù)，各類別占比、可采用的蜂窩通信技術(shù)及典型應(yīng)用場景分析如下。

a）低速率、低功耗、廣連接類業(yè)務(wù)，又稱為LPWA（Low Power Wide Area）類業(yè)務(wù)，占比約為60%，目前主要有2G 的GSM、NB-IoT 及eMTC（部分運營商采用）等技術(shù)可滿足，典型的業(yè)務(wù)代表有水、電、燃氣類的抄表業(yè)務(wù)以及智慧城市相關(guān)應(yīng)用，目前中國聯(lián)通已有物聯(lián)網(wǎng)連接大部分為此類應(yīng)用。

b）中低速率業(yè)務(wù)：占比約為30%，主要有3G WCDMA、LTE Cat.1 和eMTC 等技術(shù)選擇，典型的業(yè)務(wù)代表有智能POS 機、可穿戴設(shè)備及電梯監(jiān)控等，是當前中國聯(lián)通物聯(lián)網(wǎng)收入的重要來源。

c）高速率業(yè)務(wù)：占比約為10%，主要的技術(shù)選擇有LTE Cat.4、LTE Cat.6 及5G 等，典型的業(yè)務(wù)有車聯(lián)網(wǎng)、視頻監(jiān)控及遠程醫(yī)療等，此類業(yè)務(wù)雖然占比不高，但價值高，是未來運營商物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的重點發(fā)展方向。

從上面分析可以看出，一方面，滿足不同業(yè)務(wù)需求的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)橫跨2G、3G、4G、5G 4 代通信技術(shù)，且同一類業(yè)務(wù)有2 種以上的技術(shù)可以滿足，需要運營商網(wǎng)絡(luò)演進時做出選擇。另一方面，目前中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀：面臨著2G 加速退網(wǎng)，3G 逐步減頻退網(wǎng)，4G 網(wǎng)絡(luò)基本完成了全國的覆蓋且全面支持LTE Cat.1、Cat.4的終端，NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)正在逐步建設(shè)過程中，eMTC 網(wǎng)絡(luò)完成了前期的試點驗證，商用網(wǎng)絡(luò)建設(shè)尚未啟動，5G 網(wǎng)絡(luò)正加速部署，相關(guān)功能也逐步完善。面對以上技術(shù)情況與網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，中國聯(lián)通的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)該如何演進，需要綜合分析研究。

2 中國聯(lián)通2G/3G/4G物聯(lián)網(wǎng)定位及演進策略

一般來說，一種蜂窩物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的定位、演進與推廣需要考慮多方面的因素，主要有如下幾個方面。首先，相關(guān)網(wǎng)絡(luò)需要與技術(shù)的演進路線與階段保持大概一致，淘汰落后技術(shù)，推廣先進技術(shù)；其次，不同物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)類型對網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)指標要求不同，而不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計目標及網(wǎng)絡(luò)能力也不相同，需要根據(jù)業(yè)務(wù)需求確定不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；最后，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用終端數(shù)量巨大，成本敏感，相關(guān)模組的價格及其產(chǎn)業(yè)鏈的成熟度也影響著對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的選擇。下面根據(jù)以上幾點因素對中國聯(lián)通物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的演進分別進行分析。

2.1 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)演進路線

自1991年第一張GSM網(wǎng)絡(luò)于芬蘭商用以來，GSM網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)發(fā)展了近30 年，按照一般產(chǎn)品生命周期4 個階段的劃分準則，現(xiàn)在已經(jīng)進入了衰退期，全球運營商紛紛啟動了2G 的退網(wǎng)，中國政府也認為“逐步啟動了2G、3G 的退網(wǎng)是移動通信更新?lián)Q代的必然選擇”。類似的，3G WCDMA 技術(shù)也逐步進入了產(chǎn)品的衰退期，3GPP 標準組織也陸續(xù)推出了4G、5G 相關(guān)技術(shù)作為這2 種技術(shù)的替代。結(jié)合技術(shù)演進趨勢，為了提高頻率利用率和運營效率，中國聯(lián)通也基本不再對這2張網(wǎng)絡(luò)進行投資，于2020年內(nèi)完成2G網(wǎng)絡(luò)的退網(wǎng)，3G網(wǎng)絡(luò)打薄逐步啟動退網(wǎng)前的準備。

作為4G 標準之一的LTE 技術(shù)目前已經(jīng)成為全球的主流，相關(guān)產(chǎn)品正處于成熟期，網(wǎng)絡(luò)部署接近尾聲、終端也已十分豐富，4G網(wǎng)絡(luò)是全球運營商的主流服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，按照行業(yè)預(yù)計在未來相當長的一段時間內(nèi)，將與5G網(wǎng)絡(luò)并存，成為運營商的主要服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。

由3GPP推出基于LTE演進的NB-IoT技術(shù)作為專門面向低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)（LPWA——Low Power Wide Area）領(lǐng)域的通信標準，具備“廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接”等四大優(yōu)勢，一經(jīng)推出即受到全球各大運營商的主推，成為2G物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的主要替代技術(shù)。

另一方面，由3GPP 同期推出的eMTC 技術(shù)同樣由LTE 演進而來，具有與NB-IoT 技術(shù)接近的技術(shù)優(yōu)勢，但不需要獨立載波，可直接在LTE 載波上開通，也成為LPWA業(yè)務(wù)的候選技術(shù)之一，也在全球獲得推廣。

2.2 不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)指標對比分析

經(jīng)過對大部分物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)指標要求主要集中在上下行速率、不同狀態(tài)下的通信功耗和移動速度支持等幾個方面，表1 對目前幾種主要的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)指標進行了詳細對比。

表1 2G/3G/4G不同蜂窩物聯(lián)網(wǎng)主要技術(shù)指標對比

不同類型的業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)指標的要求也各不相同，所以需要選擇不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)滿足不同業(yè)務(wù)的需求，因此在決定不同網(wǎng)絡(luò)演進方案時，需要考慮保留的網(wǎng)絡(luò)能夠滿足前面提到的低、中、高速率不同業(yè)務(wù)的所有需求。結(jié)合上面不同網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)指標特性、不同速率的實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)可以做如下分類，滿足同一類型業(yè)務(wù)的2種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)間可在一定程度上替換。

a）高速率：LTE Cat.4。

b）中低速率：LTE Cat.1、eMTC、3G WCDMA/HSPA+。

c）低速率、LPWA：NB-IoT、eMTC（部分場景）、2G。

2.3 模組及產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀分析

一般物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用從開發(fā)轉(zhuǎn)入規(guī)模推廣階段時，終端尤其是對應(yīng)的模組成本對應(yīng)用的規(guī)模推廣至關(guān)重要，同時，現(xiàn)網(wǎng)是否支持也會影響網(wǎng)絡(luò)的升級成本，最終也會分攤至推廣成本，因此在決定網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的演進路線時需要結(jié)合對應(yīng)技術(shù)的模組、產(chǎn)業(yè)鏈的成熟度、價格情況及現(xiàn)網(wǎng)支持情況綜合考慮，表2 對以上幾種技術(shù)對應(yīng)模組產(chǎn)業(yè)情況進行了詳細分析。

表2 模組產(chǎn)業(yè)情況統(tǒng)計

綜合以上分析，從產(chǎn)業(yè)鏈的角度各種技術(shù)演進建議總結(jié)如下。

a）產(chǎn)業(yè)成熟、行業(yè)發(fā)展趨勢、主推技術(shù)：LTE Cat.4、LTE Cat.1、NB-IoT。b）產(chǎn)業(yè)不成熟、政策不支持、需觀望技術(shù)：eMTC。c）產(chǎn)業(yè)成熟、衰退期技術(shù)、需放棄技術(shù)：2G、3G（HSPA+）。

2.4 中國聯(lián)通2G/3G/4G物聯(lián)網(wǎng)定位及演進策略建議

結(jié)合前面3 節(jié)中關(guān)于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)演進、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)指標及模組產(chǎn)業(yè)鏈的分析，對目前中國聯(lián)通蜂窩物聯(lián)網(wǎng)演進建議如圖1所示。

a）2G：堅定推進退網(wǎng)，加快速度盡快完成退網(wǎng)。已有或潛在業(yè)務(wù)中高價值用戶引導(dǎo)其往LTE Cat.1 遷轉(zhuǎn)（如車聯(lián)網(wǎng)等）；靜止或者移動性低的低價值2G物聯(lián)網(wǎng)用戶（如抄表類、煙感等），推動用戶往NB-IoT 技術(shù)發(fā)展。

圖1 中國聯(lián)通蜂窩物聯(lián)網(wǎng)演進建議

b）3G：原則上停止演進，有序推進減頻退網(wǎng)，推動已有或潛在客戶往LTE Cat.1遷轉(zhuǎn)。

c）4G：積極發(fā)展為物聯(lián)網(wǎng)中高速業(yè)務(wù)主力承載網(wǎng)絡(luò)，繼續(xù)推進基于Cat.4 的高速業(yè)務(wù)承載，積極推廣Cat.1作為中低速業(yè)務(wù)的承載，并根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展情況對現(xiàn)網(wǎng)參數(shù)配置與容量等做出動態(tài)調(diào)整。

d）NB-IoT：積極完善覆蓋，可考慮通過自建、積極嘗試與中國電信的網(wǎng)絡(luò)漫游或共建共享合作等方式形成一張覆蓋完善的低功耗廣覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)。

e）eMTC：由于國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈不成熟，建議不啟動商用部署，積極跟蹤技術(shù)與業(yè)務(wù)發(fā)展，按業(yè)務(wù)需求按需啟動建設(shè)。

3 中國聯(lián)通5G物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展策略

隨著國內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)部署的加速推進，面向萬物互聯(lián)為主要目標設(shè)計的5G 技術(shù)必將成為未來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主戰(zhàn)場，下面將初步分析5G物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展定位及如何利用5G關(guān)鍵技術(shù)加速5G物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展。

3.1 5G物聯(lián)網(wǎng)大連接（mMTC）方向發(fā)展定位

5G 三大應(yīng)用方向中海量連接（mMTC）是專門為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計的，一般面向LPWA類應(yīng)用，針對此類應(yīng)用目前已定義的5G R15、R16 2 個版本的情況如下。

a）對LPWA應(yīng)用場景未引入新的空口技術(shù)標準。

b）3GPP 將通過NB-IoT 和eMTC 2 種技術(shù)及其演進增強來滿足相關(guān)需求。

c）NB-IoT 和eMTC 相關(guān)的增強方案與5G 空口與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)兼容。

通過以上分析可以看出，一段時間內(nèi)5G物聯(lián)網(wǎng)大連接場景仍將由NB-IoT 和eMTC 2 種技術(shù)來滿足，而按前面分析eMTC 技術(shù)在國內(nèi)運營商基本沒有部署，所以目前中國聯(lián)通仍需積極解決NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題并推廣相關(guān)業(yè)務(wù)，既可為未來新的5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)保留更多商業(yè)機會，也可探索更多適合mMTC 類業(yè)務(wù)的商業(yè)模式。

3.2 利用5G MEC構(gòu)建端邊協(xié)同型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

邊緣云（MEC——Multi-access Edge Computing）作為5G 的關(guān)鍵技術(shù)之一，實現(xiàn)了將計算、存儲等能力下沉至更接近用戶業(yè)務(wù)的位置，可以將物聯(lián)網(wǎng)終端除通信與數(shù)據(jù)采集功能外的其他功能轉(zhuǎn)移到邊緣云平臺實現(xiàn)，同時，利用5G網(wǎng)絡(luò)的“寬”管道能力，及時將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至“邊緣云”進行相應(yīng)處理，如圖2 所示。由此通過5G MEC 的端邊協(xié)同技術(shù)，將終端能力上移實現(xiàn)了“瘦”終端，降低了終端成本，便于應(yīng)用的規(guī)模推廣；另一方面利用5G“寬”管道的優(yōu)勢確保了應(yīng)用效果與終端本地處理基本一致。最后，由于應(yīng)用上移邊緣云平臺，則可以借助更強大的處理能力，使應(yīng)用更靈活，未來將成為5G物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一大方向。

圖2 5G物聯(lián)網(wǎng)端邊協(xié)同發(fā)展

3.3 基于網(wǎng)絡(luò)切片打造定制型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

5G 通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，使得運營商能夠在一個通用的物理平臺之上構(gòu)建多個專用的、虛擬化的、互相隔離的邏輯網(wǎng)絡(luò)，來滿足不同客戶對網(wǎng)絡(luò)能力的不同要求。比如：可通過切片技術(shù)，針對高帶寬的VR 類業(yè)務(wù)，打造高帶寬的VR 專屬物聯(lián)網(wǎng)虛擬專網(wǎng)；針對未來的無人機應(yīng)用，打造低時延、中速率的無人機專屬切片；針對低時延、高可靠的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，打造低時延、高可靠的車聯(lián)網(wǎng)專屬物聯(lián)網(wǎng)虛擬專網(wǎng)等等。借助5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，針對不同的行業(yè)應(yīng)用需求，打造定制型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，未來必將成為各類5G 物聯(lián)網(wǎng)，尤其是高可靠、低時延類應(yīng)用的關(guān)鍵解決方案。

目前，5G 仍處在產(chǎn)品的成長期，5G 模組等還未規(guī)模商用，成本還比較高，5G 物聯(lián)網(wǎng)短期內(nèi)仍難實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，所以一方面需要通過5G邊緣云等關(guān)鍵技術(shù)降低模組及物聯(lián)網(wǎng)終端成本，拓展新的應(yīng)用場景，為規(guī)模商用鋪路，另一方面，也可以通過切片等技術(shù)率先拓展高附加值的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，為未來廣泛的5G物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用打開窗口，積累經(jīng)驗。

4 結(jié)束語

隨著5G 的部署，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將面臨2G 到5G 4 代技術(shù)7 種網(wǎng)絡(luò)方案的選擇，本文結(jié)合3GPP 等技術(shù)演進方向、中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀、行業(yè)應(yīng)用需求、產(chǎn)業(yè)鏈尤其是模組的發(fā)展趨勢，對中國聯(lián)通蜂窩物聯(lián)網(wǎng)給出了2G 退網(wǎng)、3G 減頻退網(wǎng)、LTE 大力發(fā)展（重點推廣Cat.1）、NB-IoT加快覆蓋、eMTC按需發(fā)展的演進方案，同時，對5G 物聯(lián)網(wǎng)的定位及利用5G 關(guān)鍵技術(shù)推動5G物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提出了建議，迎接萬物互聯(lián)世界的到來。