采用蜂窩技術(shù)實現(xiàn)機器對機器通信的方案設計及優(yōu)勢分析

介紹

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）預計將在未來十年連接數(shù)十億臺設備（參見：）。低成本，高覆蓋率和低功耗的解決方案將成為針對IoT應用的大多數(shù)用例的解決方案的基礎。強有力的技術(shù)標準和協(xié)議的行業(yè)協(xié)調(diào)將推動更大規(guī)模的經(jīng)濟性和輕松的端到端集成和互操作性。

圖1、連接設備發(fā)展的驅(qū)動力來自于人，企業(yè)和社會。

機器對機器（M2M）通信是整個物聯(lián)網(wǎng)（IoT）生態(tài)系統(tǒng)的巨大組成部分。值得注意的是，它能夠以自主，可靠和經(jīng)濟高效的方式連接機器。只有一個類似于連接在互聯(lián)網(wǎng)上的計算機一樣無處不在的連接對象，才能使物聯(lián)網(wǎng)中的互聯(lián)網(wǎng)范式成為可能。傳統(tǒng)上，主要是在工業(yè)自動化和控制的背景下所謂的連接是通過電線的方式來實現(xiàn)的。在過去十年中出現(xiàn)的無線連接替代品提供了顯著的商業(yè)利益，同時也彌補了有線連接方式的缺點。

然而，在M2M行業(yè)中有線和無線解決方案的選擇也通常飽受爭議。與有線解決方案相比，無線解決方案相對易于部署以及針對單點故障的魯棒性方面是有吸引力的，而有線解決方案可以確保對無線電難以到達的位置的覆蓋。與有線解決方案相比，M2M應用的無線解決方案的主要挑戰(zhàn)是功耗和射頻無線電的成本。不同的M2M服務具有不同的要求，并且針對移動性，功耗，覆蓋范圍，易于推出性等所有這些要求的單一標準化解決方案是確保達成M2M解決方案被大眾市場成功應用所要求的成本目標的關(guān)鍵，用于隔離集群部署的解決方案是基于無線個人區(qū)域網(wǎng)絡（WPAN：wireless personal area networks）的，例如藍牙，ZigBee和6LoWPAN?；谥T如3GPP開發(fā)的技術(shù)的解決方案更適合于需要移動性和通信范圍更廣的M2M服務。

另一個挑戰(zhàn)是通過API（一種允許實時數(shù)據(jù)交換的基于標準的接口）來滿足M2M網(wǎng)絡和核心企業(yè)系統(tǒng)之間的關(guān)鍵鏈路需求。對其的標準化將為實現(xiàn)輕便，大規(guī)模，持續(xù)可用的實時接口鋪平道路。當前行業(yè)正在制定協(xié)調(diào)一致的API標準以鍛造實現(xiàn)價值鏈。

以上所有特性都是為M2M通信提供最佳解決方案的基礎。蜂窩MTC（Cellular MTC，即Cellular，Machine Type Communications ，蜂窩機器類型通信，3GPP中的M2M的工作術(shù)語，有時也稱為蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（Cellular Internet of Thing， CIoT））解決方案真正有能力滿足這些特性。因此，毫無疑問，3GPP正在通過其行業(yè)合作伙伴開始研究和標準化特定技術(shù)機器類型通信（MTC）實施例。

圖2、蜂窩M2M通信的系統(tǒng)模型

本文通過首先概述蜂窩3GPP支持的MTC的優(yōu)勢，挑戰(zhàn)和適用性，然后在后面的系列文章中討論特定的3GPP協(xié)議開發(fā)，并詳細介紹它們的進展和未來向5G演進的方向。

蜂窩M2M通信的優(yōu)缺點

下面的內(nèi)容中我們會詳細介紹在利用蜂窩M2M連接解決方案時所遇到的折中問題。值得注意的是，我們討論使用蜂窩進行M2M通信的優(yōu)勢，以及需要解決的挑戰(zhàn)以及前代蜂窩技術(shù)和當代蜂窩技術(shù)該如何適應這些挑戰(zhàn)。

使用蜂窩技術(shù)進行M2M通信的優(yōu)點

使用蜂窩系統(tǒng)提供M2M連接具有許多優(yōu)點。值得注意的是，由于具有無處不在的覆蓋范圍，漫游支持，互操作性保證，服務質(zhì)量（QoS：quality of service）保證，提供服務級別協(xié)議（SLAs：service-level agreements）的能力以及運營服務平臺的可用性使得蜂窩技術(shù)提供在商業(yè)上具有競爭力的M2M解決方案成為可能。

M2M解決方案提供商（例如Worldsensing公司，參見網(wǎng)址：）最大的擔憂之一就是保證可靠和強大的連接，即使是在靜態(tài)部署情況下。與ZigBee，Wi-Fi或者其它的低功率廣域網(wǎng)（low-power wide area networks，即LPWA，如LoRaWAN（） ，Sigfox（））相比，即使在最偏遠的地方，蜂窩也可以在全球范圍內(nèi)普遍享有覆蓋面。因此，不需要安裝額外的網(wǎng)關(guān)或中繼器，這將顯著降低進入的部署障礙和運行成本?？偟膩碚f，我們發(fā)現(xiàn)，盡管調(diào)制解調(diào)器成本和數(shù)據(jù)規(guī)劃成本更高，但是基于蜂窩的M2M解決方案的總體擁有成本（TCO： total cost of ownership）比競爭的連接解決方案更具成本效益。

蜂窩M2M的另一巨大優(yōu)勢是能夠支持移動性和漫游。這將立即將市場擴大到例如汽車和追蹤應用等領域中。目前沒有其他可用的連接技術(shù)可以產(chǎn)生像蜂窩那樣的覆蓋面和對移動性的支持。這給M2M解決方案提供商帶來了極大的安撫，讓他們安心。

從商業(yè)角度來看，另一大優(yōu)點是許可蜂窩頻譜（licensed cellular spectrum bands）中的SLAs（service-level agreements）的可用性。法規(guī)目前限制了在免許可證的ISM頻段提供SLAs的能力，這大大限制了在企業(yè)對企業(yè)M2M（business-to-business M2M ）應用中采用該技術(shù)。為了舉例說明這一點，想象一下關(guān)鍵的基礎設施被裝配并發(fā)生了由于無線連接中斷而導致故障沒有報告從而引發(fā)嚴重的事故。由于M2M解決方案提供商對連接性影響不大但無法利用到調(diào)制解調(diào)器提供商來承擔故障責任，因此使用ISM頻段技術(shù)使所有各方都處于法律的邊緣之中。這在許可的蜂窩頻段中是非常不同的，在許可頻段的蜂窩中可以簽署和執(zhí)行SLAs，從而為M2M解決方案提供商提供額外的安心保障。

另一個強大的業(yè)務方面是提供橫向（水平）服務平臺（horizontal service platforms），例如電信巨頭如沃達豐提供的平臺（參見：）。值得注意的是，這些平臺降低了進入市場的障礙，這些平臺已經(jīng)在不同的環(huán)境中使用。為了說明這一點，想象一個市政廳已經(jīng)使用沃達豐的服務平臺已經(jīng)很長時間了來在城市中提供IT連接和服務;如果可以使用/重復使用相同的服務平臺，則提供M2M / IoT應用等附加服務的進入門檻要低得多。

圖3、沃達豐提供的水平M2M平臺

促進蜂窩M2M發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)

然而，迄今為止仍然存在若干挑戰(zhàn)，克服這些挑戰(zhàn)才能確保M2M蜂窩解決方案的真正吸引。顯著的挑戰(zhàn)在于能夠獨特地識別M2M設備，優(yōu)化系統(tǒng)以進行少量和低頻次的數(shù)據(jù)傳輸，能夠在非常具有挑戰(zhàn)性的傳播環(huán)境中提供額外的覆蓋，處理接入和核心網(wǎng)絡中的擁塞，降低復雜性和能耗，并促進提供可行的服務?，F(xiàn)在在設備，網(wǎng)絡和服務配置設計中的這些挑戰(zhàn)將在后面系列文章中一些更詳細的內(nèi)容中進行討論。

與蜂窩M2M設備設計相關(guān)的挑戰(zhàn)涉及

（i）能量消耗；

（ii）調(diào)制解調(diào)器復雜性；

（iii）調(diào)制解調(diào)器成本。

所有這三者是相互交織的，例如，復雜性的降低通常伴隨著成本的降低。而如果設備復雜度降低，那么處理能力則可能會顯著降低。此外，鑒于與低功率ZigBee / Wi-Fi設備相比，蜂窩設備的傳輸功率通常非常高，與實際無線傳輸相關(guān)的能量消耗只能通過在系統(tǒng)允許顯著減少通過空中接口傳送數(shù)據(jù)所需時間的情況下來降低。

關(guān)于M2M網(wǎng)絡設計，要解決的問題涉及能夠有效地處理通信的通信協(xié)議，并且最重要的是解決在接入中的通信問題;其他重要問題是解決和提供廣覆蓋面和移動性的問題。實際上，當涉及到M2M業(yè)務的支持時，通信協(xié)議的效率通常是非常低的，因為連接建立需要太長的時間因此無法促進節(jié)能運行。此外，當前的物理隨機接入信道協(xié)議不能同時處理大量接入到網(wǎng)絡中的連接設備。此外，需要優(yōu)化用于數(shù)據(jù)量小和傳輸頻次不高的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：只有少量數(shù)據(jù)的設備，如果能夠快速發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)，然后變?yōu)樾菝郀顟B(tài)，則可以顯著減少對其他設備的干擾并將能夠節(jié)省電池。對于尋址（addressing），設備將需要被識別和尋址;現(xiàn)有的尋址方案可能不適用于支持大量的設備。

當前蜂窩解決方案的適用性

蜂窩網(wǎng)絡已經(jīng)從20世紀80年代早期的總接入通信系統(tǒng)（TACS：Total Access Communication System）一步步演進過來，TACS時代語音作為主要業(yè)務，一直到20世紀90年代早期的GSM / EGPRS時代語音和SMS（短消息）作為主要業(yè)務；而語音和數(shù)據(jù)則是2000年代中期的UMTS / HSPA的主要業(yè)務。2010年代的早期，LTE開始被部署，并且在隨后幾年中廣泛的運營商進行了LTE系統(tǒng)部署。從第一代TACS到第四代（4G）LTE的每一代移動通信技術(shù)的演進可以在10年內(nèi)得到應用，并且預期在2020年將會有第五代蜂窩系統(tǒng)（5G）的部署。

所述蜂窩系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分是頻譜，頻譜被認為是有價值的資源，因此，技術(shù)演進的關(guān)鍵考慮之一是頻譜效率。與第一代系統(tǒng)相比，4G的頻譜效率提高了20倍。 4G LTE系統(tǒng)可以部署在從1.4到20 MHz等六種不同載波帶寬的配置中。這種靈活性是更好地利用碎片化頻譜的關(guān)鍵。

延遲和用戶吞吐量是影響用戶體驗的重要屬性。 4G LTE系統(tǒng)已針對移動寬帶傳輸進行了優(yōu)化，端到端延遲數(shù)十毫秒，平均用戶數(shù)據(jù)速率為每秒數(shù)十Mbits。用于寬帶數(shù)據(jù)的高性能4G系統(tǒng)增加了設備的復雜性，增加了功耗，以及還不那么成熟的生態(tài)系統(tǒng)，以及由于對全球范圍內(nèi)大量零散部署頻段的支持的設備限制所導致的漫游挑戰(zhàn)。

在支持M2M的嚴格要求方面，2G技術(shù)系列，即GSM和GPRS / EGPRS是理想的，因為其功耗和成本低，覆蓋面廣，生態(tài)系統(tǒng)發(fā)達成熟;然而，從經(jīng)濟的角度來看，對于下一代系統(tǒng)來說，重新組合頻段更為可行。 3G系列，即UMTS和HSPA，是一種不太可取的技術(shù)，因為功率效率較差，調(diào)制解調(diào)器的成本也較高;總體而言，它是一種不太可取的M2M技術(shù)，是一種“過度殺傷（overkill）”的設計，因為它提供了太多超過了本身能力的需求。 4G技術(shù)，即LTE和LTE-A，再次引起了業(yè)界的興趣，因為空中接口采用的OFDM（A）技術(shù)允許根據(jù)需要縮放帶寬;調(diào)制解調(diào)器成本和全球覆蓋的問題在逐步得到了解決。

圖4、LTE的協(xié)議逐步演進旨在增強其對大規(guī)模MTC應用的支持能力。

LTE的第一個版本的3GPP協(xié)議已經(jīng)可以很好地支持Massive－MTC應用。然而，最近3GPP協(xié)議已經(jīng)有更新來作為LTE特定演進的一部分，實現(xiàn)對大規(guī)模MTC應用的增強支持。

如圖4所示，該演進中的第一步是在3GPP版本12（3GPP Release 12）中進行的。然后在版本13（3GPP Release 13）中再附加一些步驟。在第12版和第13版3GPP 協(xié)議中解決大規(guī)模MTC應用的LTE規(guī)范的不同更新我們將在后面的文章中分別更詳細。

除了LTE對于大規(guī)模MTC應用的增強支持的這種更直接的演進之外，還存在被稱為窄帶物聯(lián)網(wǎng)（IoT）（NB-IoT）的并行的3GPP標準活動。 剛開始時NB-IoT作為與LTE演進分離的3GPP技術(shù)軌跡發(fā)展。然而，最近NB-IoT技術(shù)已經(jīng)與LTE的發(fā)展保持一致，現(xiàn)在可以將其視為LTE整體演進的一部分。 NB-IoT也將會在后面的文章中進一步討論

總結(jié)

總而言之，大多數(shù)MTC應用的經(jīng)濟性是通過利用規(guī)模經(jīng)濟來降低成本來實現(xiàn)的，從這個角度講目前的2G系統(tǒng)能夠滿足需求。使用4G LTE系統(tǒng)進行MTC應用的論據(jù)是受益于4G系統(tǒng)提供的頻譜效率和帶寬靈活性以及該技術(shù)作為未來蜂窩系統(tǒng)的長期應用預期。如上所述，高數(shù)據(jù)速率和低等待時間并不是大多數(shù)MTC應用的關(guān)鍵屬性。面臨的挑戰(zhàn)是適應專為高效寬帶通信而設計的4G LTE系統(tǒng)，也可以提供和支持MTC應用。