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5G窄带物联网的发展方向

1、引言

 

新兴的5G(第五代移动通信)系统将会在移动通信国际标准组织3GPPRelease 15及其之后版本中得到定义。但是,目前,很多的5G基础技术已经被用作LTE Advanced Pro(也就是4.5G)的组成部分。在3GPP Release 13版本标准的基础上,NB-IoT(蜂窝窄带物联网)技术将会持续向前演进——演进的方向是可用于大规模移动IoT(物联网)应用的“窄带5GNarrowband 5G)”技术。此外,全球移动通信业界对于3GPP Release 14版本标准的提案中,认为其应在以下方面(包括但不限于)进一步增强能力:语音/移动性、定位/位置服务、广播支撑(用以进行更为高效的固件OTA(空中)下载/更新)[1]

 

25G大规模移动物联网所应具备的两大新能力

 

1RSMA

 

通过部署一种名为RSMAResource Spread Multiple Access,资源扩展多址接入)的新兴上行多址接入技术,5G可以达到相对于现有4G更高的网络节点密度,从而就将可提升对于大规模移动物联网业务的支撑能力。其中,RSMA是一种非同步、非正交、基于竞争的多址接入协议,可使得物联网终端(包括物体、机器等)在无需网络预先调度的情况下进行数据传输,从而将可新一步地降低设备实现的复杂度以及信令开销。

 

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1  RSMA的原理:上行方向免许可(Grant-free uplink[1]

 

25G小区扩展——对等网状网

 

为了将移动物联网的网络覆盖扩展到最为极限的地点(比如很深的地下、超远程控制点等),5G将会支持多跳型网状网组网(multi-hop mesh),即把其他终端设备作为数据传输的中继节点,使得不在5G小区覆盖范围内的移动物联网设备也能正常接入网络。这就将创造出一种可以把数据传输覆盖范围扩展至传统蜂窝接入小区(比如基站或小基站)之外地域的无边缘网络(edgeless network)。更为重要的是,5G的核心网络也将同时面向5G无线小区内的移动终端设备、5G小区外对等连接型网状网(peer-connected mesh network)中的移动物联网设备,进行WAN(广域网)管理。

 

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多跳型网状网(受到5G核心网的WAN管理)[1]

 

35G关键任务控制型移动物联网所应具备的两大新能力

 

现有的4G LTE移动物联网仅能面向低频度、非延迟/时延敏感型通信作出优化,虽然能满足很多低端物联网应用(比如抄表和无线传感器)的需求,但是,有一类移动物联网应用对于性能需求则有着很高的要求——例如,关键任务控制型移动物联网(mission-critical control IoT)应用要求端到端延迟在1毫秒以下、具备超高的可靠性(极低的数据丢失率)、基于多条无线链路的高可用性(其中各条链路互为备份及移动性支持)、健壮的端到端安全性。业界在设计5G关键任务控制型移动物联网应用时,应该要综合考虑到上述需求。驱动着这些极限需求的是5G无人机、5G工业机器人等应用。另外,并非每一项5G关键任务控制型移动物联网应用都同时对于上述所有极限性能有需求。

 

4、以新型5G网络架构来提供更好的移动物联网业务服务质量

 

新型5G网络架构将会在性能与效率上均会有所提升,并采取“虚拟化的网络功能”来面向各种业务(如移动宽带、大规模移动物联网、关键任务型移动物联网)创建基于相同/单个物理基础网络之上的优化网络切片。其中,每个网络切片均可单独得到专门配置,以满足相关应用/业务正常运行所需的端到端连接性能需求。从而,“网络切片”组网方式对于5G移动物联网尤其适用。这是因为,将来的各项5G移动物联网应用,彼此间很可能有着差异非常巨大的需求,而有了网络切片,就可以满足各项应用在不同应用场景下所特有的SLAs(服务水平协议)需求。此外,为了提高资源定位及利用的效率,将来增强型的5G网络将会采取灵活使用/租用模式(flexible subscription models),并能动态地创建业务、进行动态的业务控制。

 

5、总结

 

对于各个垂直行业而言,物联网时代正在到来。移动物联网将会变革各行各业的商业模式、改变人们的日常生活方式,并未将来很多年内的创新提供强大动力支撑。在为近乎“海”量的物联网终端提供无线网络连接方面,蜂窝移动通信网络技术将会扮演重要角色。目前,LTE正在向这一方向演进:统一的、可扩展的、性能优于非3GPP LPWA(低功耗&广域)解决方案的移动物联网平台。其将不仅可通过现有的网络提供泛在的移动物联网覆盖,还将可向各种移动物联网应用提供其急需的很高水平的可靠性、安全性等。

 

基于LTE Advanced Pro(也就是4.5G)的新兴LTE窄带移动物联网技术将可降低设备实现复杂度、提高终端内置电池的使用寿命、增强网络覆盖能力、使能高网络节点密度的部署。在3GPPLTE Release 13版本标准之中,LTE移动物联网引入了两大新型UE(终端)类型:Cat-M1Cat-NB1,以期提高移动物联网的通信效率。其中:Cat-M1将可提供最广范围的移动物联网能力,具备高级移动性管理能力与VoLTE等先进功能;而Cat-NB1则进一步降低了终端设备成本,并提高了延迟/时延容许能力,更适用于低数据吞吐率的移动物联网应用场景。

 

在目前一代的LTE窄带移动物联网技术的基础之上,将来的5G将会给移动物联网的进一步发展带来诸多机遇。“窄带5GNarrowband 5G)”技术将可通过部署RSMA这一上行面许可的多址接入传输机制具备增强型、大规模移动物联网业务的提供能力,并将可通过“多跳型网状网(multi-hop mesh)”来扩展/延伸出无边缘的移动物联网络。此外,由于具备超低延迟、超高系统可靠性、超高业务可靠性、更好的端到端安全保障能力,5G还将可提供关键任务控制型移动物联网(mission-critical control IoT)应用服务。而且,全新型的5G灵活网络架构还将可通过逻辑网络切片为各种移动物联网业务提供性能和效率均很好的承载服务。总之,“为移动物联网提供连接服务”将是将来5G的一大重要组成部分,未来几十年里,5G将可提供统一、更强大的移动物联网连接平台服务。

 

 

参考文献

 

[1] Qualcomm. Paving the path to Narrowband 5G with LTE Internet of Things (IoT) [EB/OL].

https://www.qualcomm.com/media/documents/files/whitepaper-paving-the-path-to-narrowband-5g-with-lte-internet-of-things-iot.pdf, 2016-07-14.

 


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