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全球无线物联网标准发展现状及展望(5):其他新兴技术

在过去的五年多时间里,数项新型RATRadio Access Technologies,无线接入网络技术)得到了较快发展,而且首要聚焦于对来自爆发式增长的IoT(物联网)设备的相关需求的支撑。对于诸如可穿戴式无线传感器、建筑物内嵌传感器、道路传感器等众多物联网设备而言,其中的一大主要考量将是其内置电池的续航时间以及其寿命周期内所存在的不可达(失联)问题。

 

这些被用于物联网领域的无线接入技术及相关核心参数如下所示:

 

1802.15.4g/6LowPAN技术。采取网状网拓扑结构,部署于室外环境,网络覆盖距离为短程,目前的应用领域包括智能电网、抄表、石油/天然气;

 

2WirelessHart技术。采取网状网拓扑结构,网络覆盖距离为短程,目前应用与工业领域;

 

3Zigbee/ZigbeePro技术。采取网状网拓扑结构,网络覆盖距离为短程,目前的应用领域包括智慧家居与智能建筑;

 

4ISA100技术。采取网状网拓扑结构,网络覆盖距离为短程,目前应用与工业领域;

 

5Proprietary 802.15.4技术。采取点到多点拓扑结构,部署于室外环境,网络覆盖距离为短程,目前的应用领域包括智能泊车、智慧交通等;

 

6Enocean技术。采取网状网拓扑结构,网络覆盖距离为短程,目前主要应用于建筑自动化领域;

 

7StarSense RF技术。采取网状网拓扑结构,部署于室外环境,网络覆盖距离为短程,目前的应用领域主要为智慧照明;

 

8Z-Wave技术。采取网状网拓扑结构,网络覆盖距离为短程,目前的应用领域主要为智慧家居。

 

美洲移动通信协会的这份白皮书接着指出,这就意味着,相关的物联网设备须采取这样的设计原则:多年的电池寿命(超过十年),同时保证对于安全性、应用数据处理等的(独特)需求。

 

此外,另一大需求是更广的无线网络覆盖范围。很多现有的低功率/低功耗无线解决方案仅能提供非常小范围(局域)的本地网络覆盖能力。这就意味着,除了现有的蜂窝移动通信网络之外,也须同步地在接近物联网设备的位置部署相关接入点,以创建覆盖型网络。但在很多情况之下,这并非实用的解决方案。

 

虽然现有已部署的第二、三、四代蜂窝移动通信网络可提供较广域的无线覆盖能力,但是却是以缩短终端电池续航时间为代价”——其中的一大典型实例就是:被用以支撑移动终端快速移动的相关管理机制就会增大终端的功耗。

 

如果物联网设备需要通过地理部署位置的变更来移动到某小区的不同服务节点,并不需要像汽车或其他快速移动的终端那样进行快速跨越小区的移动性管理。

 

从而,众多物联网设备就被分类为具有低的移动性、长的电池寿命、低量的无线数据传输、低的吞吐需求、非常低的设备成本。这些与现有典型智能手机的需求是很不一样的。

 

物联网应用场景的终结点设备典型需求如下:

 

1)无线频谱资源方面:可以在低于1 GHz频点的物理频段、2.4 GHz频段以及5 GHz频段内寻找,其中可以是授权型物理频段,也可以是非授权型物理频段;

 

2)无线网络覆盖方面:长距离覆盖——10千米(输出功率延迟);

 

3)作用对象方面:成千上万;

 

4)无线数据量方面:小量——最大每天10 kB

 

5)无线数据传输速率方面:低速——最高100 kb/s

 

6)延迟/时延方面:从低到高,变化的容许空间较大,最高的可达数分钟的级别;

 

7)电池寿命(续航时间):长——5~20年;

 

8)模块成本:低于5美元;

 

9)业务成本:每年低于10美元。

 

从而,在过去的几年时间之内,数个新型的LPWA(低功耗、广域)无线接入技术逐渐兴起,相关物联网设备及业务也相应地得到一定程度的发展。

 

诸如WeightlessLoRa以及OnRamp Wireless的无线接入技术均可使得相关网络可进行长距离覆盖(超过10千米)、通常部署于ISMIndustrial, Scientific and Medical,工业,科学及医疗)频段(868 MHz915 MHz2.4 GHz)、采取多种调制方式、相关物联网设备具有持续多年的电池续航时间。有些“Whole Offer(一站式服务)业务提供商也开始提供广域网络连接以及数据处理能力。最近,ETSI(欧洲电信标准协会)旗下的LTNLow Throughput Networking,低吞吐组网)工作组启动了LPWA解决方案的标准化工作。

 

但是,随着各种RATs(无线接入技术)的繁荣发展,对数据进行次最佳处理就具备了潜在的可能性。例如,某个应用可能会要求GPRS(移动分组数据网)或LTE移动通信网络为其某组数据提供所需的承诺服务等级,但是对于日常状态报告这类数据,则最好通过基于非授权型物理频段的网络来承载。

 

这就使得各个蜂窝移动通信基础网络运营商们面临着这样一个独特的机遇:同时拥有并管理基于蜂窝空口及LPWA技术的接入。全球移动通信业界在对5G(第五代移动通信)网络进行定义的过程中就发现了这个潜在的机遇。英国萨里大学的5G IC5G Innovation Centre5G创新中心)对其相关工作的具体描述为:研发能为包括IoT(物联网)及MTCMachine Type Communications,机器类通信)在内的未来技术提供所需连接的第五代移动通信基础设施

 

独立地依赖于非授权型物理频段——尤其是考虑到868 MHz频段及915 MHz频段内仅有非常小一部分的无线频谱资源得到全球指配及协调是否足够被用于面向大型/超大型数量的物联网设备的可靠无线接入?这是业界的一大公开问题。

 

对此,总体上,全球移动通信业界正在考虑采取地面电视白频谱资源、其他无线电业务白频谱资源甚至一些授权型物理频段接入。例如,在北美,诸如Weightless-W等相关技术标准正处于现网试验之中,还有国家建立了国家层面的TVWSTelevision White Space,电视白频谱)数据库。

 

最后,美洲移动通信协会的这份白皮书特别强调:在蜂窝无线物联网的发展方面,现有移动通信基础网络运营商们具有相关的资源以及能力去获得并管理无线频谱资源。

 

 

参考文献

 

[1]4G Americas. Cellular Technologies Enabling the Internet of Things [EB/OL].

http://www.4gamericas.org/files/6014/4683/4670/4G_Americas_Cellular_Technologies_Enabling_the_IoT_White_Paper_-_November_2015.pdf, 2015-11-30.

 

[2]Shane Rooney. Industry Collaboration Driving Standards in the IoT [EB/OL].

http://www.3gpp.org/news-events/partners-news/1758-gsma_iot, 2015-12-16.

 

[3]GSMA. GSMA WELCOMES MOBILE INDUSTRY AGREEMENT ON TECHNOLOGY STANDARDS FOR GLOBAL LOW POWER WIDE AREA MARKET [EB/OL].

http://www.gsma.com/newsroom/press-release/gsma-welcomes-mobile-industry-agreement-on-technology-standards/, 2015-12-17.

 


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