李勇輝，馬瑞濤，符 剛

（中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院 北京100048）

1 引言

“物聯(lián)網(wǎng)”一詞在1999年提出，2005年國際電信聯(lián)盟正式確定了物聯(lián)網(wǎng)的概念。物聯(lián)網(wǎng)向人們展示了一個(gè)美好的愿景：通過在物品中嵌入移動(dòng)收發(fā)設(shè)備，把目前主要人與人之間的交流方式，擴(kuò)展成為人與物、物與物之間的交流方式，從而大大擴(kuò)展了人類的感知范圍，提高了社會生產(chǎn)率。

近年來，美國、歐盟以及韓日均制定了物聯(lián)網(wǎng)系列的發(fā)展規(guī)劃，并針對物聯(lián)網(wǎng)開展了各項(xiàng)研究工作，在智能電網(wǎng)、物流管理、安全防護(hù)、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、智能家居、遠(yuǎn)程醫(yī)療等行業(yè)已經(jīng)開始了物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模商用。

2009年，隨著“感知中國”理念的提出，物聯(lián)網(wǎng)成為國內(nèi)業(yè)界熱議的話題。3 大運(yùn)營商、傳感器設(shè)備商、通信設(shè)備制造商、系統(tǒng)集成商等紛紛涉足物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，在城市交通、安全監(jiān)控、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)等行業(yè)部署了一系列成功案例。

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的通信范圍和智能化水平有限，需要結(jié)合運(yùn)營商完善的通信網(wǎng)絡(luò)，充分利用通信網(wǎng)絡(luò)在用戶標(biāo)識、路由尋址、終端監(jiān)控、擁塞過載控制、安全防護(hù)、策略與計(jì)費(fèi)等方面有成熟的解決機(jī)制和方案，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合才能充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢。由于物聯(lián)網(wǎng)特殊的業(yè)務(wù)需求和業(yè)務(wù)模型，其應(yīng)用和終端行為對傳統(tǒng)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（2G/3G）提出了諸多挑戰(zhàn)。如物聯(lián)網(wǎng)可以使現(xiàn)實(shí)世界中各類物體接入到網(wǎng)絡(luò)中，這將耗費(fèi)巨大的號碼資源，當(dāng)前的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)之初并未考慮到此種需求，因而難以滿足。下面對物聯(lián)網(wǎng)、LTE 技術(shù)進(jìn)行介紹，并說明未來的LTE 網(wǎng)絡(luò)如何滿足用戶需求。

2 物聯(lián)網(wǎng)

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖1 給出了物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從圖中可以看出，物聯(lián)網(wǎng)主要包括3個(gè)層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中，感知層主要實(shí)現(xiàn)信息的采集，包括傳感器、RFID、二維碼、執(zhí)行器、視頻監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)等；網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)信息的接入與傳輸，包括有線接入和無線接入，其中，有線接入主要是固定寬帶接入，無線接入則包括2G/3G、LTE 等技術(shù)；應(yīng)用層負(fù)責(zé)接入鑒權(quán)及終端管理，并對接收到的信息進(jìn)行解析、集成、分析、存儲等，為具體應(yīng)用提供遠(yuǎn)端的現(xiàn)場信息。另外，還有3個(gè)層次均須使用的公共技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)管理、服務(wù)質(zhì)量保證等。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

從物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)可以看出，移動(dòng)通信網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展不可缺少的重要部分。需要看到的是，物聯(lián)網(wǎng)各項(xiàng)應(yīng)用的開展必然會對通信網(wǎng)帶來一定的影響。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)需求

物聯(lián)網(wǎng)終端的數(shù)量龐大，在地址、擁塞控制、安全等方面均對網(wǎng)絡(luò)提出了需求，具體如下。

（1）地址和標(biāo)識需求

網(wǎng)絡(luò)提供大量標(biāo)識和地址，以給每個(gè)終端進(jìn)行分配。

（2）擁塞控制的需求

網(wǎng)絡(luò)可以處理海量終端造成的容量超負(fù)和信令風(fēng)暴，可以對某些終端進(jìn)行接入控制。

（3）高帶寬需求

視頻監(jiān)控等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要實(shí)時(shí)傳輸大量數(shù)據(jù)，因而對帶寬有著較高的需求。

（4）組管理需求

對終端進(jìn)行分組控制、管理和計(jì)費(fèi)等。

（5）終端觸發(fā)需求

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的指示，觸發(fā)物聯(lián)網(wǎng)終端，發(fā)起向物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的通信。物聯(lián)網(wǎng)終端應(yīng)能從網(wǎng)絡(luò)接收觸發(fā)指示，并在收到觸發(fā)指示時(shí)建立與物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的通信。

（6）終端管理及監(jiān)控的需求

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)可以隨時(shí)獲得終端的狀態(tài)，可以感知終端離線、被屏蔽等異常情況。

（7）安全需求

網(wǎng)絡(luò)可以對物聯(lián)網(wǎng)終端及服務(wù)器進(jìn)行認(rèn)證，保證固定終端的安全。

總的來說，物聯(lián)網(wǎng)的需求是移動(dòng)通信網(wǎng)必須考慮解決的問題。目前，2G/3G 網(wǎng)絡(luò)存在以下問題致使其無法完全滿足物聯(lián)網(wǎng)的要求。

（1）對IPv6的支持并不完善

許多地方的移動(dòng)通信網(wǎng)仍不支持給用戶分配IPv6地址，因而難以實(shí)現(xiàn)對每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)終端均分配唯一標(biāo)識。

（2）擁塞控制

2G/3G 網(wǎng)絡(luò)在對用戶的精細(xì)化接入控制方面存在欠缺，難以針對不同用戶、不同業(yè)務(wù)實(shí)施不同的接入控制策略，這導(dǎo)致在擁塞控制方面的效果較差。

（3）帶寬較小

這個(gè)問題一方面導(dǎo)致一些需要高帶寬的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)難以開展；另一方面，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)容易發(fā)生擁塞。

3 LTE

LTE 是一種長期演進(jìn)技術(shù)，采用正交頻分復(fù)用（OFDM）和多輸入多輸出（MIMO）等技術(shù)，使網(wǎng)絡(luò)能夠在20 MHz 頻譜帶寬上提供下行100 Mbit/s、上行50 Mbit/s的峰值速率。其中，正交頻分復(fù)用是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，它在有限的頻譜空間內(nèi)，建立多個(gè)正交子信道，將需要傳輸?shù)母咚贁?shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成多個(gè)低速子數(shù)據(jù)流，然后調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸，這種調(diào)制方式使不同載波的頻譜可以相互交叉，進(jìn)而提高了頻譜利用率；多輸入多輸出技術(shù)則采用多天線方式，在接收端和發(fā)送端建立多條數(shù)據(jù)傳輸通道，在已有頻譜的前提下，成倍提高通信帶寬。

圖2 給出了LTE的架構(gòu)，虛線方框?yàn)長TE 系統(tǒng)所包括的主要設(shè)備。其中，PCRF（策略和計(jì)費(fèi)規(guī)則功能）和SPR（用戶屬性寄存器）實(shí)現(xiàn)了策略控制功能；P-GW（PDN 網(wǎng)關(guān)）、S-GW（服務(wù)網(wǎng)關(guān)）、MME（移動(dòng)性管理設(shè)備）等聯(lián)合提供了移動(dòng)性管理、會話管理、IP 地址分配、計(jì)費(fèi)、QoS控制等功能。

從圖2 及相關(guān)設(shè)備功能可以看出，LTE 具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）系統(tǒng)架構(gòu)簡單

實(shí)現(xiàn)了扁平化、IP 化，減少了網(wǎng)元數(shù)量，從而降低了運(yùn)營商的建設(shè)和運(yùn)維成本，也降低了運(yùn)營商提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的每比特成本。

（2）良好的策略控制和QoS 保障

依賴于PCRF 和SPR 以及內(nèi)部的QCI 機(jī)制，LTE可細(xì)化到業(yè)務(wù)級別的QoS控制，從而為用戶提供更豐富、更具個(gè)性的業(yè)務(wù)套餐。

另外，最重要的一點(diǎn)是，LTE 具備高帶寬、低時(shí)延的特點(diǎn)，這開創(chuàng)了信息通信的新局面。

4 基于LTE 發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)

如圖1 所示，LTE 處于網(wǎng)絡(luò)層，為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層提供接入服務(wù)。LTE的部署將使物聯(lián)網(wǎng)的地址和標(biāo)識、擁塞控制、組管理等需求得到滿足，也使那些要求高速率、高移動(dòng)性、低成本、QoS控制的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用獲得更好的發(fā)展機(jī)會。下面首先分析對于在2G/3G 網(wǎng)絡(luò)中無法得到滿足的物聯(lián)網(wǎng)需求，在LTE 網(wǎng)絡(luò)如何進(jìn)行解決。

（1）地址和標(biāo)識需求

LTE的發(fā)展適逢IPv6的全面成熟，市場上對IPv6的期盼也十分迫切，因而，LTE 在標(biāo)準(zhǔn)制定、設(shè)備制造、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面都充分考慮到未來IPv6的需求，這為解決物聯(lián)網(wǎng)的地址和標(biāo)識問題提供了充分的基礎(chǔ)：IPv4 大概可以提供40 億個(gè)IP 地址，而IPv6 可以給地球上任何物體均分配一個(gè)標(biāo)志。同時(shí)，眾多運(yùn)營商在LTE 設(shè)備的測試和采購上，均明確要求支持IPv6，從而使未來的LTE 網(wǎng)絡(luò)可實(shí)際支持IPv6，為物聯(lián)網(wǎng)各終端提供充足的標(biāo)識。

（2）擁塞控制的需求

在網(wǎng)絡(luò)中對業(yè)務(wù)進(jìn)行精細(xì)化服務(wù)質(zhì)量區(qū)分已成為業(yè)內(nèi)共識，3GPP 所提出的策略控制和計(jì)費(fèi)（policy control and charging，PCC）功能為運(yùn)營商實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)控制提供了可能。運(yùn)營商在新建網(wǎng)絡(luò)時(shí)部署PCC 相對容易，因此，大部分運(yùn)營商都會在部署LTE 時(shí)直接采用PCC 構(gòu)架。另外，LTE 還支持細(xì)分的QCI，這為基于PCC、利用QCI 對業(yè)務(wù)進(jìn)行服務(wù)質(zhì)量保證提供了便利，有利于實(shí)現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的服務(wù)保障、擁塞控制、組管理等功能。

圖2 LTE 架構(gòu)

（3）高帶寬需求

LTE 最大的優(yōu)勢即是數(shù)據(jù)傳輸速率高，其可提供下行100 Mbit/s 、上行50 Mbit/s的峰值速率，為大范圍地推廣物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（尤其是高清視頻監(jiān)控）奠定了基礎(chǔ)，使服務(wù)提供商不必過分擔(dān)憂帶寬瓶頸。

LTE 除了解決物聯(lián)網(wǎng)的上述需求外，其所擁有的其他優(yōu)點(diǎn)還為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來了推動(dòng)作用。

（1）低時(shí)延

LTE 用戶平面內(nèi)部單向傳輸時(shí)延低于5 ms，控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時(shí)間低于50 ms[1]，這為那些需要高實(shí)時(shí)性傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了更好的網(wǎng)絡(luò)條件，有利于管理者及時(shí)發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)端存在的問題。

（2）每兆比特成本低

LTE 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)點(diǎn)數(shù)量少、支持和2G/3G 共站址建設(shè)，建設(shè)成本和運(yùn)維成本均較低。另外，LTE的頻譜效率高于WCDMA，為運(yùn)營商節(jié)省了寶貴的頻譜資源。因而，相比于2G/3G 網(wǎng)絡(luò)，LTE 網(wǎng)絡(luò)的每兆比特成本低，為那些耗費(fèi)高流量的應(yīng)用打開了市場化的大門。

（3）高速率時(shí)仍保持良好的信號強(qiáng)度

此特性可促進(jìn)車聯(lián)網(wǎng)等高移動(dòng)性應(yīng)用的發(fā)展。

（4）全I(xiàn)P 網(wǎng)絡(luò)

適合目前的IP 化趨勢，使終端和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的設(shè)計(jì)都更加簡單，只需按照互聯(lián)網(wǎng)的模式進(jìn)行開發(fā)即可。

（5）核心網(wǎng)不主動(dòng)釋放連接[2]

LTE的核心網(wǎng)沒有主動(dòng)釋放的機(jī)制，這為永久在線的業(yè)務(wù)創(chuàng)造了有利條件，有利于消除業(yè)界一直熱議的“信令風(fēng)暴”問題。在LTE 網(wǎng)絡(luò)中，只有終端或者eNode B 等設(shè)備通過NAS 消息通知核心網(wǎng)，核心網(wǎng)才會釋放與終端的連接。另外，終端和核心網(wǎng)的NAS 層如果一直保持附著狀態(tài)，則不管底層是否釋放鏈路，都可保持IP 地址不變，從而實(shí)現(xiàn)永久在線的功能。

5 結(jié)束語

近年來，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在安防、電網(wǎng)、交通、物流、食品安全等多個(gè)領(lǐng)域都有了顯著的發(fā)展。由于物聯(lián)網(wǎng)對地址和標(biāo)識、帶寬、策略控制、永久在線、高速移動(dòng)等都有較高要求，現(xiàn)有2G/3G 網(wǎng)絡(luò)未能完全滿足此類需求，這使一些關(guān)鍵的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用無法得到推廣。LTE 網(wǎng)絡(luò)部署在即，其高吞吐量、QoS 保障等優(yōu)勢必將助推物聯(lián)網(wǎng)向更大的領(lǐng)域擴(kuò)展，使社會的信息化程度向更高的層次邁進(jìn)。

1 李鐵峰,黃耀軍，張震.LTE 和物聯(lián)網(wǎng)融合.通信技術(shù),2013，42（4）：121～124

2 李昊，胡興.LTE 無線通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合與發(fā)展.郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2012(1)：21～24