王浩年 王家旭 劉冰婷

【摘要】? ? 隨著智能城市、大數(shù)據(jù)時代的到來，無線通信將連接萬物。伴隨著5G技術的發(fā)展與5G網絡的大規(guī)模部署，“萬物互聯(lián)”的時代也即將來臨。蜂窩物聯(lián)網（cellular Internet of things）主要接入方式為蜂窩通信網絡，是物聯(lián)網的重要組成，包括現(xiàn)已廣泛商用的基于2G、3G、4G的物聯(lián)網，以及正在部署商用的窄帶物聯(lián)網（NB-IoT，narrow band IoT）和增強機器類通信（eMTC，enhanced machine-type communication）。

【關鍵詞】? ? 蜂窩物聯(lián)網? ? eMTC? ? NB-IoT? 5G

序言

蜂窩網絡（Cellular network）經過多年的發(fā)展與建設，現(xiàn)在已經成為各國移動通信網絡架構的基礎，其特點是覆蓋范圍廣泛，通信安全可靠性高。

根據(jù)高通公司的預測，預計到2025年，全球物聯(lián)網連接數(shù)量將突破50億。從可穿戴智能設備到智能抄表、從遠程醫(yī)療到車聯(lián)網，物聯(lián)網將涵蓋智慧城市、智慧交通、智慧農業(yè)、智慧醫(yī)療等生活的方方面面。海量的智能終端設備將會接入網絡，而蜂窩網絡將成為物聯(lián)網的主要承載網絡。

一、蜂窩物聯(lián)網技術現(xiàn)狀

蜂窩物聯(lián)網的網絡結構包括物聯(lián)網終端、網絡、控制平臺和應用等四個層面，與傳統(tǒng)物聯(lián)網體系架構保持一致，如圖2.1所示。

終端是指能夠通過無線方式接入到蜂窩網絡的各種無線物聯(lián)網設備，比如車載聯(lián)網設備、小型化的無人飛機、智能醫(yī)療裝置設備、工業(yè)使用智能機器人、無線監(jiān)控設備、可穿戴設備等等。

網絡是指2G、3G、4G、5G等蜂窩網以及其他接入網。

平臺是指移動、聯(lián)通、電信、廣電的運營商網絡平臺，以及其他可以提供物聯(lián)網服務的網絡平臺。

應用是指各種使用物聯(lián)網技術的軟件應用程序，例如“智慧城市”、“智慧交通”、“智慧醫(yī)療”、“智慧家庭”、“智能電網”等領域。

二、蜂窩物聯(lián)網部署方案

根據(jù)NB-IoT和eMTC的新特性以及現(xiàn)網能力制定部署方案，同時也要考慮未來網絡、技術、功能的演進需求。NB-IoT網絡對LTE的部分功能進行了簡化，在接入、傳輸、優(yōu)化、服務等方面增加了新的功能;相比eMTC網絡不但沒有把LTE網絡功能進行削減，而且還在功率、協(xié)議、服務等方面新增了部分功能。對于已商用的2G、3G、4G的 IOT網絡已經在核心網部署了與蜂窩物聯(lián)網相關的網元，同時也部署了本地位置的寄存器、HSS及PGW等節(jié)點。

NB-IoT、eMTC和LTE-4G的主要技術特征及典型應用場景如表1所示。

2.1 現(xiàn)網升級方案

根據(jù)NB-IoT與eMTC不同的技術特性，只需要升級核心網，即可快速完成蜂窩物聯(lián)網的相關業(yè)務需求部署。首先，需要部署的有計費策略、PGW、HSS、核心網功能以及原有網絡的升級等。其次，在LTE核心網中部署新的MME和SGW網元功能，供用戶升級。

2.2 獨立部署方案

NB-IoT的架構和功能更適合新建數(shù)據(jù)通信網絡，新建數(shù)據(jù)通信網絡不會對現(xiàn)有LTE網絡業(yè)務造成影響，與此同時可以使用開放更多的新應用、新業(yè)務、新能力。新建數(shù)據(jù)通信網絡既可以使用傳統(tǒng)設備，也可以實施網絡功能的虛擬化。

虛擬化MME （vMME）和虛擬化SGW（vSGW）以解耦模式部署，其更適合后續(xù)演進。

2.3 演進方案

根據(jù)現(xiàn)網情況對上述2種方案進行選擇。在蜂窩物聯(lián)網面向5G網絡的演進升級過程中可從下面3個階段進行考慮：

第一，對于部分業(yè)務領域，尤其是對于有NFV運營經驗的領域，使用虛擬化技術，能夠實現(xiàn)設備的軟硬件解耦，從而構建虛擬化MME和虛擬化SGW，C-SGN則可通過虛擬化來實現(xiàn)。

第二，以NFV為基礎，完成其與LTE網絡、5G網絡等虛擬化基礎網絡的共享，以網絡切片（Network Slicing）的方式部署邏輯上獨立、隔離的蜂窩式物聯(lián)網核心網絡，并提供開放的網絡能力，進而實現(xiàn)可基于業(yè)務特點對蜂窩物聯(lián)網切片的架構進行調整的能力。

第三，運用大數(shù)據(jù)的分析及相關工具，引入AI智能技術（AI，Artificial Intelligence），實現(xiàn)網絡自部署、業(yè)務自生成、二者同步優(yōu)化的智能化、開源、開放的蜂窩物聯(lián)網創(chuàng)新與服務平臺。

物聯(lián)網的發(fā)展離不開長久以來開放的網絡架構，各種新技術的不斷引入也使物聯(lián)網迅速演進。蜂窩物聯(lián)網向5G網絡的技術演進，同樣離不開關鍵技術的快速應用。以下將分析在5G網絡下蜂窩物聯(lián)網的一些關鍵技術。

三、5G 蜂窩物聯(lián)網關鍵技術

3.1 網絡架構

隨著物聯(lián)網接入方式的多樣化，以及云計算、霧計算、邊緣計算等技術的發(fā)展，基于5G網絡下的蜂窩物聯(lián)網的架構也逐漸明晰。

網絡架構分離了邊緣資源層及傳輸層，解耦了服務管理層及應用層，如圖2所示。

3.2 NFV

NFV（即網絡功能虛擬化，Network Functions Virtualization）可將傳統(tǒng)的CT業(yè)務部署至云平臺上，從而實現(xiàn)軟硬件解耦合。云平臺可以承載CT與IT應用。

在蜂窩物聯(lián)網中，NFV作為虛擬體系結構的一部分，與VNF和MANO兩部分并行。在NFVI中，將COTS硬件資源池通過虛擬化層的映射轉化為不同業(yè)務需求的虛擬資源后，再利用虛擬機、容器等軟件最終生成vC-SGN。MANO負責網絡服務安排、資源管理、VNF生命周期管理、性能和故障管理。

3.3 SDN

SDN（軟件定義網絡，Software Defined Network），為了達到流量靈活有效控制，通過把網絡設備的控制面同數(shù)據(jù)面進行分離，讓網絡變成更加智能的管道，為核心網絡及應用的創(chuàng)新提供了良好的平臺。

在蜂窩物聯(lián)網中，SDN技術為回程網絡的傳輸控制提供了支持。SDN技術通過接入5G核心網，與AMF、PCF、SMF等功能單元協(xié)同，實現(xiàn)轉發(fā)面端到端的流量控制。

3.4 MEC

MEC（即邊緣云，Multi-access Edge Computing）作為5G的關鍵技術，將計算和存儲能力下沉到更貼近用戶業(yè)務的位置，物聯(lián)網終端除了通信和數(shù)據(jù)采集之外的其他功能都可以轉移到邊緣云平臺上實現(xiàn)。

同時，利用5G網絡的大傳輸管道帶寬能力，將相關數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)組EC進行相應處理。由于應用向上轉移到了邊緣云平臺，網絡就可以通過更為強大的數(shù)據(jù)處理能力使應用部署的更為快速、靈活，這都將成為未來5G蜂窩物聯(lián)網應用的一個應用方向。

四、結語

本文在分析了蜂窩物聯(lián)網網絡架構的基礎上，分析了蜂窩物聯(lián)網的部署方案及技術特征，以及技術演進的方向。結合5G網絡的技術特點，分析了蜂窩物聯(lián)網在5G網絡下的關鍵技術，為未來5G網絡下的蜂窩物聯(lián)網提供了技術參考。

參? 考? 文? 獻

[1]3GPP.RevisedWorkItem：NarrowbandIoT（NB-IoT）：3GPPRP-152284[S].3GPP，2015

[2]孫彪，移動運營商NB-IoT 部署策略探討，移動通信，2016，40（ 23） ： 11-16.

[3]張旭，淺談物聯(lián)網形勢下的5G 技術發(fā)展，科技創(chuàng)新導報，2018，15（29）：112.