【摘要】? ? 隨著5G技術(shù)的發(fā)展， 5G三大應(yīng)用場(chǎng)景與各行各業(yè)的深度融合加速了物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展進(jìn)程。文章介紹了蜂窩物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的主要需求與分類(lèi)，研究了各類(lèi)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用及對(duì)應(yīng)的主流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)面向5G的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究具有一定指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵字】? ? 5G物聯(lián)網(wǎng)? ? NB-IoT/eMTC? ? mMTC? ? uRLLC

一、概述

萬(wàn)物互聯(lián)是繼移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)后的又一個(gè)時(shí)代浪潮，而5G與各行各業(yè)的深度融合無(wú)疑會(huì)加速萬(wàn)物互聯(lián)的進(jìn)度。蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（ Cellular IoT）是以蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)為主要接入手段的物聯(lián)網(wǎng)，利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)終端與網(wǎng)絡(luò)的連接，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要路徑。在5G誕生以前主要以增強(qiáng)機(jī)器類(lèi)通信（eMTC）和窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）等為代表。5G的商用極大地?cái)U(kuò)展了通信連接范疇。5G更加多樣化的性能指標(biāo)，決定了5G的應(yīng)用場(chǎng)景更加豐富，不僅關(guān)注人與人，也關(guān)注人與物、物與物，面向增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）、海量機(jī)器類(lèi)通信（mMTC）、超高可靠低時(shí)延場(chǎng)景（uRLLC）等三大場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)跨領(lǐng)域發(fā)展和產(chǎn)業(yè)融合。其中mMTC與uRLLC二大場(chǎng)景和物聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)相關(guān)，是物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的核心要求，也是5G拓展物聯(lián)網(wǎng)的核心場(chǎng)景，完美解決了物聯(lián)網(wǎng)及其相關(guān)垂直應(yīng)用的問(wèn)題。5G的商業(yè)化引領(lǐng)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)新一輪發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新。

二、蜂窩物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求與分類(lèi)

目前蜂窩物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)根據(jù)速率、時(shí)延及可靠性等要求主要分為三大類(lèi)，各類(lèi)業(yè)務(wù)特征、業(yè)務(wù)占比、可用技術(shù)和典型應(yīng)用如下。

2.1低速率、廣連接業(yè)務(wù)

該類(lèi)業(yè)務(wù)的主要特征為低速率、低功耗、低成本、廣連接，占比約為60%，目前主要采用GSM、NB-IoT等技術(shù)，主要為數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)程自動(dòng)采集業(yè)務(wù)，典型的業(yè)務(wù)代表有智能抄表及智慧城市相關(guān)應(yīng)用。此類(lèi)業(yè)務(wù)終端只需要在上報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)才會(huì)通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接位于Internet內(nèi)的遠(yuǎn)程后臺(tái)，每天連接次數(shù)很少，業(yè)務(wù)速率小于100kbps。

2.2中等需求類(lèi)業(yè)務(wù)

該類(lèi)業(yè)務(wù)為中低吞吐率及部分語(yǔ)音、移動(dòng)性應(yīng)用，對(duì)覆蓋、功耗和成本有一定要求，占比約為30%，主要采用3G和eMTC等技術(shù)，主要針對(duì)交互類(lèi)業(yè)務(wù)，典型的業(yè)務(wù)有物流監(jiān)控、可穿戴設(shè)備等，此類(lèi)業(yè)務(wù)終端在特定的時(shí)間段內(nèi)（如車(chē)輛行駛過(guò)程中）定期上報(bào)（如每間隔5分鐘）衛(wèi)星位置、車(chē)輛運(yùn)行參數(shù)等數(shù)據(jù);同時(shí)不定時(shí)地接收后臺(tái)的立即定位、控制等遠(yuǎn)程指令，業(yè)務(wù)速率小于10Mbps。

2.3高可靠性、低時(shí)延業(yè)務(wù)

該類(lèi)業(yè)務(wù)對(duì)傳輸可靠性和時(shí)延要求較高，占比約為10%，主要采用4G及 5G等技術(shù)，主要為視頻應(yīng)用類(lèi)，典型的業(yè)務(wù)有車(chē)聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等，一般傳輸速率大于10Mbps。該類(lèi)業(yè)務(wù)雖然占比最少，但具有極高價(jià)值，是5G及未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向。

前兩種業(yè)務(wù)占物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的 90%，屬于低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)，目前已得到廣泛應(yīng)用，由NB-IoT 和 eMTC兩種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)支持，也是5G NR中mMTC場(chǎng)景的主要解決方案。第三種業(yè)務(wù)屬大帶寬、低時(shí)延和高可靠等其它業(yè)務(wù)，是5G NR場(chǎng)景中uRLLC重點(diǎn)發(fā)展業(yè)務(wù)。

三、蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 NB-IoT/eMTC

NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)和eMTC標(biāo)準(zhǔn)都具有增強(qiáng)覆蓋，大連接，低功耗，低成本的特點(diǎn)。在具體性能表現(xiàn)上，二者各有側(cè)重，在應(yīng)用場(chǎng)景上也有所差異，在業(yè)務(wù)上各有聚焦的特性化業(yè)務(wù)。二者均屬于 LPWA 網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗少等需求在物理層、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了簡(jiǎn)化和演進(jìn)。但仍存在一定的不同，具體差異表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

NB-IoT使用200kHz帶寬，支持100Kbps以下低速率數(shù)據(jù)，目前只支持頻分雙工，支持小區(qū)重選，不支持移動(dòng)性、切換和VoLTE語(yǔ)音通信， NB-IoT的覆蓋能力強(qiáng)且成本較低，支持獨(dú)立部署和LTE保護(hù)帶及帶內(nèi)部署三種方式，適用于小數(shù)據(jù)量、低移動(dòng)性、時(shí)延不敏感、終端數(shù)量大的窄帶物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù);NB-IoT 在覆蓋方面有更好的表現(xiàn)、同時(shí)其終端也具有更低的功耗，適用于智能停車(chē)、智能抄表和物流倉(cāng)儲(chǔ)等在覆蓋廣度與深度上要求高的場(chǎng)景。

eMTC帶寬為1.4MHz， 支持最高1Mbps數(shù)據(jù)速率，支持頻分雙工和時(shí)分雙工， 支持切換和VoLTE語(yǔ)音通信， 移動(dòng)性支持較好，支持獨(dú)立部署和LTE帶內(nèi)部署兩種方式，適合中速率物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù);eMTC 在單用戶(hù)速率方面有更好的表現(xiàn)，容量更大，其網(wǎng)絡(luò)特性更適合對(duì)實(shí)時(shí)性、交互性有需求的業(yè)務(wù)，適合如可穿戴、健康監(jiān)測(cè)、智能家居等應(yīng)用。

綜上所述，與NB-IoT相比，eMTC的優(yōu)勢(shì)在于傳輸速率、雙工方式、語(yǔ)音通信、時(shí)延、移動(dòng)性、定位等方面，而 NB-IoT 的優(yōu)勢(shì)在于成本、功耗、覆蓋、連接數(shù)、可靠性等方面，兩者在窄帶物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域各具優(yōu)勢(shì)，在應(yīng)用方面互為補(bǔ)充;同時(shí)兩者面向了5G的海量連接（mMTC）場(chǎng)景，是 5G mMTC的核心組成部分，將向5G mMTC長(zhǎng)期演進(jìn)。

3.2 5G mMTC

5G不斷深度賦能各垂直行業(yè)，為構(gòu)建萬(wàn)物互聯(lián)的智能社會(huì)，實(shí)現(xiàn)海量物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供強(qiáng)大動(dòng)力。大規(guī)模機(jī)器類(lèi)通信 （mMTC）是海量連接的解決方案，是5G三大應(yīng)用方向中專(zhuān)門(mén)為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，是NB-IoT 和eMTC技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向。

基于LTE的NB-IoT和eMTC技術(shù)與mMTC相比，在覆蓋、時(shí)延、電池壽命、連接密度等方面存在一定差距，數(shù)據(jù)包到達(dá)率無(wú)法得到保障。

基于5G 的mMTC技術(shù)，為了支持海量物聯(lián)網(wǎng)連接，具備以下四大關(guān)鍵性能指標(biāo)：

1.在覆蓋方面，最大耦合損耗（MCL）達(dá)164 dB。

2.超低時(shí)延：MCL為164dB時(shí)，每傳輸20字節(jié)數(shù)據(jù)包的上行鏈路平均延遲不超過(guò)10秒。

3.超長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間：MCL為164dB時(shí)，電池壽命為10～15年。

4.極高的連接密度：支持每平方公里100萬(wàn)個(gè)設(shè)備連接，網(wǎng)絡(luò)支持連接數(shù)量超千億。

mMTC是機(jī)器類(lèi)數(shù)據(jù)通信，可以實(shí)現(xiàn)終端與服務(wù)器間或終端之間通信而不需要人機(jī)交互。mMTC作為5G物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，主要應(yīng)用于5G以前的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿(mǎn)足的物聯(lián)網(wǎng)及垂直行業(yè)，包括智慧城市、智能交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能家居等需要傳感、采集和處理海量數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)景，具有低速率、低功耗、低成本、時(shí)延要求不高、覆蓋范圍廣和容量大等特點(diǎn)。

3.3 5G uRLLC

超高可靠低時(shí)延（uRLLC）體現(xiàn)了“人”與“物”之間的超低時(shí)延、超高可靠性的通信需求。當(dāng)前uRLLC的主要應(yīng)用場(chǎng)景包括垂直行業(yè)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)、AR/VR、工業(yè)精確控制、無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、交通安全和控制、遠(yuǎn)程手術(shù)、急救人員跟蹤等行業(yè)。不同于常規(guī)的公網(wǎng)業(yè)務(wù)傳輸，為了增強(qiáng)最終用戶(hù)的業(yè)務(wù)感知和實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)控制，上述應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)于業(yè)務(wù)傳輸?shù)臅r(shí)延和可靠性具有更高需求，網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)包含：空口時(shí)延不大于1 ms，可靠性不小于99.9999%。

為了進(jìn)一步降低uRLLC場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，無(wú)線(xiàn)側(cè)采用基于更短時(shí)長(zhǎng)的傳輸、免調(diào)度傳輸和搶占傳輸?shù)燃夹g(shù)方案。更短時(shí)長(zhǎng)的傳輸包括使用較大的子載波間隔和支持時(shí)域符號(hào)級(jí)的調(diào)度以降低空口數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延;免授權(quán)調(diào)度傳輸包括無(wú)需下行控制信息（DCI）激活的免調(diào)度傳輸和上下行優(yōu)先搶占空口資源的高優(yōu)先級(jí)uRLLC業(yè)務(wù)傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù);搶占傳輸是指基站將eMBB業(yè)務(wù)的資源同時(shí)分配給URLLC業(yè)務(wù)，為保證uRLLC業(yè)務(wù)性能，uRLLC業(yè)務(wù)通過(guò)打孔方式搶占eMBB業(yè)務(wù)資源以降低時(shí)延，并同時(shí)保證eMBB業(yè)務(wù)的傳輸性能。

在空口的可靠性增強(qiáng)方面，主要以犧牲頻譜效率為代價(jià)，在物理層通過(guò)選用更低的碼率和調(diào)制階數(shù)的方式提高傳輸成功率，從而增強(qiáng)可靠性。業(yè)務(wù)信道的可靠性增強(qiáng)技術(shù)主要包括： 降低編碼率和增加分集增益

（1）增加調(diào)制編碼方案：支持MCS最低π/2 BPSK、最高限制為64QAM的調(diào)制;增加信道編碼冗余以降低數(shù)據(jù)碼率提升傳輸可靠性。

（2）數(shù)據(jù)重復(fù)傳輸： 在時(shí)延允許條件下，采用重傳機(jī)制，支持業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在物理層基于slot、mini-slot重復(fù)傳輸，進(jìn)一步提高傳輸成功率，獲取最大分集增益，提升業(yè)務(wù)可靠性，并進(jìn)一步減小傳輸時(shí)延。

四、5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 5G網(wǎng)絡(luò)切片

為應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)多樣化的應(yīng)用需求和保證用戶(hù)更好的體驗(yàn)質(zhì)量（QoE），5G網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同業(yè)務(wù)類(lèi)型的特點(diǎn)，利用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）技術(shù)將基于軟件的網(wǎng)絡(luò)功能與底層基礎(chǔ)設(shè)施資源分離，將單一物理網(wǎng)絡(luò)在公共共享基礎(chǔ)設(shè)施之上構(gòu)建多個(gè)網(wǎng)絡(luò)特性不同、完全解耦的端到端虛擬網(wǎng)絡(luò)，即將網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行切片，為典型的業(yè)務(wù)場(chǎng)景分配獨(dú)立的切片，在切片內(nèi)針對(duì)業(yè)務(wù)需求設(shè)計(jì)增強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對(duì)時(shí)延、帶寬等性能指標(biāo)進(jìn)行靈活配置，并且切片之間互不影響，從而滿(mǎn)足不同場(chǎng)景的定制化需求，實(shí)現(xiàn)一網(wǎng)多用，也提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率。網(wǎng)絡(luò)切片是5G網(wǎng)絡(luò)的重要特征和最基本的能力，是滿(mǎn)足獨(dú)立組網(wǎng)和差異化業(yè)務(wù)需求的關(guān)鍵。

4.2 5G MEC

為了支持延遲敏感型業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)卓越的性能和體驗(yàn)質(zhì)量，5G 系統(tǒng)架構(gòu)提供了高效靈活的支持。多接入邊緣計(jì)算（MEC）又稱(chēng)移動(dòng)邊緣計(jì)算，是實(shí)現(xiàn)5G低延遲和高可靠性等的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要用于將云平臺(tái)從移動(dòng)核心網(wǎng)內(nèi)遷移到移動(dòng)接入網(wǎng)邊緣，實(shí)現(xiàn)了將計(jì)算、存儲(chǔ)等能力下沉至更接近用戶(hù)業(yè)務(wù)的位置，可以將物聯(lián)網(wǎng)終端除通信與數(shù)據(jù)采集功能外的其他功能轉(zhuǎn)移到邊緣云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，有效服務(wù)于對(duì)時(shí)延要求特別高的業(yè)務(wù)類(lèi)型（如車(chē)聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程控制等）以及對(duì)計(jì)算能力要求特別高的業(yè)務(wù)類(lèi)型（如視頻監(jiān)控與分析等）。如uRLLC場(chǎng)景的無(wú)人駕駛業(yè)務(wù)，要求無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)具有低時(shí)延、大帶寬、位置感知、高可靠性等性能。引入MEC技術(shù)，業(yè)務(wù)面本地化部署，不需要將控制信息傳到云端平臺(tái)再返回，實(shí)現(xiàn)超可靠低時(shí)延，保證了無(wú)人駕駛使用安全。

五、結(jié)束語(yǔ)

5G為物聯(lián)網(wǎng)而生，其中的mMTC和uRLLA是物聯(lián)網(wǎng)核心應(yīng)用場(chǎng)景，而mMTC的支撐基礎(chǔ)是當(dāng)前的NB-IoT和eMTC，多種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)切片和MEC等核心技術(shù)，滿(mǎn)足了物聯(lián)網(wǎng)各類(lèi)業(yè)務(wù)性能。5G將促進(jìn)社會(huì)各領(lǐng)域深度融合發(fā)展，從to C到to B，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物感知、萬(wàn)物互聯(lián)、萬(wàn)物智能，開(kāi)創(chuàng)改變?nèi)祟?lèi)社會(huì)的新時(shí)代。

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作者簡(jiǎn)介

何晶，女，出生于1970年9月，1991年8月畢業(yè)于東北大學(xué)通信工程專(zhuān)業(yè)，本科，2006年3月畢業(yè)于東北大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)，研究生，現(xiàn)就職于遼寧郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司。高級(jí)工程師，2011年度全國(guó)優(yōu)秀設(shè)計(jì)工作者。通信地址：沈陽(yáng)市渾南區(qū)金科街7號(hào)，郵編：110179，聯(lián)系電話(huà)：13940585805.

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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