介紹

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）預(yù)計(jì)將在未來十年連接數(shù)十億臺設(shè)備。低成本，高覆蓋率和低功耗的解決方案將成為針對IoT應(yīng)用的大多數(shù)用例的解決方案的基礎(chǔ)。強(qiáng)有力的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的行業(yè)協(xié)調(diào)將推動更大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)性和輕松的端到端集成和互操作性。

圖1、連接設(shè)備發(fā)展的驅(qū)動力來自于人，企業(yè)和社會

機(jī)器對機(jī)器（M2M）通信是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）生態(tài)系統(tǒng)的巨大組成部分。值得注意的是，它能夠以自主，可靠和經(jīng)濟(jì)高效的方式連接機(jī)器。只有一個(gè)類似于連接在互聯(lián)網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)一樣無處不在的連接對象，才能使物聯(lián)網(wǎng)中的互聯(lián)網(wǎng)范式成為可能。傳統(tǒng)上，主要是在工業(yè)自動化和控制的背景下所謂的連接是通過電線的方式來實(shí)現(xiàn)的。在過去十年中出現(xiàn)的無線連接替代品提供了顯著的商業(yè)利益，同時(shí)也彌補(bǔ)了有線連接方式的缺點(diǎn)。

然而，在M2M行業(yè)中有線和無線解決方案的選擇也通常飽受爭議。與有線解決方案相比，無線解決方案相對易于部署以及針對單點(diǎn)故障的魯棒性方面是有吸引力的，而有線解決方案可以確保對無線電難以到達(dá)的位置的覆蓋。與有線解決方案相比，M2M應(yīng)用的無線解決方案的主要挑戰(zhàn)是功耗和射頻無線電的成本。不同的M2M服務(wù)具有不同的要求，并且針對移動性，功耗，覆蓋范圍，易于推出性等所有這些要求的單一標(biāo)準(zhǔn)化解決方案是確保達(dá)成M2M解決方案被大眾市場成功應(yīng)用所要求的成本目標(biāo)的關(guān)鍵，用于隔離集群部署的解決方案是基于無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（WPAN：wireless personal area networks）的，例如藍(lán)牙，ZigBee和6LoWPAN?；谥T如3GPP開發(fā)的技術(shù)的解決方案更適合于需要移動性和通信范圍更廣的M2M服務(wù)。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是通過API（一種允許實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換的基于標(biāo)準(zhǔn)的接口）來滿足M2M網(wǎng)絡(luò)和核心企業(yè)系統(tǒng)之間的關(guān)鍵鏈路需求。對其的標(biāo)準(zhǔn)化將為實(shí)現(xiàn)輕便，大規(guī)模，持續(xù)可用的實(shí)時(shí)接口鋪平道路。當(dāng)前行業(yè)正在制定協(xié)調(diào)一致的API標(biāo)準(zhǔn)以鍛造實(shí)現(xiàn)價(jià)值鏈。

以上所有特性都是為M2M通信提供最佳解決方案的基礎(chǔ)。蜂窩MTC（Cellular MTC，即Cellular，Machine Type Communications，蜂窩機(jī)器類型通信，3GPP中的M2M的工作術(shù)語，有時(shí)也稱為蜂窩物聯(lián)網(wǎng)(Cellular Internet of Thing, CIoT)）解決方案真正有能力滿足這些特性。因此，毫無疑問，3GPP正在通過其行業(yè)合作伙伴開始研究和標(biāo)準(zhǔn)化特定技術(shù)機(jī)器類型通信（MTC）實(shí)施例。

圖2、蜂窩M2M通信的系統(tǒng)模型

本文通過首先概述蜂窩3GPP支持的MTC的優(yōu)勢，挑戰(zhàn)和適用性，然后在后面的系列文章中討論特定的3GPP協(xié)議開發(fā)，并詳細(xì)介紹它們的進(jìn)展和未來向5G演進(jìn)的方向。

蜂窩M2M通信的優(yōu)缺點(diǎn)

下面的內(nèi)容中我們會詳細(xì)介紹在利用蜂窩M2M連接解決方案時(shí)所遇到的折中問題。值得注意的是，我們討論使用蜂窩進(jìn)行M2M通信的優(yōu)勢，以及需要解決的挑戰(zhàn)以及前代蜂窩技術(shù)和當(dāng)代蜂窩技術(shù)該如何適應(yīng)這些挑戰(zhàn)。

使用蜂窩技術(shù)進(jìn)行M2M通信的優(yōu)點(diǎn)

使用蜂窩系統(tǒng)提供M2M連接具有許多優(yōu)點(diǎn)。值得注意的是，由于具有無處不在的覆蓋范圍，漫游支持，互操作性保證，服務(wù)質(zhì)量（QoS：quality of service）保證，提供服務(wù)級別協(xié)議（SLAs：service-level agreements）的能力以及運(yùn)營服務(wù)平臺的可用性使得蜂窩技術(shù)提供在商業(yè)上具有競爭力的M2M解決方案成為可能。

M2M解決方案提供商（例如Worldsensing公司）最大的擔(dān)憂之一就是保證可靠和強(qiáng)大的連接，即使是在靜態(tài)部署情況下。與ZigBee，Wi-Fi或者其它的低功率廣域網(wǎng)（low-power wide area networks，即LPWA，如LoRaWAN ，Sigfox）相比，即使在最偏遠(yuǎn)的地方，蜂窩也可以在全球范圍內(nèi)普遍享有覆蓋面。因此，不需要安裝額外的網(wǎng)關(guān)或中繼器，這將顯著降低進(jìn)入的部署障礙和運(yùn)行成本?？偟膩碚f，我們發(fā)現(xiàn)，盡管調(diào)制解調(diào)器成本和數(shù)據(jù)規(guī)劃成本更高，但是基于蜂窩的M2M解決方案的總體擁有成本（TCO： total cost of ownership）比競爭的連接解決方案更具成本效益。

蜂窩M2M的另一巨大優(yōu)勢是能夠支持移動性和漫游。這將立即將市場擴(kuò)大到例如汽車和追蹤應(yīng)用等領(lǐng)域中。目前沒有其他可用的連接技術(shù)可以產(chǎn)生像蜂窩那樣的覆蓋面和對移動性的支持。這給M2M解決方案提供商帶來了極大的安撫，讓他們安心。

從商業(yè)角度來看，另一大優(yōu)點(diǎn)是許可蜂窩頻譜（licensed cellular spectrum bands）中的SLAs（service-level agreements）的可用性。法規(guī)目前限制了在免許可證的ISM頻段提供SLAs的能力，這大大限制了在企業(yè)對企業(yè)M2M（business-to-business M2M）應(yīng)用中采用該技術(shù)。為了舉例說明這一點(diǎn)，想象一下關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施被裝配并發(fā)生了由于無線連接中斷而導(dǎo)致故障沒有報(bào)告從而引發(fā)嚴(yán)重的事故。由于M2M解決方案提供商對連接性影響不大但無法利用到調(diào)制解調(diào)器提供商來承擔(dān)故障責(zé)任，因此使用ISM頻段技術(shù)使所有各方都處于法律的邊緣之中。這在許可的蜂窩頻段中是非常不同的，在許可頻段的蜂窩中可以簽署和執(zhí)行SLAs，從而為M2M解決方案提供商提供額外的安心保障。

另一個(gè)強(qiáng)大的業(yè)務(wù)方面是提供橫向（水平）服務(wù)平臺（horizontal service platforms），例如電信巨頭如沃達(dá)豐提供的平臺。值得注意的是，這些平臺降低了進(jìn)入市場的障礙，這些平臺已經(jīng)在不同的環(huán)境中使用。為了說明這一點(diǎn)，想象一個(gè)市政廳已經(jīng)使用沃達(dá)豐的服務(wù)平臺已經(jīng)很長時(shí)間了來在城市中提供IT連接和服務(wù);如果可以使用/重復(fù)使用相同的服務(wù)平臺，則提供M2M/IoT應(yīng)用等附加服務(wù)的進(jìn)入門檻要低得多。

圖3、沃達(dá)豐提供的水平M2M平臺

促進(jìn)蜂窩M2M發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)

然而，迄今為止仍然存在若干挑戰(zhàn)，克服這些挑戰(zhàn)才能確保M2M蜂窩解決方案的真正吸引。顯著的挑戰(zhàn)在于能夠獨(dú)特地識別M2M設(shè)備，優(yōu)化系統(tǒng)以進(jìn)行少量和低頻次的數(shù)據(jù)傳輸，能夠在非常具有挑戰(zhàn)性的傳播環(huán)境中提供額外的覆蓋，處理接入和核心網(wǎng)絡(luò)中的擁塞，降低復(fù)雜性和能耗，并促進(jìn)提供可行的服務(wù)?，F(xiàn)在在設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)配置設(shè)計(jì)中的這些挑戰(zhàn)將在后面系列文章中一些更詳細(xì)的內(nèi)容中進(jìn)行討論。

與蜂窩M2M設(shè)備設(shè)計(jì)相關(guān)的挑戰(zhàn)涉及

（i）能量消耗；

（ii）調(diào)制解調(diào)器復(fù)雜性；

（iii）調(diào)制解調(diào)器成本。

所有這三者是相互交織的，例如，復(fù)雜性的降低通常伴隨著成本的降低。而如果設(shè)備復(fù)雜度降低，那么處理能力則可能會顯著降低。此外，鑒于與低功率ZigBee/Wi-Fi設(shè)備相比，蜂窩設(shè)備的傳輸功率通常非常高，與實(shí)際無線傳輸相關(guān)的能量消耗只能通過在系統(tǒng)允許顯著減少通過空中接口傳送數(shù)據(jù)所需時(shí)間的情況下來降低。

關(guān)于M2M網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，要解決的問題涉及能夠有效地處理通信的通信協(xié)議，并且最重要的是解決在接入中的通信問題;其他重要問題是解決和提供廣覆蓋面和移動性的問題。實(shí)際上，當(dāng)涉及到M2M業(yè)務(wù)的支持時(shí)，通信協(xié)議的效率通常是非常低的，因?yàn)檫B接建立需要太長的時(shí)間因此無法促進(jìn)節(jié)能運(yùn)行。此外，當(dāng)前的物理隨機(jī)接入信道協(xié)議不能同時(shí)處理大量接入到網(wǎng)絡(luò)中的連接設(shè)備。此外，需要優(yōu)化用于數(shù)據(jù)量小和傳輸頻次不高的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：只有少量數(shù)據(jù)的設(shè)備，如果能夠快速發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)，然后變?yōu)樾菝郀顟B(tài)，則可以顯著減少對其他設(shè)備的干擾并將能夠節(jié)省電池。對于尋址（addressing），設(shè)備將需要被識別和尋址;現(xiàn)有的尋址方案可能不適用于支持大量的設(shè)備。

當(dāng)前蜂窩解決方案的適用性

蜂窩網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)從20世紀(jì)80年代早期的總接入通信系統(tǒng)（TACS：Total Access Communication System）一步步演進(jìn)過來，TACS時(shí)代語音作為主要業(yè)務(wù)，一直到20世紀(jì)90年代早期的GSM/EGPRS時(shí)代語音和SMS（短消息）作為主要業(yè)務(wù)；而語音和數(shù)據(jù)則是2000年代中期的UMTS/HSPA的主要業(yè)務(wù)。2010年代的早期，LTE開始被部署，并且在隨后幾年中廣泛的運(yùn)營商進(jìn)行了LTE系統(tǒng)部署。從第一代TACS到第四代（4G）LTE的每一代移動通信技術(shù)的演進(jìn)可以在10年內(nèi)得到應(yīng)用，并且預(yù)期在2020年將會有第五代蜂窩系統(tǒng)（5G）的部署。

所述蜂窩系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分是頻譜，頻譜被認(rèn)為是有價(jià)值的資源，因此，技術(shù)演進(jìn)的關(guān)鍵考慮之一是頻譜效率。與第一代系統(tǒng)相比，4G的頻譜效率提高了20倍。 4G LTE系統(tǒng)可以部署在從1.4到20MHz等六種不同載波帶寬的配置中。這種靈活性是更好地利用碎片化頻譜的關(guān)鍵。

延遲和用戶吞吐量是影響用戶體驗(yàn)的重要屬性。 4G LTE系統(tǒng)已針對移動寬帶傳輸進(jìn)行了優(yōu)化，端到端延遲數(shù)十毫秒，平均用戶數(shù)據(jù)速率為每秒數(shù)十Mbits。用于寬帶數(shù)據(jù)的高性能4G系統(tǒng)增加了設(shè)備的復(fù)雜性，增加了功耗，以及還不那么成熟的生態(tài)系統(tǒng)，以及由于對全球范圍內(nèi)大量零散部署頻段的支持的設(shè)備限制所導(dǎo)致的漫游挑戰(zhàn)。

在支持M2M的嚴(yán)格要求方面，2G技術(shù)系列，即GSM和GPRS/EGPRS是理想的，因?yàn)槠涔暮统杀镜停采w面廣，生態(tài)系統(tǒng)發(fā)達(dá)成熟;然而，從經(jīng)濟(jì)的角度來看，對于下一代系統(tǒng)來說，重新組合頻段更為可行。3G系列，即UMTS和HSPA，是一種不太可取的技術(shù)，因?yàn)楣β市瘦^差，調(diào)制解調(diào)器的成本也較高;總體而言，它是一種不太可取的M2M技術(shù)，是一種“過度殺傷（overkill）”的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗峁┝颂喑^了本身能力的需求。4G技術(shù)，即LTE和LTE-A，再次引起了業(yè)界的興趣，因?yàn)榭罩薪涌诓捎玫腛FDM（A）技術(shù)允許根據(jù)需要縮放帶寬;調(diào)制解調(diào)器成本和全球覆蓋的問題在逐步得到了解決。

圖4、LTE的協(xié)議逐步演進(jìn)旨在增強(qiáng)其對大規(guī)模MTC應(yīng)用的支持能力

LTE的第一個(gè)版本的3GPP協(xié)議已經(jīng)可以很好地支持Massive－MTC應(yīng)用。然而，最近3GPP協(xié)議已經(jīng)有更新來作為LTE特定演進(jìn)的一部分，實(shí)現(xiàn)對大規(guī)模MTC應(yīng)用的增強(qiáng)支持。

如圖4所示，該演進(jìn)中的第一步是在3GPP版本12（3GPP Release 12）中進(jìn)行的。然后在版本13（3GPP Release 13）中再附加一些步驟。在第12版和第13版3GPP 協(xié)議中解決大規(guī)模MTC應(yīng)用的LTE規(guī)范的不同更新我們將在后面的文章中分別更詳細(xì)。

除了LTE對于大規(guī)模MTC應(yīng)用的增強(qiáng)支持的這種更直接的演進(jìn)之外，還存在被稱為窄帶物聯(lián)網(wǎng)（IoT）（NB-IoT）的并行的3GPP標(biāo)準(zhǔn)活動。 剛開始時(shí)NB-IoT作為與LTE演進(jìn)分離的3GPP技術(shù)軌跡發(fā)展。然而，最近NB-IoT技術(shù)已經(jīng)與LTE的發(fā)展保持一致，現(xiàn)在可以將其視為LTE整體演進(jìn)的一部分。 NB-IoT也將會在后面的文章中進(jìn)一步討論

總結(jié)

總而言之，大多數(shù)MTC應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性是通過利用規(guī)模經(jīng)濟(jì)來降低成本來實(shí)現(xiàn)的，從這個(gè)角度講目前的2G系統(tǒng)能夠滿足需求。使用4G LTE系統(tǒng)進(jìn)行MTC應(yīng)用的論據(jù)是受益于4G系統(tǒng)提供的頻譜效率和帶寬靈活性以及該技術(shù)作為未來蜂窩系統(tǒng)的長期應(yīng)用預(yù)期。如上所述，高數(shù)據(jù)速率和低等待時(shí)間并不是大多數(shù)MTC應(yīng)用的關(guān)鍵屬性。面臨的挑戰(zhàn)是適應(yīng)專為高效寬帶通信而設(shè)計(jì)的4G LTE系統(tǒng)，也可以提供和支持MTC應(yīng)用。

最近在3GPP和其他行業(yè)論壇組織一直在努力解決針對MTC應(yīng)用的最優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和其他方面挑戰(zhàn)。這些我們也會在后面的文章中進(jìn)行討論。