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蜂窝物联网通信技术的演进,有人竟然用“谈恋爱”的过程给讲明白了【值得珍藏】

几维安全 2019-04-03 15:27:46   355
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这些年来,3GPP和物联网总共进行过三次亲密接触,而每一次接触,都意味着物联网网络通信技术的一次重要进展......

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上篇

提到5G,绕不开的是3GPP(Third Generation PartnershipProject),这个吃瓜大众以为很神秘的组织历来很牛。

这是一个领先的蜂窝通信技术的国际标准化组织,最早,由欧洲的ETSI、日本的ARIB 和TTC、韩国的TTA 和美国的T1 于1998 年年底发起成立,旨在研究制定并推广基于演进的GSM 核心网络的3G 标准,包括WCDMA、TD-CDMA、EDGE 等技术标准。LTE(Long TimeEvolution)、LTE-Advanced及其演进等蜂窝移动通信标准也由这一组织制定。中国无线通信标准组也在1999 年加入3GPP。

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而M2M(Machine to Machine)这个概念并不比物联网年轻多少,M2M侧重于描述一种以机器终端智能交互为核心的、网络化的应用与服务。物联网概念形成初期,这两个概念在许多场合是甚至可以互换。机器内部嵌入无线通信模块,并以无线(有线)通信等为接入手段,可以满足客户对监控、指挥调度、数据采集和测量等方面的信息化需求。早在2001年,作者就接触到一些以短信为承载方式的无线抄(水、电、气)表的项目;这些项目在之后的数年里无线机器抄表被作为智慧建筑中的部分内容,来体现居民小区管理的智能化。

这一时期,正是物联网和3GPP率领的无线蜂窝网第一次亲密接触的预热期(《第一次亲密接触》一书彼时正火),蜂窝M2M(Cellular M2M)是物联网和3GPP相识、相知的见证。蜂窝M2M基于蜂窝网实现广域覆盖的M2M,他对物联网的天然诱惑力是:广域覆盖的基础设施是现成的,从短信时代就可以满足物联网的一些网络层需求。(后来,这些都被装到物联网这个概念中。)这几个概念的关系如图1所示。

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图 1.蜂窝M2M与M2M、IoT的关系

1.物联网与3GPP的第一次亲密接触

从2005年就开始关注M2M的3GPP,终于在他的R8版本中正式确立了“恋爱关系”,认真地增强了拥抱物联网的网络能力,并严肃提出了16 类MTC (Machine Type Communication,MTC)业务特性。

这是3GPP与物联网的第一次亲密接触。他们的恋爱完美覆盖了3GPP的家族产业的整个4G阶段(R8-R11),期间积累的MTC类业务的研究工作,即使对于同时代的其他热恋中的年轻人们的成长——非蜂窝网的M2M应用场景分析,也有着很好的指引作用。

比如:3GPP小伙子很上进,酝酿远大的家族理想——5G;为了第二次亲密接触做计划——迎合M2M的低功耗需求,发誓要把功耗一降再降。毕竟一切不面向过日子的恋爱都是耍流氓。

由于刚刚接触,发现彼此有很大的不同。

M2M类业务和针对人-人通信设计的承载网络的需求具有很大的不同,而不同类之间的M2M业务特性的差异性又非常大。

早期, 3GPP研究的M2M业务称为MTC(Machine Type Communication)。MTC需求划分为一般服务需求以及特定服务需求。一般服务需求独立于MTC应用具体特征从宏观角度归纳定义了移动通信网络为支持MTC业务所应具备的基本功能,包括:通用需求、MTC设备触发、寻址、标识、计费、安全以及MTC设备远程管理等。其中,MTC设备触发和远程管理是M2M 所特有的,而其它需求在H2H通信中就已经存在,只是由于MTC终端数量的庞大以及MTC业务的多样使其呈现出有别于H2H通信的新特征。比如在地址和编号方面,需要考虑的是地址空间受限,受限的编号涉及到IMSI,MSISDN和IPv4地址;编号要能够唯一标识一个MTC设备,能够唯一标识一个MTC设备组;计费方面,能够对一个MTC组进行计费,能够对特定的时间段执行特殊费率、能够对特定的事件进行计费;安全方面,至少能够提供与H2H相同的安全级别。

2.物联网与3GPP的第二次亲密接触

3GPP与物联网的热恋期从3GPP的R8(2009年)一致持续到R11(2013年),在不断的MTC网络增强、调整、优化中尽量满足IoT的各种各样的通信需求,他们之间的重要通信工具UE(UserEquipment,3GPP称为用户端设备),为了满足物联网传感器的低功耗和低速率需求,也已经从粗放的Cat.4(上行50Mbps;下行 150 Mbps)节约到了Cat.1(上行5Mbps;下行 10 Mbps)。虽然这时3GPP的家族产业已经从3G升级到了4G时代,但是M2M提出了更为节约的“新婚需求”——更低的功耗和速率。

双方为了过日子,毕竟LPWAN(低功耗广域网)开始威胁他们的感情了。终于在3GPP的R12阶段,基于双方今后过日子的细水长流,他们在Cat.0作为婚戒推出的日子大婚——第二次亲密接触。Cat.0(上行1Mbps;下行 1Mbps)在当时看来,已经低得不能再低了。直到他们的孩子瓜熟蒂落(第三次亲密接触)才发现,要省还能省。

于R12版首次定义的Cat.0的UE,工作带宽为20 MHz,支持半双工,最大发射功率为23dBm;M2M数量激增时,通过LTE-M(R12中称为Low-Cost MTC)提供小带宽来满足物联网潜在的超过300亿接入数量。 此时,3GPP的家族产业已经升级到了4.5G,联合新婚的物联网,开启了新的产业方向:基于家族原先积累的D2D技术开始了车车通信(V2V)标准化。他们并没有因为第二次亲密接触——大婚之喜,而冲昏头脑,一大帮子LPWAN(低功耗广域网)新技术叫嚣着,您们两位的共赢产业,我们也可以掺乎,不就是低功耗吗!

这些低功耗且能广域覆盖的新兴技术详见作者《万物互联:物联网核心技术于安全》书中第四章的表4.5(LPWA网络协议全景图,实在是因好几页就不列了)。3GPP和物联网两位从相知到结婚,使用过的和即将产生的UE见证如下表。

表1 UE分类参数对比

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对于他们结婚的时机与婚戒(UE Category 0,简称Cat.0),多说两句。

彼时,为了应对M2M数量的激增,3GPP与M2M的婚外市场——非传统移动通信公司利用免许可频谱部署和运营非蜂窝IoT网(低功耗网络LWPAN中非蜂窝技术、Zigbee、蓝牙等,详见《万物互联:物联网核心技术于安全》书中的表4.5)早已展开物联网业务的布局。对于Cat.0规格回归到收发速率1 Mhps,较R8最低的Cat.1(10 Mbps下行速率;5 Mhps上行速率)低许多。它允许选用(Optional)以半双工方式传输,同一时间只收不发,或同一时间只发不收。另外Cat.0也建议将收发器芯片与功率放大器(Power Amplifier;PA)整合设计,在接收器链上,把Cat.1的2组限缩到l组。

这个思路对于我们吃瓜大众来讲还是有点意思的:当人们越来越追逐从步行、自行车到汽车(火车)、和高铁(飞机)的交通效率提升时,突然接到老家电话,“村里的路该修修了,您爸妈都赶不了集、出不了门了。”这是笑话,但穷人的日子一样得过,公众移动通信应当自觉考虑最低端的应用需求。就像人行道永远不能废除一样。要不,我们一块儿来猜猜看3GPP最早修的人行道——2G网络什么时候消失。

3GPP在R12的Cat.0婚戒对M2M是认真而负责的;毕竟IoT中的“物物通信”与人的需求不同,无线传感器节点感知一个位置的温度、湿度、震动等数据并传递数据,传输数据量低,降至l Mbps甚至更低,仍能满足使用,且较慢的传输能省功耗。甚至某些应用场景中传感器节点仅会持续单向传输。

从第一次亲密接触到第二次亲密接触,上进的3GPP小青年在自己的家族事业中仍然奋进,并行开展的多项工作详见图2。

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图2 “恋爱”并坚持多线程工作的3GPP

3.物联网与3GPP的第三次亲密接触

眼看LPWAN要弯道超车,3GPP不能也不敢在婚后依旧对于M2M的承载,仅仅是对于网络优化的修修补补,R12婚后的蜜月期一过,3GPP的家族产业在全面开向5G的同时;开始考虑与M2M的第三次亲密接触——既然在彼此的磨合中痛并快乐着,不如生几个孩子继承双方优势。

于是,在3GPP的R13阶段,他们的第三次亲密接触之后,由于3GPP此时已经家大业大,生下来3个孩子,并交由全球范围的移动通信运营商培育:LTE-M、EC-GSM和NB-IoT,分别基于LTE演进、GSM演进和Clean Slate技术。在2016年6月完成NB-IoT的标准化后,在中国,中国移动、中国联通和中国电信将移动蜂窝M2M 的IoT运行部分地从2G/3G网络转移到NB-IoT网络。

3GPP与M2M从相识、相知到牵手、育子的全部时间表详见表2,其中也包含了3GPP家业的集聚里程。

表2 3GPP与M2M的时间见证与三次亲密接触的历程详表

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3GPP的MTC业务进入LTE时代,就嫌MTC老气,而统称为LTE–MTC或LTE-M,但在其各个阶段仍有其不同的业务称呼。基于传统LTE演进的LTE-M从R13之后就改称LTE-M1或LTE(Cat)-M1;NB-IoT也称为LTE(Cat)-M2或LTE-M2。3GPP的家族产业全面向5G进军的时候,提出了继续前进的口号,见图3。

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图 3 向着5G方向的R13和R14及以后

3GPP的家族产业路线图关M2M什么事?好吧,我们下回再说。先剧透下,有了孩子,不得赶紧配车吗。

下篇

上一回中,3GPP和物联网经过三次亲密接触,过起了没羞没臊的幸福生活。并面向5G的物联网应用而生下了三个孩子,继续没羞没臊的交给全球移动通信运营商们抚养。这种只管生,不管养的婚后生活,只想说一句您(bu)们(yao)牛(face)!

好吧,谁叫3GPP财大气粗且思进取呢,图4可见,R13、R14、R15等等等等(等着吧,3GPP 会有n个续集,只要您用手机,IoT要通信,我们都得看着并期待着),是3GPP的进军5G战略路线。

连我们吃瓜大众都看明白了“5G”是产业的商品名,是忽悠我们的,在3GPP内部这一系列路线叫LTE-Advanced Pro。他的4大产业方向如图3所示:海量MTC接入、网络运营、关键场景的通信(如工业物联网中的无人机和机器人控制)、增强的移动带宽。

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图4 面向5G的垂直应用(来源:3GPP)

3GPP在与M2M第三次亲密接触之后,产下三个孩子:LTE-M1、LTE-M2(NB-IoT)和EC-GSM。他们的个性秉承于3GPP的家业,并详述如下表。

表3 3GPP家族及其与M2M共育的标准进展

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婚后的3GPP照顾家庭的同时,不忘工作。将家族事业推向5G新高潮中,并行开展了如图5所示的多项工作。

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图5 面向5G的3GPP任务推进

上回讲到,3GPP和M2M有了孩子,3GPP自己的事业也稳步推进。到了改善生活、开疆拓土的时候了,家庭不得配车吗。由于不差钱,这家不仅配了车,还请了保姆作为联合外援。

3GPP的LTE-AdvancedPro(4.5G)中和物联网相关的主要应用方向,除了上述的LTE-M(与M2M的孩子),还有车子:LTE-V(车联网);以及LTE-U(非牌照频段)作为联合外援。

(1)LTE-V车联网

V2X(Vehicle to X)是面向5G的LTE-Advanced Pro重要发展方向。其中的X涵盖汽车之外的周边环境:V2V即车与车的通信;V2I即车与路的通信,比如与信号灯之间;V2P即车与行人的通信。

当有人问起:车联网完全用现有公众移动网络不就行了?我回答,1秒钟有时候很长,有时候很短,尤其是事关生死的时候。

当认为1秒钟太短的时候,现有车联网应用场景的行驶安全:在数十米的视距范围内、0.1秒数量级的反应时间里,一般要求网络传输延迟在毫秒数量级,传统网络技术无法克服网络延迟问题。可以考虑车载传感系统和超高速无线局域网组成的车联网保证行驶安全。这也是5G中车联网的努力方向。

当认为1秒钟太长的时候,对于数百米非视距、具有几十秒预警时间的场景,就体现出V2X(X指环境)的优势,比如对潜在关联车辆的探测,以及较大范围内行车路线变更等。如图2所示,这是4.5G中,面向5G时代“无人驾驶”对蜂窝网的需求,但高于现有LTE(3G/4G)技术应用场景需求的LTE-V技术的场景定位。

为满足V2X应用需求,现有的LTE技术必须加以调整,比如“基于LTE D2D做小幅修改”方案、“借助LTE基站调度对LTE D2D进行较大改进”方案,以及“新空口(NR,New Radio)”方案(对标准改动很大)。

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图6  LTE-V与现有LTE(3G/4G)应用场景的区分

简言之,行驶安全场景的车联网需要时间更为敏感(毫秒级)、连接场景更为周全的车联网方案,比如基于车载传感系统的方案。而对于交通效率提升的宏观场景,LTE-V更具优势。LTE-V产业的发展仍将面临芯片研发、频谱分配、以及通讯行业和汽车行业融合等方面的问题。

(2)LTE-M

LTE-M的前生今世,上一讲介绍的很全,更为深刻的论述请见作者《万物互联:物联网核心技术与安全》书中第四章。虽然低功耗、广覆盖的物联网是4.5G的另一个重要发展方向;但目前,非传统移动通信公司利用免许可频谱部署和运营非蜂窝IoT网,对移动通信行业带来了一定冲击。从统计和分析数据可以看到,LPWA(Low PowerWide Area,低功耗低带宽广覆盖通信模块)的全球M2M连接数增长速度非常惊人,将在2019年达到29%。详见《万物互联:物联网核心技术于安全》一书的表4.5。

对此,传统移动通信设备商和运营商一方面加快LPWA(Low Power Wide Area,低功耗低带宽广覆盖通信模块)技术融入市场,另一方面传统移动通信对厂商提出要求,尽快提供能与免许可频谱非公开技术竞争的方案,并加快推动3GPP标准化进度。与此同时,3GPP提出和M2M生成3个孩子来解决问题。

LTE-MTC的 Cat-M1(简称LTE-M1)是R12阶段low-cost MTC方案的延续,即针对1Mbps需求,基于LTE设计低带宽系统,复用LTE频谱资源。在R13称为e(enhanced)MTC。

窄带物联网(NB-IoT)的新技术,设计全新的独立窄带系统,在前文NB-IoT部署中已详述。相对于R12-R13中LTE-M关于MTC技术优化的做法,也称LTE-M2(Cat.m2)。

EC-GSM-IoT是已有的演化技术。

详见作者《万物互联:物联网核心技术与安全》书中第四章。

(3)LTE-U

全球4G广泛部署之后,WLAN热点仍能分流40%流量。但是对于蜂窝系统的运营商来说,还是以LTE为主体,WLAN作为重要补充,然后在此基础上推动两者的网络与业务。

4.5G的第3个发展方向是LTE-U,其中最为重要的就是LTE和WLAN的结合。这对物联网接入及大规模应用的网关部署相关,3GPP标准的物联网运营商可以根据结合的进度考虑在物联网网络层接入的具体方式,是以LTE-M为主面向5G平滑过渡,还是在与4.5G同期考虑LTE-M和WLAN的双模接入。

LTE-U在5 GHz的3个部分:U-NII-1(5150-5250MHz)、U-NII-2 (5250-5725MHz)、U-NII-3 (5725-5850MHz)。LTE-U主要优势在于更好的链路接入技术、介质访问控制、移动性管理和良好的覆盖率。WLAN占用了很多免许可频率(>400MHz) ,其频谱总量超过了现有Licensed的频段。因此运营商希望能够在业务上整合许可和非许可频段,使其在统一的核心网络架构上融合。2013年已经提出和启动了LAA(Licensed Assisted Access,许可频段辅助免许可频谱接入)标准预研。

这方面,美国已经有了积极推进,并计划部署满足美国频谱管理规则的商用LTE-U/LAA方案。可以预见,通过频谱方面的重新设计,或者是融合技术的进一步深入,下一代WLAN将表现为更多的可管理与可控性,与LTE也会有更紧密的结合。目前,LTE-U相关标准可能的推动方向有3个,分别是:接入网络的发现和选择、WLAN/3GPP无线互通以及WLAN/3GPP无线聚合。这3个方向也是朝着更加精细化和更深度的异构网络融合的方向递进。

关于3GPP在面向5G进程中配的车子,那可是豪华系列的V2X系列,现在已经包括了3个系列:V2V(车车),V2I(车与路边设施)和V2P(车与行人)。待作者有时间再一一分解。3GPP与M2M已经认领了个新概念——CAV(网联车),来给基于蜂窝网的车联网V2X长脸。

中华文化博大精深,车、联、网这3个字任意搭配都有不同的意思。车联网、网联车、联网车、联车网......不说了,AI在挖IoT的墙角,我先去看看,咱有空在聊。

来源:《万物互联:物联网核心技术与安全》

作者:宋航

物联网智库 整理发布

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