物聯網的5G方案

2018年上半年第三代合作伙伴計劃（3GPP）向國際電信聯盟（ITU）提交NB-IoT和LTE-M技術作為物聯網在5G時代的候選方案，以滿足IMT-2020中描述的5G LPWAN要求。

3GPP承諾LPWAN將繼續僅通過演進LTE-M和NB-IoT作為5G規范過程的一部分，并且3GPP同意不會為5G研究新的LPWAN解決方案。而且大多數NB-IoT和LTE-M設備的固件都可以升級以支持5G，這幾乎可以說我們已經跨入了5G的大門。

NB-IoT和LTE-M都是為物聯網應用開發的兩種LPWAN技術，都是用于低帶寬蜂窩通信的協議，專為需要傳輸少量數據的物聯網設備設計的，具有較低成本和較長時間的電池壽命。

值得注意的是NB-IoT和LTE-M都是4G技術，最初設計NB-IoT和LTE-M時確保了它們可以在LTE系統內進行帶內操作，并且可以共享LTE頻譜，對于5G NR也是如此。未來會使NB-IoT和LTE-M可以在5G中進行帶內操作或共存。這為NB-IoT和LTE-M提供了對5G的向前兼容性。

物聯網對網絡的需求

NB-IoT與LTE-M的出現并非偶然，并且在這之前也有其他的針對物聯網的解決方案。LPWAN的興起主要是由于物聯網的普及，但像LTE之類的傳統蜂窩網絡解決方案通常消耗太多功率。此外，它們不適合不經常傳輸數據且傳輸數據量較少的應用。例如讀取水位、氣體消耗或電力使用的儀表。

物聯網需要一個能夠提供低功耗和覆蓋廣的解決方案。一般需要滿足以下四點：

1. 技術成本低，支持更廣泛的部署并提高應用程序的投資回報率
2. 低功耗，電池的使用壽命需要很長
3. 覆蓋范圍廣，可以連接到地下、建筑物內和農村環境中的設備
4. 高連接容量，今后將會有大量的物聯網設備接入物聯網，這無疑會是個巨大的負荷

萬物互連，所有的“物”都連到互聯網，都成為互聯網世界的一個分子，在互聯網世界里，人和物是同等的。有句經典，“在互聯網世界里，沒有人知道你是一條狗”。所以萬物互連，是真需求，是一個美好的愿望。

物聯網的技術，包含兩部分：傳感器技術和通信技術。

傳感器技術是物聯網的關鍵基礎，是把物理世界的“物”，轉換為數字世界中可辨認的數字化“物理量”，比如溫度傳感器、陀螺儀、指壓傳感器等等，這是物聯網的核心基礎。如果無法描述和轉換物理世界的“物”，物聯網無從可談，有了萬物的傳感器，才可能有萬物互連。

物聯網的通信技術包括有線通信和無線通信。有線物聯網大家都知道的，如電話線、五類網線、電力線PLC、同軸電纜，這里無需多說。而無線物聯網，則再分為蜂窩物聯網和局域物聯網。蜂窩物聯網可包括GPRS、CDMA 1X、NB-IOT、eMTC、LoRa、5G等，主要是指通過蜂窩通信提供物聯網的傳輸需求，覆蓋廣和移動需求，可以是公眾通信網（三大運營商的網絡），也可以是專網（電力、公安、油田等），也包括企業自建的Lora網絡（LPWAN）。而局域物聯網，包括很多短距無線通信技術，比如WIFI、藍牙、zigbee等，這些技術在現有的局域物聯網中使用很多，如果從連接終端數來統計的話，局域物聯網相比蜂窩物聯網，規模大很多很多。

何種技術來實現萬物互聯呢？

物聯網的世界非常多姿多彩，個性化需求很多，萬物互連應該是有由蜂窩網技術和局域網技術共同完成。4G和5G只是屬于蜂窩物聯網的一種，并不是全部，從經濟性和安全性，萬物互連不能單獨由4G和5G承擔。

那么為何說5G技術支持萬物互連呢？是的，蜂窩移動通信，原本就是滿足人和人的通信，容量、覆蓋、質量、速度是非常關鍵的，也是相互制約的要素（很難做到既要高速上網，又要大海量用戶）。

從GSM和CDMA開始，到現在的5G，在覆蓋和容量上不斷快速發展，原來一個基站只支持幾百個用戶同時打電話，到現在一個4G基站支持200~300用戶同時高速上網，技術發展確實是驚人的。到了物聯網階段，一個基站要服務幾萬個物聯網終端，就是所謂的海量連接，需要用到各種技術來滿足。但是要知道，容量和速度是制約的，要支持5萬個物聯網（不是真正的同時時間傳輸數據），每個物聯網終端發送數據量和時間都很少，比如一個抄表終端，一天24小時，只在1分中內傳輸1000個Byte字節大小的數據，然后23小時59分都在睡覺，明白了嗎？又比如如果在體育場里有足球比賽，1萬名觀眾拿著手機看4K視頻，這個場景下目前的5G技術是無法實現的，那是天方夜譚——你不信？腦補一下。

5G是由3GPP標準化組織制定的技術標準，主要針對運營商的蜂窩網絡，并非某個國家擁有（順便普及一下，WIFI是有IEEE標準組織制定的，也不是某個國家擁有）。5G的三大特點，eMBB、uRLLC和mMTC，是一個良好的設計方案，但大部分技術提升不是針對手機用戶，而是蜂窩物聯網用戶，每平方公里提供100萬個終端的接入，即海量連接，是蜂窩物聯網技術發展的一個突破。但只是移動運營商利用蜂窩移動通信技術，來滿足“萬物互連”的一個技術方案，或一種愿望。

物聯網的特點就是個性化非常明顯，并不是每個物聯網應用都需要超低時延，或者低功耗，或者全覆蓋。一個簡單的例子，智能家居，把家庭的所有電器、門鎖、照明、馬桶都“萬物互連”起來，4G、5G蜂窩物聯網是最好的方案嗎？不見得，5G的技術優勢沒用上，不需要超高速上網、低時延、低功耗，那智能家居需要什么呢？需要良好的無線信號覆蓋、友好方便的用戶交互、資費便宜甚至免費，這些光纖寬帶+WIFI技術已經完全滿足了。

試想一下，如果用5G實現智能家居，可能會出現：衛生間信號不好，智能馬桶沖不能沖水；欠費停機，智能門鎖就開不了；白天可以看4K高清視頻，晚上就只能看標清視頻（5G無線容量都是整個基站的所有用戶共享的，沒辦法承諾單個用戶的上網速率的）。但用PLC turbo + mesh wifi 技術，可以解決無死角信號覆蓋，永遠不會欠費，也不會和鄰居爭搶無線頻率資源。

除了智能家居，很多封閉場景下，使用局域物聯網技術更加合適，比如廣州宜家商場，全封閉環境下使用ibeacon藍牙定位服務，這些不一定非要用5G的物聯網場景。當然，確實有些低時延、大覆蓋的場景，需要使用蜂窩物聯網技術才能解決，比如車聯網。

物聯網方案的發展

Cat-1
Cat-1代表了使用現有LTE網絡連接物聯網設備的早期推動力。雖然性能不如3G網絡，但他是需要瀏覽器界面或語音功能的物聯網應用的絕佳選擇。重要的是它已經標準化并且物聯網很容易過渡到Cat-1網絡。

Cat-0
Cat-1之后有了Cat-0。相對于Cat-1，它優化了成本，消除了Cat-1支持的高數據要求的功能，放棄了對MIMO的支持，簡化為半雙工，峰值速率降低為1Mbit/s，終端復雜度降低為普通LTE終端的40%。



LTE-M通常被視為物聯網應用而構建的第二代LTE芯片。他完成了Cat-0最初設想的低成本和低功耗。通過將最大系統帶寬限制在1.4MHz，而不是Cat-0的20MHz。Cat-M相對于其他方案的真正優勢在于Cat-M與現有的LTE網絡兼容。對于運營商來說，這是一個好消息，因為他們不需要花錢來建造新的天線，盡管Cat-M與LTE網絡相連需要一個軟件補丁。

NB-IoT/Cat-M2
NB-IoT的目的類似于Cat-M，但是它使用DSSS調制而不是LTE無線電。因此NB-IoT不在LTE頻段中運行，這意味著供應商前期部署NB-IoT的成本會更高。盡管如此NB-IoT被吹捧為可能更便宜的選擇，因為它消除了對網關的需求。其他方案的基礎設施通常具有聚合傳感器數據的網關，然后網關與主服務器通信。但是，使用NB-IoT，傳感器數據將直接發送到主服務器。

NB-IoT與LTE-M的優劣
LTE-M和NB-IoT都屬于M2M通信的類別，也稱MTC（機器類型通信）。并且兩者都是專門為長時間傳輸少量數據的物聯網設備而設計優化的。兩者都有特定的應用場景。

LTE-M
LTE-M的設備復雜度更低，支持大規模的連接密度、低設備功耗、低延遲并提供廣闊的覆蓋范圍，同時允許服復用LTE的基礎設施。

對于任務關鍵型的應用，LTE-M是唯一的選擇，它支持需要實時通信的設備，以確保應用程序滿足用戶體驗要求。LTE-M支持語音，并且LTE-M上行鏈路和下行鏈路速度高達1 Mbps，遠遠超過NB-IOT。

盡管LTE-M技術支持語音，但每個網絡運營商都要決定是否在LTE-M技術支持語音。其次在擴展覆蓋面的情況下，語音根本無法用于LTE-M，僅在標準覆蓋區域中支持語音。

NB-IoT
NB-IOT是為了實現大規模分布式設備的高效通信和長電池壽命的方案，使用移動互聯網來連接這些事物。NB-IoT的特點是改善室內覆蓋（擁有更強的穿透力），支持大量低吞吐量設備，低延遲靈敏度，超低設備成本，低設備功耗和優化的網絡架構。

在醫療保健領域，許多患者監測設備僅需要記錄并將患者病情的少量數據傳輸到醫院。在農業方面，需要傳輸的天氣或土壤狀況數據量很少，而對于智慧城市，傳感器檢測城市垃圾箱的充滿程度或空氣污染程度對數據量的要求也不高。這時NB-IoT會是更好的選擇。

物聯網涵蓋了廣泛的應用。對于實時監控，你可能需要高帶寬。對于資產跟蹤，數據吞吐量很小，但隨著對象的移動，不可避免地會有很多切換。智能電表和許多智能城市用例需要每天一次或兩次小型數據傳輸。這意味著沒有一種技術可以滿足物聯網設備的特定需求。

正在路上的物聯網

3G UMTS和4G LTE技術使用不同的核心網絡，這會產生額外的復雜性和成本，運營商也需要棄用3G技術以進入單核心網絡。同樣的問題不會出現在5G核心網絡，它可以連接到5G NR以及5G LTE。

為了確保LTE-M和NB-IoT的類似兼容性，3GPP正在研究允許NB-IoT和LTE-M連接到5G核心網絡的機制。這將使未來的5G系統能夠使用相同的核心網絡支持LTE、NR、NB-IoT和LTE-M。

NB-IoT和LTE-M剛剛起步。在接下來的幾年中，這些低功耗蜂窩網絡將為大量新應用打開大門，連接數十億需要遠程連接并延長電池壽命的設備。

物聯網的世界非常多姿多彩，個性化需求很多，萬物互連應該是有由蜂窩網技術和局域網技術共同完成。4G和5G只是屬于蜂窩物聯網的一種，并不是全部，從經濟性和安全性，萬物互連不能單獨由4G和5G承擔。

萬物互連是真需求，但5G不是唯一方案，泛在無線百花齊放。

為滿足“萬物互連”的需求，5G技術實現海量連接，是由運營商主推的使用蜂窩物聯網方案，利用蜂窩技術來實現海量連接，確實是3GPP組織對人類的重要貢獻。但從上面分析可以看出，滿足“萬物互連”不一非得使用5G蜂窩物聯網，而是各種有線無線技術輪番上場，各展身手，這就是傳說中的泛在網，或者泛在無線通信（5G本身只是泛在無線的一種方式而已）。在物聯網時代，眾多泛在無線通信技術百花齊放，與5G一并起舞。

最近幾天，網上廣泛流傳了項立剛老師關于5G技術業務的視頻，項老師在其中提到2025年中國的物聯網終端數（連接數）達到100億，這是非常可能的，但是否都用5G或蜂窩技術來實現，各位看官看了上面的分析，心里自有答案了。