LTE无线通信技术与物联网技术的结合与发展

李 昊，胡 兴（上海贝尔股份有限公司，上海 201206）

0 前言

2004年12月，在3GPP多伦多会议上，确定LTE作为3G的演进技术。在20 MHz频谱带宽下，LTE能够提供下行326 Mbit/s与上行86 Mbit/s的峰值速率。这种巨大的性能优势，使LTE成为目前无线通信系统中最火热的技术。由于正交频分复用（OFDM）技术将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输，并通过层二调度器对无线资源进行动态调度。使得无线信道的使用更灵活、更有效率，特别适用于物联网业务这样的小数据包、高频次、常在线业务，可以解决在GSM与WCDMA为代表的2G/3G技术对小数据包常在线业务必须要保持一个固定带宽的数据承载，使常在线业务使用2G/3G技术时，频谱利用率极低的技术瓶颈得以解决。

由于传统的无线通信网络无法满足物联网对于数据传输的需求，使得早期物联网应用在部署范围、应用领域等诸多方面有所局限，终端之间以及终端与后台软件之间都难以开展协同。随着无线通信与云计算技术的发展，建立端到端的新型无线物联网将成为必然，无线通信网络成为物联网的基础承载网络，移动通信终端也可实现与物联网终端的融合，而LTE无线通信网络让这一切有了可能。

1 关于物联网与云计算

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，是物物相连的互联网。这包含以下2层意思。

第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络。

第二，用户端可延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。

因此，物联网是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

因为在互联网基础上做的网络延伸，突破了传统的传感器网络只在本地进行自动化控制，对于信息不对称的现状，不同的行业可以通过物联网的相互协调得以合作、协调与发展，从而可以突破传统行业现有的水平，达到本质的突破，甚至革命。图1为物联网业务的基本模块示意图。

自从Google在2006年推出的“Google 101计划”中提出云计算的概念之后，许多组织从不同的研究视角给出了云计算的定义，目前关于云计算的定义已有上百种。其核心思想是将大量用于网络连接的计算和处理资源进行统一管理和调度，构成一个资源池按需向用户提供服务。

维基百科对云计算的定义是：云计算是一种基于互联网的计算方式，通过互联网上异构、自治的服务为个人和企业用户提供按需即取的计算、软件信息。

伯克利云计算白皮书对云计算的定义是：云计算包括互联网上各种服务形式的应用以及应用所依托的数据中心的软硬件设施。通过量入为出的方式提供给公众的云称为公共云，如Amazon s3（simple storage service）、Google App Engine和 Microsoft Azure 等，而不对公众开放的组织内部数据中心的云称为私有云。

以上2家机构对云的定义各有侧重，从根本上说，云计算是以虚拟技术为核心的技术，以规模经济为驱动，以互联网为载体，以由大量的计算资源组成的IT资源池为支撑，按照用户需求动态地提供虚拟化的、可伸缩的IT服务。在云计算模式下，不同种类的IT服务按照用户的需求规模和要求动态地构建、运营和维护，用户一般以量入为出的方式支付其利用资源的费用。

目前越来越多的厂商可以提供不同层次的云计算服务，部分厂商还可以同时提供设备、平台、软件等多层次的云计算服务，例如Google既可提供云计算平台服务，又可提供云计算软件服务，众多厂家均在云计算领域寻找着商业突破点。

2 物联网所特有的业务模型分析

表1示出的是当前物联网的主流数据业务的业务模型，其中包括各种业务的业务类型、描述、数据包频率、数据包大小、配置范围、移动性、终端密度等，该数据均取自真实的业务模型分析。其中，会话频率为每天该业务被触发的会话数。会话大小为该类型业务每个数据包的大小。配置范围为该业务被配置的覆盖场景。移动性表示该业务是静止的还是移动的。终端密度表示每平方公里M2M终端的数目。通过对各类业务场景数据包的分析可以估计出物联网数据业务的业务形态规律以及对网络的压力。

图1 物联网业务的基本模块示意图

从表1可以看出，物联网的数据模型为小包、高频次的数据业务、类似QQ的数据业务，物联网数据业务也是一种常在线业务，该业务会大量浪费网络资源（目前QQ数据业务已经对2G/3G网络产生极大影响），造成信令风暴，导致网络效率低下。随着物联网时代的到来，数据包更小，频次更高，并且常在线，数据负荷更大，如果采用传统的网络优化与解决方法，信令风暴问题必将凸显，而成为运营商通过无线网络承载物联网业务的瓶颈。

3 LTE无线通信系统适配物联网的业务模型

图2为物联网业务与LTE无线网络与前端自组织网络结合而成的无线物联网的结构图，由于物联网需要把传感器和控制机通过自组织网络等局域网络进行传感器的叠加，而把LTE无线通信网络作为网关接入，所以数据流在自组织网络回传输入到LTE网络的时候非常大。会产生更大负荷的小包、高频次的业务数据，此模型为物联网的无线传感器网络所特有，对无线网络将产生巨大的压力。

由于LTE技术采用正交频分复用（OFDM）技术将信道分成若干正交子信道，将高速数据流转换成并行低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输，并通过层二调度器对无线资源进行动态调度,从而可利用LTE技术使物联网所特有的小包、高频次等常在线数据业务成为可能。另外，需要根据协议层（见图3）进行细致分析，并调整其中参数，加以优化。

从核心网的角度上看，手机发起业务之后需要建立无线承载，可以通过NAS消息通知核心网并建立相应的QCI（QoS Class Identifier）的无线承载进行传输，3GPP定义了QCI（见表2），并通过S1消息通知接入网建立相应的无线承载。

LTE系统的核心网没有主动释放机制，也就是说不会监测到没有数据，就进行链路释放。只有接入网消息或者UE通过NAS消息通知核心网才会真正释放。核心网、UE的NAS层都保持ATTACH状态，保存IP地址，从而实现常在线，不管底层是否保持或者释放链路，都不替换IP地址。

表1 物联网的主流数据业务的业务模型

表2 3GPP定义的QCI参数

图2 无线物联网的结构图

图3 LTE系统协议栈示意图

从接入网的角度看，接入网按照核心网的QCI参数配置相应的无线参数，并且，由于LTE用户面传输都通过适配共享信道的资源，所以配置灵活，资源占用率可达到最优。

如果一段时间没有数据，会进入DRX周期省电模式（需要根据不同业务的应用层业务模型来调整参数，优化DRX周期的参数，UE可以配置）。

LTE中使用OFDM的共享资源，用层二调度器来对资源进行动态调度，理论上，上层不释放信令资源，并不会影响到空口的资源，可以真正做到保留常在线。调度器与RRC对系统进行了优化。3GPP对视频、游戏、语音等多方面的业务形态均有定义，但是尚未定义基于物联网的小包、高频次、常在线的业务形态，可以分析基于物联网的特殊业务模型形态，对其参数进行优化，以适配物联网的数据业务形态。

4 结束语

通过对物联网现有数据形态的分析可以得知，必须将LTE系统按照各种物联网数据模型进行优化，才能顺利承载物联网业务，并且保证网络稳定。3GPP的9种QCI中并没有定义物联网相关的业务形态，也就是说，如果完全按照协议实现，不能满足物联网的要求。可以通过3GPP消息中自定义的位域，抽象出全新的QCI，并且根据特定的小包、高频次数据模型，对无线通信系统进行优化，并与自定义的物联网专用的QCI进行映射，产生适用于物联网的小包、高频次的无线承载，从而更好地为物联网业务服务。随着科技的发展，物联网与云计算技术必然将会与普通的数据业务甚至语音业务一样为公众使用，而2G/3G技术已经成为其发展的瓶颈，第四代移动通信LTE技术可以更好地为物联网业务服务，提供稳定的无线承载。

［1］Wikipedia.Cloud computing［EB/OL］.［2011-07-12］.http://www.en.Wikipedia.org/wiki/Cloud computing.

［2］Michael A，Fox A，Griffith R，et a1.Above the clouds：a berkeley view of cloud computing［EB/OL］.［2011-07-12］.http://www.citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?Doi=10.1.1.150.628&rep=repl&type=pdf.

［3］R2-100204 Traffic model for M2M service ［S/OL］. ［2011-07-12］.http://www.3gpp.org/ftp/tsg.../ADN_Tdoc_List_RAN2_68bis.htm.

［4］3GPP TS 22.060 General Packet Radio Service （GPRS）；Service description；Stage 1［S/OL］. ［2011-07-12］.http://www.turkcell.com.tr/downloads/hakkimizda/pdf/22060-800.pdf.

［5］3GPP TS 36.300 Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）；Overall description；Stage 2［S/OL］.［2011-07-12］.［S/OL］.［2011-07-12］.http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/36300.htm.