物联网浪潮下的无线网发展趋势

刘振峰

摘要：物联网涉及电子、通信、微电子、材料诸多领域之技术融合，实现万物之互联。公司乃至国家视其为重要之战略技术产业。所以为之，其因不言而喻却难以诉诸口舌，姑且作为文明之进步，以此泛在网络服务，人类之生活形态理当愈加体面。其来势如源自亘古之洪流，无可阻挡。我们将被裹挟，由少数弄潮之人引领，或随波逐流、或搁浅于岸、或葬身鱼腹。作为无线网络工作者，当下亟待我们凿就NB-IoT/eMTC技术之舟，编织抛撒蜂窝物联之网，愿能踏潮水潺潺泊向远方。

关键词：物联网；无线；通信；微电子；网络服务

中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）22-0261-04

1物联网来袭

1.1何为物联网？

2005年，国际电信联盟（ITU）发布的《2005互联网报告：物联网》中，定义物联网（Internet of Things，IoT），謂之物物相连之互联网：其一，为互联网、电信网、广播电视网等之延伸扩展；其二，为人与人间信息交互至人与物、物与物之延伸扩展。通过射频识别技术（RFID）、全球卫星定位系统（GPS）、生物识别技术等信息传感设备，通由约定协议标准，把万物接人一张无所不在之大网络，识别、定位、监控、管理、利用万物。

物联网体系分层结构为三，如图1所示：其一，为传感器网络构成感知万物信息之感知延伸层；其二，为融合异构通信网络，接入万物传递处理其间信息之网络层；其三，为万物互联服务与人之果实，即业务与应用层。

感知延伸层之要务，感知万物之“色、声、香、味、触、法”之信息：通过RFID、红外识别技术识别物体，通过GPS定位物体位置，通过传感器网络捕捉、识别并传递物体状态行为。亟需解决设备低功耗、器件微型化、建设成本低之问题，并欲图更敏锐之感知能力与更丰富之感知内容。

网络层之要务，保证感知层获取之信息能顺利传递与处理，其又分接人层与平台层：通过电信网、互联网等已有之异构网络之融合，兼顾物体能多方式接入、移动性管理、安全性保证；利用大数据、云计算，对感知到万物之信息进行存储、挖掘、处理。亟需解决异构网络融合、新一代移动网络建设之问题，实现无缝之接入。

业务与应用层即各行各业，为使用万物感知信息进行有目的、个性化之应用，可谋实惠。但当前各行业建立体系独立，不利泛在网络服务之开展。

1.2为何需要万物互联？

2016年刷爆朋友圈的Amazon Go（美国亚马逊公司推出的拿完就走的线下便利店），颠覆了传统零售商场模式。走进商店，拿取需要的商品，走出商店。物联网会完成客户身份识别，商品信息获取，购物动作捕捉，自动结算等诸多工作。已经发生在其他行业的场景：大棚里一株番茄渴了，会告诉灌溉设备快点给它浇水（智能农业）；智能家居管家察觉到昨天刚产下的猫仔瑟瑟发抖，与空调协商调节室内温度（智能家居）。万物在交流，以人类尚可理解之方式。

美国心理学家艾里希·弗洛姆这样说过：人亟需与自身之外的世界相联系，避免孤独（无法同任何能赋予其生命意义之物相联系）。人从人与自然之原始一体状态中获得的自由越多，越成为一个“个人”，他会越别无选择，只有在自发之爱与生产劳动中与世界相连，亦或觅求一种破坏其自然及个人自我完整之类的纽带与社会相连，以确保安全。

1.3此流将要去向何方？

2008年时有人预测，未来物联网至发展将历经四个阶段：2010年前RFID广泛应用于物流、零售与制药领域；至2015年实现物体互联；至2020年物体进入半智能化；2020年之后物体进入全智能化。物联网可以看成是利用“泛在网络”实现“泛在服务”，是种更加深远广泛的未来网络应用形态；其本意，在万物可以主动连接至泛在网络，进行信息交流。更深一层，物联网希望把信息处理能力与智能技术通过互联网注入每一个物体，另物质世界杯极大程度地数据化并赋予生命；希望世界万物能够拟人化地上网，使物体会“说话”、会“思考”、会“行动”。

2借助物联网无线网络的迅速发展

暂安放“诗与远方”，且谈“眼前苟且”，可预见，物联网势必给各国政府与企业带来巨大财富。稔知物联网无论从技术、产业上，均尚处发展初期，真正成熟的技术标准与产业格局远未成型。垂涎于如此诱惑，有志有力之各方遂将展开角逐。走在前端而非按图索骥者，弄潮儿是也。

美国政府已出台政策，鼓励支持物联网技术在能源、医疗、宽带三大领域施展拳脚；日本政府于2009年8月推出“i-Japan”战略，意图构建一张智能物联网服务体系；欧盟亦加紧部署物联网相关战略，推进建设下一代泛在网络基础设施。世界著名高校、科研院所、科技公司已开展了大量物联网技术研究，提出解决方案。中国的物联网几乎与发达国家同时起步，2010年《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》将物联网定位为国家首批培育的7个战略新兴产业之一，2015年李克强总理在政府工作报告中首次提出“互联网+”战略，推动互联网与传统产业深度结合，为物联网产业应用指明方向。

《国务院关于推进物联网有序健康发展的指导》中指出，实现技术创新、管理创新、商业模式创新之协同发展，使创新资源和要素得到有效配置，是发展物联网之首要目标。因物联网体系结构繁杂，涉及诸多相关单元，如图2所示，由电信运营商、硬件提供商、系统集成商等物联网产业链，高校科研院所，政府及服务机构等重要环节共同构成一个物联网协同创新共生系统。观之产业链内部情况，电信运营商为主导是当前物联网协同创新生态体系之重要特征。

3未来无线网发展趋势

3.1用什么编织万物互联之网

万物互联的网络空间给网络运维带来了多重挑战。一是业务使用更集中，上亿数量级别的连接终端同时激活和发起业务，对网络信令的瞬间响应和并发处理能力带来巨大压力。二是多场景应用的质量保障更加困难，交通、金融、能源等各类应用的业务模型差异巨大，需要网络提供不同的QoS服务。三是业务可靠性要求更高，如自动驾驶、远程医疗等行业应用，网络的时延及稳定性将直接关系到用户的生命安全。四是网络支撑更复杂，面临着从单一信息传输向综合感知、传输、存储、计算处理一体化的转变。

根据麦肯锡《Unlocking the potential of the internet of things》报告研究估算，预计2020年，中国国内的连接规模有望突破100亿个，数字化服务关联市场将达到万亿元量级，如图3所示。

LPWA技术较其他物联网技术具有广覆盖、大容量、低成本、低功耗、高安全之优势，将是未来一段时间内物联网中低速业务之首选解决方案。

在LPWA技术中，NB-IoT与eMTC，在标准、频谱、覆盖等方面具有优势，是无线互联最主要的物联网技术。

NB-IoT，NarrowBandInternet ofThings，即窄带互联网。是3GPP专门为低功耗/广覆盖网业务设计的全新技术。其基于蜂窝网络，采用超窄带设计（200kHz），用时延、速率、接通率还换取更高的物联网承受能力，对终端与网络进行精简，与LTE可独立客融合。其标准于2016年6月冻结完成。

eMTC，Enhanced Machine Type Communication，即增强机器类通信。是LTE的增强功能，依据LPWA业务需求局部优化至技术。基于TDD/FDD软件升级快速部署，在1.4MHz带宽支持语音、高速移动和独立定位等物联网应用。其标准于2016年3月冻结完成。

NB-IoT与eMTC各有所长，如下页表2.2描述：NB-IoT更适用于目前的低速LPWA业务，但网络改造量大、建设复杂度高、投资高；eMTC适用于支持语音、中等速率以及移动性更高的物联网业务，可以直接基于4G升级，但基于移动现有频段，将在覆盖、容量方面存在劣势。二者可同步部署，满足不同物联网业务要求。可以发现，二者均可由目前蜂窝网改造，故亦可称之为蜂窝物联网。

NB-IoT与eMTC方案比较如下页表1所示：

3.2如何编织此张蜂窝物联之网

应当在储备FDD硬件能力，推进2/3/4G网络演进之过程中，进行蜂窝物联网之部署建设：NB-IoT在900MHz频段部署，基于2G基站新增板件升级，开通过少量投资新建NB-IoT基站，反向升级支持GSM，储备FDD硬件能力；eMTC基于TDD/FDD LTE设备软件升级；实现2G老旧设备改造及未来演进能力，以满足现网2G业务及未来FDD、NB-IoT快速部署之需要。

蜂窝物联网的部署，将对2/3/4G网络演进2G网络产生影响。对于2G网络，900MHz频段将逐步退频，支撑GSM/FDD-LTE/NB-IoT三张网络；1800MHz频段退频向FDD-LTE演进。对于3G网络，将逐步退出使用，向TDD-LTE演进；根据A频段终端推进情况，整段翻频。对于4G网络，根据业务预测结合4G网络厚度分析，现有TD-LTE频谱资源F（30M）+D（50M）基本能满足规划期容量需求，通过分局异构网络实现宏微结合，补盲补热；FDD牌照发放后，900MHz频段网络用于广覆盖和深度覆盖，1800MHz频段网络用于热点补充。移动蜂窝物联网部署方案如表2所示。

NB-IoT应首要采取“重点覆盖城市，农村按需确定覆盖区域，按照GSM网覆盖水平进行规模测算，提供相对普遍的接入业务”的普遍薄网建网方案。此方案便于推动NB-IoT产业发展，有助于实现万物互连；但其投资巨大，且业务发展较慢，短期内成本收回风险大。故在实验网阶段，可采用“与政府与企业合作，按需求建设”的分区域建网方案，在以此为基础，逐步扩展开来。

eMTC可根据FDD牌照的发放情况，可选择基于TD-LTE或FDD-LTE升级的建网方案。利用TD-LTE升级建设时，因受限于频段难以实现普遍覆盖，所以建议分区域建网方案。基于FDD-LTE升级建设时应使用900MHz频段，采用建设普通薄网建网方案。

NB-IoT的建设方式分新建与升级两种方式。升级方式是基于2G基站增加板件、替换老旧设备实现NB-IoT建设；这种方式建设速度快，但部分存量设备模块不支持，需要替换。新建方式是直接新建NB-IoT站点，支持反向升级GSM，支持平滑升级FDD-LTE；这种方式完全不影响现网GSM网络，但投资较大。

eMTC的建设方式分基于TD-LTE或FDD-LTE直接软件升级。目前华为、中兴、诺基亚、爱立信均已具备条件，可直接软件升级。基于现网TD-LTE升级，可充分利旧存量设备，重用LTE频谱资源，与普通UE共用TD-LTE小区。待FDD牌照发后，可基于建成的FDD-LTE设备升级软件，与普通UE共用FDD-LTE小区。

3.3在蜂窝物联网上耕耘

当前，GSM将在较长一段时间内继续为承载语音业务贡献力量，TD-SCDMA在短时间内还无法完全退出服务，LTE用户继续增加并新增TDD-LTE，5G也已开始布局。随着蜂窝物联网的建成，届时将出现蜂窝网与物联网“4+1”并存之局面，给无线网络工作带来巨大挑战。

资源管理方面，要确保数亿级终端前后端的可管可控，后端需要搭建高性能资源管理平台，前端做好终端现场位置之精确标识。

故障维护方面，维护之工作边界将从网络侧拓展至用户终端，积极开发和应用大数据技术、现场定位工具实现物联网故障点之精准定位，落实“分级响应一故障预处理一现场处理一问题分析与闭环”全套工作流程。

质量优化方面，需建立物联网与项集中质量优化流程，提取物联网性能指标，开展物联网集中性能分析与测试集中分析，拓展测试方案、创新测试工具，结合物联网的业务特点完善投诉处理流程，开发应用物联网信令数据开展质量评估和问题定位工具。做好多网协同。

参数管控方面，需将物联网网络参数纳入集中参数管控，做好参数的级别划分，明确各级参数的维护、操作职责。终端数据纳入工参管理，实现集中管理。

3.4物联网和室分无线网络生产

相当长的一段时间里，无源的无线网络设备，难以监控维护，尤其是室内分布系统。传统室内分布系统，由馈线、耦合器、功分器、合路器、天线组成，这样庞大繁杂的系统占目前室分系统的80%以上，监控量数以亿计。具有广覆盖、大容量、低成本、低功耗、高安全之优势的物联网，将是无源器件监控不错的解决方案：将关键无源器件监控点部署物联网监控终端，如图4所示，而且普遍的当前的GSM频段穿透性好于LTE频段，对于隐藏在建筑物深处的器件可以每小时或每天轮询，及时发现系统问题隐患。

室分网络解决建筑物内的深度覆盖问题，当前度室分网络测试受制于建筑物结构、业主隐私等因素，无法做到遍历测试。物联网的出现提供了新的网络质量监控手段。如图5所示，在楼宇特定位置安装监控终端，建立大楼模型，可实现实时的室分网络质量监控。

4结束语

物联网，将对医疗、农业、工业、能源等几乎所有行业领域产生深远之影响。其意味着人类创造之物质工具更聪明，借由它们完成人与物（非人生物，人造物）之间可以交流（为人所能察觉之方式，在人控制约束之下），并基于此实现人与自然之系统融合。各国政府、各行业均视物联网为巨大宝藏。无线互联作为物联网的基础保證，也将以更新的姿态展现在我们的面前，让我们的生活更加便利。