面向5G移动通信的蜂窝物联网关键技术分析

2021-03-17李雪焦

数字通信世界 2021年2期

李雪焦，杨鑫

（广州杰赛科技股份有限公司，广东广州 510220）

1 蜂窝物联网技术概述

蜂窝物联网技术是物联网技术中一个非常重要的分支，其中的NB-IoT（窄带物联网）更是将既有的无线网络作为基础来提供的物与物之间的网络覆盖[1]。该技术可以为多连接提供支持，同时也可以实现终端能耗的显著降低，以此来全面满足当今社会工作生活以及各个领域中的实际需求，比如智慧交通、智慧城市、环境监测、医疗保健等。

2 基于5G的蜂窝物联网总体架构

在当今，随着网络系统中大量智能终端设备的接入，蜂窝物联网已经开始逐渐成为了主要的物联网承载形式。就目前的情况来看，物联网接入技术正在朝着云计算、雾计算、边缘计算以及多样化的方向发展，所以基于5G的蜂窝物联网架构也开始越来越清晰。在其总体架构中，传输层以及边缘资源层之间实现了分离，应用层以及服务管理层之间实现了解耦，这样就有效解决了传统物联网传输中的诸多弊端，让网络资源共享以及应用等均可独立实现。下图为基于5G的蜂窝物联网总体架构图：

图1 基于5G的蜂窝物联网总体架构图

3 基于5G的蜂窝物联网功能及其架构数据的处理分析

3.1 各个子层的功能分析

（1）感知层：感知层是整个架构中的信息入口，同时也是其最前端，在这个网络架构中，所有的数据信息都是由感知层产生。借助于各种形式的传感器以及嵌入型的控制器，可以实现各种信息数据的采集，然后再借助于Wi-Fi、蓝牙以及ZigBee等的通信方式将采集到的数据汇入到感知层中。

（2）传输层：传输层的主要功能是数据传输，其中主要包括eMTC终端、NB-IoT终端以及5G终端。在这一层中，5G物联网关技术也是一个至关重要的部分，该技术的主要功能是进行协议的转换与传输，通过该技术，可以将感知层内的所有通信方式都转变成和5G移动通信技术互相兼容的数据形式。

（3）边缘计算层：这一层的主要功能是接入设备和处理数据，其终端通常为嵌入式终端。借助于边缘计算，可以让核心网络方面的开销得以有效降低和分担，让核心网络仅仅对边缘计算处理之后的数据进行处理即可，实现网络性能的显著提升。同时，这一层也具备身份识别以及安全认证等的很多功能。

（4）云计算层：云计算层的主要功能是给上层应用提供服务，这一层的主要组成部分包括公有云以及私有云，具体应用中，所有的数据都从这一层汇入，并在数据中心实现海量数据的储存和计算。

（5）雾计算层：雾计算层和计算层连接，可以为整个网络架构中的公有云、私有云以及边缘计算层之间提供无缝连接，比如功能定义、资源管理、权限管理以及接口定义等。

（6）应用层：在整个的5G蜂窝物联网架构中，应用层是最高层，其他所有层次的所有功能实现都是为了给应用层提供服务。具体应用中，应用层可以借助于大数据处理技术来为人工智能以及决策支持等的各方面应用提供技术支撑。

3.2 架构数据处理分析

在5G蜂窝物联网架构的数据处理中，其主要的处理流程如下：

图2 5G蜂窝物联网架构数据处理流程示意图

具体处理过程中，所有的终端数据都是通过各个传感器所产生，因为物联网感知层具有多样化的通信方式，所以感知层的数据将会按照不同的协议进行不同数据帧的分装。在这些数据帧进入eMTC终端、NB-IoT终端、物联网网关或者是5G终端的过程中，都是借助于5G移动通信的方式来进行数据传输。在网络边缘位置，借助于相应的边缘计算设备，可以让这些数据得到有效的边缘化处理，然后在借助于雾计算技术将经过边缘计算处理好的数据对接到云端。这些数据最终都会到达云端的大数据中心，并通过大数据处理技术来进行处理，以此来为各个应用层的具体应用提供支持。

4 NB-IoT部署场景分析

NB-IoT所支持的部署场景有三种，其一是In-band Mode，该场景可以对LTE中的任意资源块加以应用；其二是Stand-alone Mode，该场景可以对GSM频段重耕所适用的单独频带加以利用；其三是 Guard-band Mode，该场景可以对TE西宫内的边缘无用频带加以利用。

4.1 NB-IoT上下行信道部署

首先是下行基带信号部署，NB-IoT下行是将正交频多分址技术作为基础，其基带采样速率可达到1.92MHz，子载波间距可达到15KHz。在NB-IoT下行信号中，主要包括NRS、NSSS以及NPSS。以下是其具体传输情况：

表1 NB-IoT下行信号中NRS、NSSS以及NPSS的具体传输情况

其次是上行系带信号的部署，NB-IoT上行链路可以对Multi-Tone和Single-Tone提供支持。其中，Single-Tone主可按照3.75kHz以及15kHz来进行划分，并将循环前缀插入。脉冲整形需要通过物理层描述来进行，以此来实现覆盖范围的进一步扩大，并实现功耗的进一步降低。在Multi-Tone这一模式中，主要应用的是SCFDMA方式，其峰值效率更好，子载波间隔可以达到15kHz，时隙可以达到0.5ms，子帧可以达到1ms。同时，在具体的部署过程中，也将该模式用作上行系带信号的LTE。

4.2 NB-IoT测试分析

在对NB-IoT进行测试的过程中，主要借助于以BC95为基础的NB-IoT模块来进行NB-IoT信号的分析，并对NB-IoT进行上行测试。借助于VSE-1100型的数字频谱分析仪对NB-IoT信号进行解调，并进行其信号的测试。以下是具体的测试参数：

表2 NB-IoT具体测试参数

具体测试中，借助于ASE频谱分析仪来进行NBIoT的解调测试，以下是具体的测试结果：

表3 NB-IoT的解调测试具体结果

NB-IoT主要的协议设计形式为精简网络、重复传输以及超窄带，通过一定程度移动性能、网络时延以及速率的牺牲来实现面向于LWPA形式的物联网承载能力获取。在NB-IoT的具体部署中，200kHz带宽可以为2G移动网络的腾频以及升级提供支持，其子载波可以采用3.75kHz/15kHz形式，也就是说，其子载波既可以是LTE子载波的四分之一，也可以与其相等。其部署形式可以是独立部署，也可以和LTE之间实现共载波部署。通过这样的部署形式，就可以让大连接需求得以有效满足，并为5G移动通信技术未来的升级需求提供足够空间，使其成为5G移动通信技术中的一个重要组成部分。