面向5G移动通信的蜂窝物联网关键技术分析

霍晗，凌飞，王晓娟

中国联合网络通信有限公司山西省分公司，山西太原，030006

0 引言

5G移动通信领域的发展，需要各种技术的紧密配合、协调与支撑，与许多相关技术的完善、发展密不可分，而蜂窝物联网技术便属其一，它作为整个物联网技术架构当中的重要构成，凭借各种优势，受到社会的广泛推崇。需指出的是，窄带物联网（NB-IoT）作为蜂窝物联网技术的代表，能把既往的无线网络当作基础，以此在物与物之间实现更宽泛的网络覆盖，有助于成本的降低与运作效能的提高；此外，它还能降低终端能耗，故可以较好地满足社会多领域需要，如医疗保健、智慧交通、环境监测及智慧城市等[1]。

1 物联网概述

1.1 物联网的基本定义

物联网实际就是以现有或处于演进状态的信息通信技术（可互操作）为基础，借助互联物件（虚拟与物理），获得先进且实用化服务的一类具有全球性特征的信息基础设施[2]。在物联网这一时代背景下，网络能够把我们身边的各种设备、物品相连接，融为一体，以此为人们生产、生活提供更优质、高效的服务与体验。

1.2 物联网的基本架构

在推动机器对机器（M2M）通信标准化的这一进程当中，欧洲电信标准化委员会（ETSI）早在2008年便已组建M2M技术委员会，而且在2012年时，与其他13家成员相联合，在全球范围内发起了具有重要时代意义的one M2M倡议，其主要目的是促进M2M通信系统与互联网效率的不断提升。

需指出的是，one M2M围绕物联网架构，给出的定义如下。（1）应用层。应用与设备间的连通，不仅囊括应用层协议，而且还包含一些智能系统及北向接口相对应的标准化定义。（2）服务层。该层主要包含与物联网应用处于连接状态的物理网络及底层的硬件与管理协议。（3）网络层。该层即端点设备与物联网设备间的通信层，囊括设备所连接的通信网络及设备自身等。在2014年，Io TWF架构委员会对外发布了一个物联网架构（7层）的参考模型，囊括数据访问与储存及边缘计算，其为物联网的虚拟化提供了一个实用且简洁的方式[3]。

2 蜂窝物联网的相关研究

针对传统的蜂窝网络而言，其所使用的智能终端、传感器等大多采用的是价格低廉的产品，另外，在供电上，多选用的是干电池，故存在有限的能源，大多应用于室外或者地下管廊。此类情况使得传统蜂窝网络在应对物联网的发展，特别是在应对M2M时，表现出明显的通信能力不足的情况。随着许多新技术的诞生、新业态的形成，第三代合作伙伴计划（3GPP）明确指出，应将信号覆盖范围不断扩大，促进能源综合利用效率的提升，此外，还应促进时延的降低，且能够同时且高质量地支持海量、低流量设备接入，以及促进设备复杂度的降低[4]。

围绕以上需求，业内突出了边缘计算（EC）的概念模型。实际就是把各种功能（如存储、服务、程序等），向网络边缘进行推送，借助大量网络设备或终端，将相应的计算工作完成，借此促进网络数据流量的减轻以及网络压力的降低。需指出的是，移动边缘计算实为蜂窝网络融合边缘计算这一背景下而形成的产物，乃5G领域中的核心技术。思科早在2011年便率先提出了雾计算（FC），其实际是把云服务以一种合理、妥当的方式连接于边缘计算，建立与中间件相类似的网络功能模块[5]。与云计算相比较，雾计算与物联网的碎片化特征及应用的复杂性更为相符，故借助雾计算，可较好实现解耦云端与设备终端，并促进网络带宽占用情况的减轻。LTE-M又称为eMTC，是专门针对物联网而制定的一项技术标准。2016年，3GPP结合物联网应用需求，专门制定了具有深远影响的窄带物联网标准（NBIOT），其具有多种特点，如低功耗、低速率、覆盖广及低成本、可实现海量连接等。表1为NBIOT、eMTC与LTE-4G的技术特征及具体的应用领域。

表1 NB-IOT、eMTC 与LTE-4G 的技术特征及应用领域

3 面向5G通信的蜂窝物联网架构分析

伴随物联网在相应接入方式上的日渐多元化，以及云计算、边缘计算、雾计算等技术的日渐成熟，面向5G网络的蜂窝物联网的基本架构正在变得越发清晰（图1）。从图中可知，网络架构把边缘计算层与传输层分开，并且还对服务管理层与应用层进行了解耦。

图1 面向5G 的蜂窝物联网的基本架构概念图

3.1 各子层功能

（1）感知层。需说明的是，感知层实为信息的一个重要入口，它借助嵌入式控制器及各种类型的传感器，把所采集到的各种参数，以多种方式传送至感知层，比如LoRa、蓝牙、ZigBee或者Wi-Fi等。在整个架构当中，感知层位于最前端，全部数据信息均需要经过此层而产生，实为整个架构体系当中的一个基础性架构。（2）传输层。此层的主要作用就是传输数据，需强调的是，无论是eMTC终端，还是NB-IOT终端，再或者是5G终端，均属于此层。另外，5G物联网网关实为传输层的另外一个关键构成，其主要功能即为转换协议，并进行传输，即能够把感知层当中的诸如Wi-Fi、LoRa、ZigBee、蓝牙等通信方式，以一种合理、妥当且高效的方式，向5G通信可以兼容的数据格式进行转换。（3）边缘计算层。此层的主要功能有两种，其一为接入设备，其二为处理数据。对于边缘计算终端而言，其大多选用的是嵌入式终端，通过进行合理化的边缘计算，能够分担核心网络的负担，且还能降低开销。另外，核心网络仅需对边缘计算后所得到的数据进行处理，便能促进网络性能的大幅提高。还需指出的是，在此层当中，还包含其他功能，如身份识别、安全认证等。（4）雾计算层。该层可以在公、私有云与物联网边缘计算层之间建立起紧密且无缝隙的连接，主要包含功能、接口定义及资源、权限管理等。（5）云计算层。该层主要由两部分组成，其一为私有云，其二是公有云，是全部数据的最终汇入点，大量数据被储存在云数据中心，且由其进行计算，以此为上层应用提供更优质化服务。（6）应用层乃是整个架构中的最高层，架构当中的全部层次均为此层而服务，通过开展高质量且全面性的大数据处理，为各种应用提供支持，比如车联网、人工智能及决策支持等[6]。

3.2 架构数据的具体处理流程

图2为数据的基本处理流程。需指出的是，对于终端数据而言，其主要由各种类型的传感器所产生，因物联网的感知层存在较多的通信方式，故在各种协议的驱使下，数据通常会被分装成多个数据帧。对于这些数据帧来讲，会不断流向一些终端，比如eMTC终端、物联网网关、5G终端或NB-IOT终端等，并且经5G信道，最终达到传输数据的目的。于网络边缘处，借助边缘计算设备，对数据开展有目的性、针对性的边缘化处理，然后再经雾计算，把经过边缘计算处理之后的数据连接于云端。需强调的是，数据最终会被大数据所处理（云端大数据中心），然后为各种应用层提供可靠支持[7]。

图2 数据处理的基本流程

4 NB-IOT的具体部署场景

针对NB-IOT而言，其对多种部署场景均能提供支持，比如Guard-band Mode、Stand-alone Mode以及In-band Mode等，其中，对于In-band Mode来分析，能够对LTE载波当中的所有资源块进行利用；针对Guard-band Mode来讲，则能够对LTE系统当中的边缘无用频带进行利用；而对于Stand-alone Mode来考量，主要对那些单独频带（与GSM频段重耕相适用）进行利用[8]。

4.1 NB-IOT的上、下行信道

（1）下行基带信号。NB-IOT的下行基带信号以正交频分多址（OFDMA）为基础，基带的采样速率是1.92MHz，而与之相对应的子载波间距是15kHz。还需强调的是，NB-IOT下行信号主要囊括三部分，分别是NRS、NSSS与NPSS，其中，对于NPSS来讲，其在各系统帧相对应的第5个子帧上进行传输；针对NRS而言，通常情况下，会在1～2个天线端口上进行传输；对于NSSS来考量，其则在第9个子帧上予以传输。（2）上行基带信号。对于NB-IOT上行链路而言，其能够为Multi-Tone与Single-Tone提供可靠支持，其中，Single-Tone主要囊括15、3.75kHz，且插入到相应的循环前缀上。需指出的是，在描述物理层时，通过开展脉冲整形操作，不仅能有效降低功耗，而且还能促进覆盖范围的扩充。在Multi-Tone模式当中，所选择的是SC-FDMA方式，其峰值速率更高，子载波间隔可达到15kHz，且1ms子帧与0.5ms时隙当作LTE[9]。

4.2 NB-IOT的具体测试

选用NB-IOT模块（以BC95为基础），围绕NB-IOT信号，开展全面分析，且实施NB-IOT上行测试。借助数字频谱分析仪对NB-IOT信号进行解调，并测试信号。表2为具体的测试参数。

表2 NB-IOT 频谱的具体测试参数

以NB-IOT为对象，采用ASE频谱分析仪对其实施解调测试，测试结果得知，EVM QPSK的均值是0.08%，而EVM phys Signal、EVM phys Channel的均值分别是0.07%、0.08%。需说明的是，NB-IOT在设计时，秉持精简网络协议、重复传输、超窄带的原则，通过对一定速率、移动性性能、时延进行牺牲，以此来获得能够较好面向LWPA物联网的承载能力。需指出的是，NB-IOT的带宽是200kHz，可为2G网络的升级、腾频提供可靠支持，与此同时，在子载波上，选用的是3.75kHz，故能够做到独立部署，还能与LTE共同部署（共载波）；此外，NB-IOT可以较好地满足大连接方面的要求，今后还能进行升级，从而更好地为5G而服务，成为其重要组成部分[10]。

5 结语

综上，伴随物联网技术的持续推新与完善，在社会各层面中，涌现出许多新的通信需求，而在这些需求的驱动与作用下，诞生了许多新的通信技术，最具代表性的有LoRa、Wi-Fi、ZigBee以及蓝牙等。本文基于蜂窝网络与5G技术，对物联网的架构进行了分析，并与一些先进技术相结合（如雾计算、边缘计算等），对面向5G网络的蜂窝物联网架构当中的各子层进行了深入探讨；重点对NB-IOT的上下行信道展开了深入剖析，而且还对其实施解调测试，以此为面向5G的物联网应用提供支撑与依据。