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物聯(lián)網(wǎng)技術趨勢詳解:多模LTE或將是一條康莊大道

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來源:CNET科技資訊網(wǎng)
日期:2017-07-17 08:50:06
摘要:物聯(lián)網(wǎng)最主流的連接技術即蜂窩技術(4G或LTE IoT),其中包括eMTC和NB-IoT,兩者相輔相成,有一定的重疊和交錯,也有不同的用戶,但是兩種技術在很大程度上完善整個產(chǎn)業(yè)鏈和各種應用服務是可預見的。

  就在今年亞洲電子消費展(CES Asia)期間,中國移動正式推出NB-IoT/eMTC/GSM三模通信模組A9500;時間跳回到5月底,中移動與高通、摩拜單車啟動中國首個eMTC/NB-IoT/GSM(LTE Cat M1/NB1和E-GPRS)多模外場測試——兩件事情的共同點,都是采用高通MDM9206 LTE IoT調制解調器。于是大家看到,一邊Verizon和AT&T在美國商用eMTC,一邊國內運營商部署多模通信組的一只靴子已經(jīng)落地,我們開始好奇,多模物聯(lián)網(wǎng)是什么?物聯(lián)網(wǎng)的連接趨勢是什么?企業(yè)如何部署?CNET一文詳解物聯(lián)網(wǎng)的連接技術。

  引用高通產(chǎn)品市場高級總監(jiān)沈磊的結論:“物聯(lián)網(wǎng)最主流的連接技術即蜂窩技術(4G或LTE IoT),其中包括eMTC和NB-IoT,兩者相輔相成,有一定的重疊和交錯,也有不同的用戶,但是兩種技術在很大程度上完善整個產(chǎn)業(yè)鏈和各種應用服務是可預見的。”

  連接和計算,物聯(lián)網(wǎng)的催化物

  從概念說起,物聯(lián)網(wǎng)的定義極其寬泛。簡單說,從智慧城市,例如照明、停車以及交通,都可以被連接并有效地管理起來;到移動健康,包括病人的診斷、病人情況的跟蹤、各種環(huán)境監(jiān)控;到智能家居,譬如水表、電表、煤氣表等自動抄表;到樓宇的安全及智能化、工業(yè)自動化的控制;到零售商業(yè)及資產(chǎn)追蹤;再到個人財產(chǎn)的安全監(jiān)控、小朋友的足跡追蹤…物聯(lián)網(wǎng)好比一個智能榔頭,每個行業(yè)都要被敲打敲打。

  如此多樣復雜的場景,無法只通過一個技術、一個網(wǎng)絡、一個系統(tǒng)觸發(fā)所有服務,其技術之靈活,要根據(jù)實際情況所需的通信能力和計算能力決定。

  也正因此,催生物聯(lián)網(wǎng)未來的主要技術,分為兩塊:一個是連接,一個是計算。

  前者就是連接各個物體,它們互相“通話”,有短距、中距和廣域的連接技術。后者包括CPU、GPU、多媒體、圖像、傳感器、定位等這些在手機里的計算技術,將被轉移應用到物聯(lián)網(wǎng)。

  細說連接。1、短距的連接,可以使用藍牙、NFC、ZigBee這種一兩米范圍的連接技術。如果是局域網(wǎng),在家庭、辦公室、機場、咖啡廳,也可以使用有增強型的藍牙,或者ZigBee、Wi-Fi。當然Wi-Fi也有各個等級、數(shù)據(jù)率、覆蓋范圍,可以使用802.11ac、802.11a/b/g/n、802.11ax、1x1、2x2,最高級可以使用802.11ad。2、如果是再大一點的范圍,如廣域網(wǎng)的連接,例如智慧城市的應用,毫無疑問就需要蜂窩網(wǎng)絡技術,就是2G、3G、4G、未來的5G技術,它是廣域覆蓋、全球范圍內最成熟、部署最廣泛的技術。

  蜂窩技術,物聯(lián)網(wǎng)連接的主流方向

  連接技術何其多,物聯(lián)網(wǎng)在蜂窩和非蜂窩的通訊技術之間怎么選擇?高通認為,蜂窩通訊技術是未來物聯(lián)網(wǎng)的主流連接。

  為什么手機中的技術可以應用到物聯(lián)網(wǎng)?

  原因之一,蜂窩通訊技術經(jīng)歷30多年發(fā)展,具備覆蓋廣的先決條件,不需要重新部署,最直白的例證就是,無論走到任何一個地方,手機基本都有信號。GSMA數(shù)據(jù)顯示,截至2016年4月,在全球160多個國家中,超過500家運營商部署了LTE,超過400個廠家發(fā)布了超過5000款支持LTE的各種產(chǎn)品——借助過去數(shù)年智能手機的發(fā)展脈絡,LTE已經(jīng)成為最容易獲得且性能最容易保證的無線通信主流技術。

  原因之二,運營商花費了很大精力部署蜂窩通訊技術,在連接性、安全、質量方面都有充分保證,確保了它是始終在線、安全可靠的一個基礎設施。

  一個手機,里面的通信系統(tǒng)盡管五花八門——有4G、GPS、FM、Wi-Fi、藍牙等,這些都是射頻系統(tǒng),要收發(fā)數(shù)據(jù)、處理各種信號,還要全部塞在一個極其輕薄、小面積的金屬殼子里,且殼子里的電池、相機等機械構件還都在搶占資源。能在這么一個嚴苛的設計環(huán)境里,既兼顧技術的進步,又兼顧多個系統(tǒng)的兼容、功耗、成本和散熱等其他指標,說明經(jīng)過了一個長期融合的過程,自然適合低成本模塊的物聯(lián)網(wǎng)。

  原因之三,蜂窩通訊行業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的從業(yè)者非常多,在網(wǎng)絡側有全球主流的基礎設施廠商們,終端側有手機廠商們,芯片側有高通等從業(yè)者,大家從標準的制定到技術的發(fā)展和驗證,到產(chǎn)品的研發(fā)和上市,以及整個網(wǎng)絡、整個手機的優(yōu)化和完善,已經(jīng)形成了一條成熟的產(chǎn)業(yè)鏈。

  當然,僅僅把現(xiàn)有的LTE技術平移到物聯(lián)網(wǎng)終端是行不通的,為了支持更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)終端連接,低功耗和較低數(shù)據(jù)傳輸速率也是一個需求,如何解決?

  物聯(lián)網(wǎng)如何連接?eMTC/NB-IoT/EC-GSM共進退

  LTE七八年以前在全球標準化組織3GPP Release 8中最早被定義下來之后,就從來沒有停止過演進。它發(fā)展大概有兩個方向:一個是不斷追求更高的用戶體驗,另外一個就是追求整個網(wǎng)絡和終端的簡化,面向海量部署、低成本、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)技術。

  所以,目前3GPP制定了三種關于物聯(lián)網(wǎng)的標準連接技術,一種是eMTC(Cat-M1),是機器之間通訊的標準;第二種叫NB-IoT(Cat-NB1,窄帶物聯(lián)網(wǎng)) ;第三種是EC-GSM。行業(yè)標準制定之后,基站、芯片、應用服務等等往后都會跟進應用。

  前兩種技術的主要任務是降低系統(tǒng)復雜度、降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)的續(xù)航時間,去掉不必要的能力,比如高數(shù)據(jù)率、高移動性、超強傳輸能力,而是根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的要求量身定制,達到提升電池壽命、降低成本、提升小區(qū)內部署總量的要求,實現(xiàn)其他的益處。EC-GSM是基于GSM(2G)技術,主要針對一些還保留原來2G網(wǎng)絡的運營商,EC-GSM會在傳統(tǒng)GSM基礎上繼續(xù)演進,加入增強的特性,比如更深的覆蓋。在很長的一段時間里面,這三者都會共同發(fā)展共同存在。

  而Cat是指LTE的類別,根據(jù)LTE的速率,給出了不同的等級劃分:比如手機的入門級是LTE Cat.4,達到上行50Mbps、下行150Mbps的速率,那么LTE Cat.6的下行速度就是300Mbps,到了LTE Cat.12,下行速率達到600Mbps。

  高通目前的旗艦移動平臺——驍龍835所集成的就是支持LTE Cat.16的驍龍X16千兆級LTE調制解調器,下行可以做到高達1Gbps。另外,支持LTE Cat.18的驍龍X20 LTE調制解調器也已推出,下行速率達到1.2Gbps。

  如何部署?一切從簡

  那eMTC與NB-IoT技術如何實現(xiàn)4G調制解調器的海量部署、規(guī)模經(jīng)濟和超長生命周期?主要方法是降低復雜度。

  首先,eMTC與NB-IoT要放棄掉原來LTE對數(shù)據(jù)速率的追求,因為絕大部分物聯(lián)網(wǎng)用不著。

  如上文所提,高通在手機上能實現(xiàn)千兆級下行速率,它的應用場景能滿足沉浸式VR體驗、聯(lián)網(wǎng)云服務、或者文件和媒體的超高速下載,但在物聯(lián)網(wǎng)的應用場景卻很少,這說明,物聯(lián)網(wǎng)并不需要超高速率,絕大部分應用在1Mbps或者幾百kbps、幾十kbps足以。比如,eMTC上行下行都是1Mbps;NB-IoT上行和下行分別是60kbps和20kbps,主要針對一些計量和環(huán)境傳感器等簡單應用,往往是一兩個星期甚至更長時間才需要給網(wǎng)絡發(fā)送極少數(shù)據(jù)。

  另外一個復雜度的降低來自于帶寬。

  眾所周知,一個LTE載波是20MHz,兩載波聚合就是兩個20MHz,三載波聚合就是3x20MHz。而物聯(lián)網(wǎng)帶寬有了明顯的下降:eMTC只需1.4MHz,NB-IoT需要200KHz,一方面所需帶寬窄了,另一方面部署起來也比較容易。eMTC可以直接部署在已有的LTE頻段里,比如在一個LTE載波的20MHz里,選定一個位置把Cat-M1放進去,然后在真正的工作狀態(tài)下它還可以跳頻,但標準保證了這不會干擾到現(xiàn)有的手機系統(tǒng)。

  NB-IoT部署更加靈活,它既可以部署在20MHz頻段里,也可以部署在載波間的保護頻段里(每個20MHz的LTE載波中間都留著一個保護頻段,為避免互相干擾大家都不使用)。

  第三是雙工模式。原來LTE都是全雙工,上行下行同時收發(fā);到了eMTC和NB-IoT,都是可以支持半雙工,先下行或先上行,不會并行收發(fā)。在部署的模式上,eMTC在FDD或者TDD都可以部署,NB-IoT到現(xiàn)在為止只能部署FDD(至少自3GPP在去年6月份推出Release 13后至今都是這樣的情況),如果只有TDD頻段,就只能部署eMTC。目前情況如此,往后隨著標準和規(guī)范的演進可能還會有變化。

  第四個降低系統(tǒng)復雜度的關鍵因素就是移動性。兩種技術的移動性比LTE要低,eMTC保留了相當一部分移動性,NB-IoT則是完全沒有移動性。移動性的意思就是“傳輸數(shù)據(jù)的時候能否移動”,如果沒有移動性,那上傳數(shù)據(jù)只能站在固定的點才可以工作,因為一走動就會經(jīng)歷跨基站切換,一跨基站信號就斷了,數(shù)據(jù)就要重新傳;如果有移動性,即使在小區(qū)行走的過程中跨基站了,也有一套機制保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不會被切斷。

  第五個因素是語音。為了降低成本和復雜程度,NB-IoT完全沒有任何語音,而eMTC還保留了VoLTE(LTE語音)。VoLTE應用在物聯(lián)網(wǎng)的重要性主要體現(xiàn)在安防監(jiān)控領域。

  還有一點就是部署的密度。在LTE物聯(lián)網(wǎng)的應用中,小區(qū)基本都是海量部署,如果大家都在很快下載數(shù)據(jù)的話,容量就下來了。

  與傳統(tǒng)LTE相比,eMTC、NB-IoT的穿透性明顯要求更苛刻。原因很簡單,比如停車位的智能模塊,既要傳數(shù)據(jù)還要有傳感器,而這個設計可能需要放在地下停車位的水泥地以下,所需要的穿墻的能力和手機相比也有明顯提高。類似的設計還有水表,或者嘈雜環(huán)境,所以,eMTC、NB-IoT在穿透性上都有提升。

  此外,和LTE相比,eMTC、NB-IoT另外的增強點就是電池續(xù)航時間更長,預計五到十年以上。

  最后的關鍵是,有沒有軟件升級能力。NB-IoT下行只有20kbps,相當于20年前撥號上網(wǎng)的速度,基本沒有軟件升級能力;而eMTC的速率是兆級(1Mbps),可以用幾分鐘或者半個小時的時間升級固件,在升級維護上有明顯的優(yōu)勢。

  目前,全球的主流運營商已經(jīng)確認會部署eMTC,覆蓋北美、歐洲、日本、澳大利亞。中國的運營商已開始測試eMTC和NB-IoT。

  eMTC與NB-IoT難分伯仲?不用選!

  綜上所述不難看出:

  1、eMTC強調的是移動性、較高數(shù)據(jù)速率、支持語音,對LTE的能力保留相對較多,適合應用在一些類似樓宇安防、穿戴設備等領域,但其在網(wǎng)絡覆蓋和功耗上遜于NB-IoT;

  2、和NB-IoT相比,eMTC的網(wǎng)絡反應速度更快,而NB-IoT對實時性沒有要求,原因是后者穿透性好,即便在地下三層的車庫也能把數(shù)據(jù)傳回去,過程中它會自動反復發(fā)送,只要有一次發(fā)送成功就可以,當然無法保證送達時間;

  3、NB-IoT在網(wǎng)絡覆蓋、功耗、部署靈活性以及成本優(yōu)化方面相較eMTC表現(xiàn)更好。

  兩種模式難分伯仲,企業(yè)如何選擇?“不用選,最好的辦法是把兩種模式都放在一起,選擇多模。”

  企業(yè)在選擇應用服務或者網(wǎng)絡部署時,只能根據(jù)相關技術優(yōu)勢進行選擇,需要精準預測未來3年、5年或15年之后所部署的服務和采用的技術,這是個考驗。但企業(yè)無法避免運營商將相關網(wǎng)絡、頻段和模式重新調整的可能。試想一下,如果那些在墻里、在地底下已被部署好的模塊能夠自適應調整,就省去了重新部署的麻煩。

  這就是雙模模塊的原理,如果將eMTC與NB-IoT集成于一個模塊中,可以同時兼得兩個技術優(yōu)勢,無論未來相關條件發(fā)生什么變化,模塊總能夠滿足各類需求和調整,并可以通過升級軟件應對相關調整。

  而在雙模的基礎上還有全球雙模技術,意味著這兩個模式也能夠部署在4G LTE的頻段上。目前世界各國在規(guī)劃部署15-16個eMTC與NB-IoT的頻段,而絕大部分是中頻和低頻,這是因為考慮到高頻的穿透性欠佳,而低頻的部署在一直放大。

  如果有一個模塊同時擁有這兩種技術并支持所有頻段,那么該模塊可以在全球任何應用場景部署。

  而高通正在致力于促成全球多模、多頻的模塊設計。

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  針對物聯(lián)網(wǎng)傳輸要求,高通已經(jīng)推出相應的新品系列。最為值得關注的就是專為eMTC和NB-IoT定制的多模多頻芯片MDM 9206,將于今年完成對所有模式(Cat-M1/NB1/E-GPRS)的支持、頻段的支持,達到商業(yè)交付水平。

  考慮到模塊一定要和傳感器結合在一起,而傳感器要放在一個系統(tǒng)控制器上,從而處理讀取的各種數(shù)據(jù),并將處理過后的再通過調制解調器發(fā)到云端,再通過云端發(fā)給用戶各類應用等一系列步驟,高通的做法是,在MDM9206中集成了Cortex A7處理器,無需再外掛處理器。此外,該模塊還支持Linux系統(tǒng)和Thread系統(tǒng)。

  MDM9206集成了GPS、格納洛斯、北斗以及伽利略全球導航衛(wèi)星(GNSS)定位服務,不需要通過任何附加的芯片或者接收器,而是直接嵌入到該芯片中,與高通的4G功能充分整合。MDM9206還支持語音功能,這兩種技術里面都具備省電模式和eDRX,這些技術均來自LTE演進,并進行了調整。

  如開篇所提,MDM9206已應用在摩拜單車的智能車鎖上。通過MDM9206 的LTE連接及全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)定位功能,摩拜單車用戶能夠更加精準地識別可用單車、加快智能鎖開鎖速度,并對單車狀態(tài)持續(xù)監(jiān)測、實時管理。

  同時,高通的低功耗藍牙解決方案還計劃被應用在摩拜單車的“智能推薦停車點”(sMPL)中,可實現(xiàn)亞米級定位,幫助摩拜單車實時掌握各區(qū)域內單車數(shù)量、位置及不同區(qū)域間的流量信息,為單車投放、調度和運維提供智能指引。

  關鍵之處在于,高通還有一系列基于該芯片的認證工作:2016年11月,高通聯(lián)合中國移動和愛立信,啟動國內首個Cat-M1測試;2016年12月,高通與中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司簽署諒解備忘錄,在未來模塊的設計、商業(yè)模式的開發(fā)、產(chǎn)業(yè)鏈的培育,還有更長遠的如5G、車聯(lián)網(wǎng)、云計算等等進行合作;2016年12月,高通聯(lián)合中國聯(lián)通和愛立信,完成基于Cat-M1標準的現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸;2017年3月,高通與華為合作,首次打通TDD Cat-M1標準空口First Call。

  借由這樣可靠的多模解決方案,高通能幫客戶抵消掉未來市場和行業(yè)的不確定性,客戶無需再等三年進行投入,也不需要現(xiàn)在貿(mào)然做重大的賭注并承擔賭錯的風險??蛻羯踔量梢袁F(xiàn)在進入市場,將精力放在應用服務上并開發(fā)業(yè)務。

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