4G和5G不配物聯(lián)網(wǎng) 都在死撐

　　ZigBee/6LoWPAN或IEEE802.11ah等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，僅適于短距離物聯(lián)網(wǎng)覆蓋，且無(wú)法保證可靠的網(wǎng)絡(luò )協(xié)調控制。衛星通信的成本讓人望而卻步，能耗高，且無(wú)法抵達室內。

　　時(shí)代在召喚，蜂窩網(wǎng)絡(luò )瀟灑走過(guò)來(lái)

　　物聯(lián)網(wǎng)嬌軀一震，勾搭上了已覆蓋全球的2/3/4G網(wǎng)絡(luò )，跟他在一起可以至少少奮斗十年。

　　2/3/4G網(wǎng)絡(luò )就像富一代，成熟穩重，溫柔多金，還特有安全感。它網(wǎng)絡(luò )覆蓋廣，分布密集，有可靠的網(wǎng)絡(luò )協(xié)調控制，不僅能保證物聯(lián)網(wǎng)的安全性和有效性，且易于規劃、管理和監控。物聯(lián)網(wǎng)可直接接入現成的基站里，拎包入住，圓你一個(gè)別墅夢(mèng)。

　　為了配合物聯(lián)網(wǎng)之?huà)绍|亂顛，2/3/4G網(wǎng)絡(luò )開(kāi)始內外兼修，重振雄風(fēng)。它增強覆蓋，降低功耗，減少設備復雜性，降低時(shí)延，最小化每Bit成本。

　　畢竟隔了幾代，力不從心的時(shí)候也是有的。

　　GSM容量有限，無(wú)法滿(mǎn)足大量設備同時(shí)接入。富一代很拼，它減小信令開(kāi)銷(xiāo)，控制過(guò)載，收緊資源粒度，擴大覆蓋范圍，但是，這終究只是權宜之計，如補充雄性荷爾蒙，不是面向未來(lái)的根本之路，日子還長(cháng)呢。GSM的功耗和接入時(shí)延讓物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)悟到了初夜的遺憾。

　　至于3G(UMTS)，工作頻段更高，覆蓋范圍小，室內覆蓋差，同時(shí)，UMTS模塊比GSM模塊貴的多。Pass!

　　希望在LTE上?

　　夢(mèng)寐易忘，初心難改。

　　LTE是為數據洪流而設計，一開(kāi)始并沒(méi)有考慮物聯(lián)網(wǎng)需求。

　　講真，每次聽(tīng)說(shuō)LTE要熊抱物聯(lián)網(wǎng)，我就覺(jué)得它在死撐。

　　LTE網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)是：設備少、流量大。少量的設備較之于海量的數據流量，信令流量幾乎可以忽略不計。

　　物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)是：設備多、流量小。海量的設備較之于零星的數據包，信令流量大爆發(fā)，引起網(wǎng)絡(luò )癱瘓也不是不可能的。

　　與物聯(lián)網(wǎng)在一起的LTE面對許多現實(shí)的挑戰，包括控制開(kāi)銷(xiāo)、能效、覆蓋增強、魯棒性、安全和可擴展性等。

　　最擔心的是，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和傳統語(yǔ)音、數據業(yè)務(wù)共存，當大規模物聯(lián)網(wǎng)設備接入時(shí)，如何避免對傳統業(yè)務(wù)的影響?

　　LTE的隨機接入過(guò)程(RACH)首先被擺上臺面。

　　當UE(手機)要和基站(eNodeB)建立數據連接時(shí)，為了和網(wǎng)絡(luò )建立同步，由UE觸發(fā)隨機接入過(guò)程。RACH由一系列時(shí)-頻資源組成，稱(chēng)為RA時(shí)隙。UE在RA時(shí)隙里使用前導序列向eNodeB發(fā)送接入請求。

　　LTE隨機接入過(guò)程有兩種類(lèi)型：非競爭的隨機接入和競爭的隨機接入。每個(gè)LTE小區有64個(gè)前導序列，分別用于非競爭和競爭的隨機接入。

　　非競爭的隨機接入由網(wǎng)絡(luò )控制，能避免沖突，減小接入時(shí)延，保障接入成功率，比如在切換場(chǎng)景中。這不影響物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。

　　影響物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的是基于競爭的隨機接入過(guò)程。

　　(1)前導序列傳輸(Message1)

　　(2)隨機接入響應(Message2)

　　(3)Message3發(fā)送(RRCConnectionRequest)

　　(4)沖突解決消息(Message4)在基于競爭的隨機接入過(guò)程中，會(huì )發(fā)生兩次沖突。

　　第一次沖突：

　　Message1：UE隨機發(fā)送前導序列，請求接入。由于前導序列正交，同一RA時(shí)隙允許多個(gè)UE使用不同的前導序列。在這種情況下，eNodeB可解碼請求。

　　如果兩個(gè)或兩個(gè)以上的UE使用相同的前導序列，沖突就會(huì )發(fā)生，導致eNodeB無(wú)法檢測到請求。

　　當然，即使是多臺UE使用相同的前導序列，因為接收信號強度不同，eNodeB也可能能檢測到請求。但是，這會(huì )導致eNodeB向多個(gè)UE發(fā)送相同的Message2(隨機接入響應)，從而將在Message3處引發(fā)第二次沖突。

　　第二次沖突：

　　如果不同的UE收到相同的Message2，那么它們會(huì )獲得相同的上行資源，同時(shí)發(fā)送Message3，此時(shí)，第二次沖突發(fā)生。

　　隨機接入過(guò)程成為L(cháng)TE熊抱物聯(lián)網(wǎng)的第一道挑戰，因為當大量物聯(lián)網(wǎng)設備同時(shí)嘗試接入基站時(shí)(比如發(fā)生地震時(shí)，某地區的所有地震監測器同時(shí)發(fā)出告警)，會(huì )出現信令尖峰，從而引起PRACH過(guò)載，接入競爭可能性增加，接入時(shí)延和接入失敗率上升。

　　盡管，為了減小PRACH負荷，我們可以在每一幀里增加接入調度，不過(guò)，這會(huì )減少數據傳輸資源，導致上行信道數據傳輸容量吃緊。

　　還有，LTE幀中分配RA時(shí)隙有限。同時(shí)，PRACH前導序列采用的Zadoff-Chu序列處理，受限于物聯(lián)網(wǎng)設備的計算能力。

　　總之，LTE難以應付大規模物聯(lián)網(wǎng)設備接入，其引發(fā)的接入時(shí)延和接入失敗問(wèn)題會(huì )影響傳統數據(和語(yǔ)音)業(yè)務(wù)，當然，這本身也會(huì )影響物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。

　　魚(yú)和熊掌不能兼得。

　　解決的辦法也是有的。

　　比如對人和物的接入請求進(jìn)行分離，主要包括3種：強制分離機制，軟分離機制和混合分離機制。強制分離將人和物的接入請求完美隔離。軟分離是指人和物共享資源池，但具有不同的接入可能性?；旌戏蛛x是前面兩者的混合。

　　比如FastAdaptiveSlottedAloha技術(shù)，利用連續空閑或沖突時(shí)隙來(lái)估算網(wǎng)絡(luò )中激活的物聯(lián)網(wǎng)設備數量(網(wǎng)絡(luò )狀態(tài))，并迅速更新物聯(lián)網(wǎng)設備的傳輸可能性，從而減小接入時(shí)延。

　　比如分簇機制，在某個(gè)小區內隨機分布著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)設備，將物聯(lián)網(wǎng)設備分成多個(gè)簇，每一個(gè)簇里選出一個(gè)協(xié)調(Coordinator)，這個(gè)協(xié)調器是簇中唯一和基站直接通信的設備，并作為簇內其它設備與基站通信的中繼節點(diǎn)。這不但限制了同時(shí)接入基站的設備數量，而且降低了整個(gè)系統的功耗。

　　但是，所有的辦法“僅供研究和測試”，LTE和物聯(lián)網(wǎng)要水乳相融走向商用，還有很多工作要做。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)應用場(chǎng)景包羅萬(wàn)象，它對網(wǎng)絡(luò )的靈活性要求更高，怎么設計，怎么優(yōu)化，如何才能不影響運營(yíng)商的傳統業(yè)務(wù)(畢竟那里有更高的ARPU)，都是擺在現實(shí)道路上難題。

　　那么，5Ghold得住物聯(lián)網(wǎng)嗎?

　　massiveMIMO，異構網(wǎng)絡(luò )，毫米波(mmWave)，SDN/NFV，通常被認為5G的幾大關(guān)鍵技術(shù)。這些關(guān)鍵技術(shù)能適應物聯(lián)網(wǎng)需求嗎?

　　MassiveMIMOMassive

　　MIMO通過(guò)在基站側部署多于小區終端數量的天線(xiàn)陣列，利用空間分集來(lái)提升頻譜效率，這一特點(diǎn)使基站可以同時(shí)接受多路傳輸，看起來(lái)非常適合于大規模的物聯(lián)網(wǎng)設備接入。問(wèn)題是，大規模的物聯(lián)網(wǎng)設備接入需要在基站側部署多少天線(xiàn)?技術(shù)上能突破嗎?

　　異構網(wǎng)絡(luò )

　　我們說(shuō)未來(lái)的網(wǎng)絡(luò )是異構網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )內部署很多smallcells來(lái)解決網(wǎng)絡(luò )容量需求。

　　然而，這是為了解決容量，提升網(wǎng)速。對于物聯(lián)網(wǎng)，關(guān)鍵不是網(wǎng)絡(luò )速率，而是覆蓋，是可靠的和無(wú)所不在的連接，這和smallcells解決熱點(diǎn)容量問(wèn)題是背道而馳的。

　　人和物的需求場(chǎng)景完全不同。比如，鄉村的高速公路，是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵覆蓋區域，但并不是數據流量密集區域。人與物在覆蓋上沒(méi)有一致性，這對于運營(yíng)商在投資上并無(wú)經(jīng)濟性可言。即使是在物聯(lián)網(wǎng)設備密集區域，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)帶來(lái)的ARPU值也遠遠低于傳統業(yè)務(wù)，如果考慮投資回報，運營(yíng)商絕不愿意為了物聯(lián)網(wǎng)部署smallcells。

　　毫米波(mmWave)

　　毫米波以其寬廣的頻譜資源向5G展示了無(wú)法抗拒的魅力。毫米波的特點(diǎn)是：速率快、覆蓋距離短和功耗大。這三個(gè)特點(diǎn)和物聯(lián)網(wǎng)需求完全相反，物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)是：速率低、覆蓋距離

　　毫米波以其寬廣的頻譜資源向5G展示了無(wú)法抗拒的魅力。毫米波的特點(diǎn)是：速率快、覆蓋距離短和功耗大。這三個(gè)特點(diǎn)和物聯(lián)網(wǎng)需求完全相反，物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)是：速率低、覆蓋距離遠和功耗足夠低。

　　SDN/NFV

　　軟件定義網(wǎng)絡(luò )(SDN)和網(wǎng)絡(luò )功能虛擬化(NFV)將物理網(wǎng)絡(luò )變得更抽象，利于網(wǎng)絡(luò )資源靈活管理和支持不同類(lèi)型的業(yè)務(wù),SDN/NFV根據不同的業(yè)務(wù)提供不同的數據流，且能動(dòng)態(tài)調度已被虛擬化的網(wǎng)元功能，這對物聯(lián)網(wǎng)是極好的。

　　一方面，SDN可以將人與物業(yè)務(wù)分離，同時(shí)保障分離的邏輯網(wǎng)絡(luò )的QoS，能有效利用網(wǎng)絡(luò )資源，減輕大規模物聯(lián)網(wǎng)設備接入帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò )問(wèn)題。

　　另一方面，利用NFV可以根據流量需求對網(wǎng)絡(luò )結構進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。比如，NFV可以隨時(shí)根據流量需求，對某區域的網(wǎng)元進(jìn)行功能“變形”，它可以是一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)數據收集中心，也可以是用于擴展覆蓋的中繼，或者變回基站，以應對臨時(shí)的接入請求高峰。

　　事實(shí)上，SDN/NFV讓我們看到了未來(lái)“無(wú)限容量”網(wǎng)絡(luò )的可能。

　　但是，SDN/NFV將帶來(lái)網(wǎng)絡(luò )結構顛覆性的改變，甚至是對整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的顛覆。設備商去推動(dòng)虛擬化猶如自斷手臂，左右手互搏。即使運營(yíng)商，決心有多大也是個(gè)未知數。