物聯(lián)網(wǎng)的承諾：下一個(gè)重大應用

　　移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò )及相關(guān)技術(shù)的不斷演進(jìn)對滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的連接和帶寬需求來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。同樣重要的是引入相應的功能和機制來(lái)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )創(chuàng )收，以維持持續投資?？紤]當前已部署的業(yè)務(wù)，從營(yíng)收角度來(lái)說(shuō)基于 LTE 的移動(dòng)寬帶消費市場(chǎng)正在趨于成熟和飽和。行業(yè)將在 2020 年部署 5G 技術(shù)，因此必須開(kāi)發(fā)新的應用、用例和市場(chǎng)才能為此做好準備。物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 正在發(fā)展成為主要增長(cháng)點(diǎn)，適時(shí)地迎合了這一需求。IoT 目前正在成為現實(shí)，主要運營(yíng)商報告稱(chēng)他們的網(wǎng)絡(luò )中有數以百萬(wàn)計的連接設備。專(zhuān)有低功耗長(cháng)距離 （LPWA） 協(xié)議率先提供 IoT 連接，同時(shí) 3gpp 也與各種方案角逐，力求使 Release 13 成為 IoT 業(yè)界標準協(xié)議?？焖倥d起的 IoT 生態(tài)系統已經(jīng)有了相關(guān)解決方案以構建電池使用壽命超過(guò) 10 年的低成本 IoT 端節點(diǎn)。

　　預計未來(lái) 3 至 5 年里將大量部署 IoT 網(wǎng)絡(luò )和服務(wù)。為了從這些 IoT 網(wǎng)絡(luò )中創(chuàng )收，無(wú)論已有的還是新的運營(yíng)商都需要成功應對三個(gè)問(wèn)題。第一，運營(yíng)商要接受專(zhuān)有和標準 IoT 連接的存在，并準備混合 IoT 網(wǎng)絡(luò )。第二，專(zhuān)注于連接還不足以使 IoT 網(wǎng)絡(luò )實(shí)現營(yíng)收。需要通過(guò)全面的數據分析來(lái)處理從數以百萬(wàn)計的連接設備中收集到的數據，以推動(dòng)新的應用和用例開(kāi)發(fā)。IoT 網(wǎng)絡(luò )安全性與可靠性是對物聯(lián)網(wǎng)商業(yè)化和更廣泛普及起決定作用的第三個(gè)重要問(wèn)題。支持多種無(wú)線(xiàn)電協(xié)議、實(shí)現云與連接設備間的智能數據收集/傳播、確保采用最新安全鏈路的可編程高靈活度 IoT 網(wǎng)關(guān)或集線(xiàn)器是解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵。

　　IoT 需要低功耗長(cháng)距離通信、不對稱(chēng)異步低數據速率連接，以及超長(cháng)電池使用壽命（大于 10 年）的低成本端節點(diǎn)。IoT 連接和設備的屬性可能隨終端市場(chǎng)或應用的不同而變化。5G 行業(yè)論壇將 IoT 的應用領(lǐng)域劃分為兩個(gè)大類(lèi)：低能耗大規模機器通信和低時(shí)延關(guān)鍵任務(wù)機器類(lèi)型通信。機器到機器通信被視為是這兩個(gè)應用領(lǐng)域中不可或缺的組成部分。低能耗大規模機器通信的實(shí)例之一是包含連網(wǎng)傳感器和致動(dòng)器的網(wǎng)絡(luò )，這種網(wǎng)絡(luò )能夠為醫療、航運、農業(yè)、食品、水與能源管理、智能住宅與建筑等行業(yè)實(shí)現顯著(zhù)的生產(chǎn)力和效率提升。連網(wǎng)的可穿戴設備是這種應用案例的重要組成部分，旨在改善我們生活的方方面面。設備成本、電池使用壽命、部署簡(jiǎn)便性以及高效異步通信是低能耗大規模機器類(lèi)型通信的關(guān)鍵要求。每 IoT 節點(diǎn)的典型數據速率為 100Kbps。

　　低時(shí)延機器通信包括：工業(yè) IoT、汽車(chē)、智能電網(wǎng)、交通安全以及應急響應服務(wù)?？煽啃?、彈性和低時(shí)延是該領(lǐng)域的重要組成部分。典型數據速率為：100Kbps-1Mbps。工業(yè) IoT 將讓移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò )涵蓋多個(gè)垂直市場(chǎng)，為運營(yíng)商開(kāi)創(chuàng )新的高收益渠道。

　　如今存在多種用于 IoT 部署的專(zhuān)用低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，例如 LoRa、SigFox、Ingenu、Starfish 和 Weightless。這些技術(shù)使用公共頻段。汽車(chē)領(lǐng)域，專(zhuān)用短程通信 （DSRC）（美國）和協(xié)同智能傳輸系統 （ITS）（其他地方）成為新興汽車(chē)無(wú)線(xiàn)電連接（Vehicle to Everything （V2X））解決方案。這主要針對安全應用。DSRC 采用 75MHz 帶寬，5.9GHz 授權頻譜中的 7 個(gè) 10MHz 通道。LTE 提供很好的框架，可協(xié)調專(zhuān)用技術(shù)和零散的標準，以實(shí)現規模、易于部署和維護等優(yōu)點(diǎn)。LTE-M（針對機器到機器通信進(jìn)行的 LTE 擴展，是 3gpp RAN Release 12 的一部分）、窄帶 LTE （NB-LTE）（3gpp RAN Release 13 的一部分）以及擴展覆蓋范圍 GSM （EC-GSM）（GEREAN Release 13 的一部分）都屬于使用授權頻譜的標準化技術(shù)。

　　圖1：描述 IoT 網(wǎng)關(guān)在 IoT 網(wǎng)絡(luò )中作用的概念圖

　　如圖 1 所示，靈活可編程 IoT 網(wǎng)關(guān)或集線(xiàn)器分布在網(wǎng)絡(luò )中，可起到關(guān)鍵作用。為支持混合技術(shù)，IoT 網(wǎng)關(guān)需要支持多種無(wú)線(xiàn)電協(xié)議，這要取決于安裝地點(diǎn)或服務(wù)類(lèi)型。為協(xié)調已有專(zhuān)用技術(shù)和不斷發(fā)展的標準，需要實(shí)現系統靈活性和敏捷性，這正是構建生態(tài)系統的規模經(jīng)濟以加強產(chǎn)品營(yíng)收的關(guān)鍵所在。在這些網(wǎng)關(guān)中不僅有必要實(shí)現云與連接設備間的智能數據收集與傳播，而且要執行邊緣計算功能。在很多 IoT 應用案例中，數據可能與位置有關(guān)，而且只在短時(shí)間內有意義。很多情況受到應用時(shí)延的制約，必須使用分布式數據處理。邊緣計算和本地存儲可能是 IoT 網(wǎng)關(guān)滿(mǎn)足低時(shí)延要求的關(guān)鍵。網(wǎng)關(guān)中還需要相應的系統功能來(lái)保護到連接設備和云的鏈路。

　　除了解決關(guān)鍵系統問(wèn)題以外，IoT 網(wǎng)關(guān)還可作為測試平臺，針對 IoT 的最新應用方式和用例運行試驗項目。無(wú)需等待最佳解決方案或完整生態(tài)系統的形成，運營(yíng)商可使用測試平臺與供應鏈密切合作以定義系統要求。經(jīng)過(guò)明確定義的合理試驗案例研究以及相關(guān)業(yè)務(wù)結論有助于為最佳解決方案的形成和網(wǎng)絡(luò )演進(jìn)提供指導，從而將 IoT 的潛在營(yíng)收實(shí)現最大化。具備充足計算的 IoT 網(wǎng)關(guān)還可促進(jìn)建立開(kāi)源行業(yè)標準應用開(kāi)發(fā)框架和開(kāi)發(fā)社區。此外，對寬帶 LTE 無(wú)線(xiàn)電的支持能強化有些應用方式下——例如用智能手機控制智能住宅或車(chē)輛和乘客移動(dòng)寬帶連接——的綜合服務(wù)水平。

　　圖2：賽靈思 Zynq UltraScale+ MPSoC All Programmable 平臺作為集成 IoT 網(wǎng)關(guān)

　　全可編程 FPGA 和 SoC 提供很好的解決方案來(lái)滿(mǎn)足 IoT 網(wǎng)關(guān)和 IoT 測試平臺的嚴格要求，憑借固有的靈活性針對不斷演進(jìn)的標準進(jìn)行調整，執行邊緣計算，并保護鏈路，以根據需求例化不同的無(wú)線(xiàn)電資源。圖 2 展示了靈活可編程 IoT 網(wǎng)關(guān)的概念方框圖，利用賽靈思 16nm Zynq UltraScale+？ MPSoC 平臺構建。賽靈思 Zynq UltraScale+ 平臺具有運行頻率達 1.5GHz 的四核 ARM？ Cortex-A53，一個(gè)雙核 ARM Cortex-R5 實(shí)時(shí)處理單元，集成外設與連接內核，以及內置的高級保密性、安全性和可靠性功能。它具有豐富的可編程架構來(lái)容納多種無(wú)線(xiàn)電技術(shù)以及回程和本地存儲連接。賽靈思基帶、無(wú)線(xiàn)電、基礎 DSP 以及連接 IP 可與豐富的 ARM 軟件生態(tài)系統一起使用，以構建靈活、可擴展的 IoT 網(wǎng)關(guān)應用開(kāi)發(fā)框架。憑借固有靈活性和可編程性，FPGA 架構可方便地升級到無(wú)線(xiàn)電系統，且不受集成處理器上的應用協(xié)議棧制約。在此種平臺上實(shí)現標準化、促進(jìn)建立開(kāi)源行業(yè)標準應用開(kāi)發(fā)框架以及運行試驗案例研究都是啟動(dòng)新型 IoT 服務(wù)的開(kāi)發(fā)與部署工作的重要步驟。