5G時(shí)代的三個(gè)兄弟：LTE、LTE-U、NB-IOT

　　什么是LTE-U

　　LTE-U(unlicensed)非授權頻道，注意這可是大家最熟悉的WiFi殺手。WiFi的路由器，一般只有30~50米;一般路由器到了100米，就只有信號，不能通訊了。而LET-U可以達到300~500米(類(lèi)似3G時(shí)代曾經(jīng)推過(guò)的“城域網(wǎng)”)。ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫療)這三個(gè)領(lǐng)域可以隨便用，主要頻段包括從5K、13.56M一直到2.4G和5.8G等多個(gè)頻段。

　　為什么需要LTE-U

　　標準的LTE技術(shù)只能部署在授權頻譜，不能直接部署在非授權頻譜。隨著(zhù)LTE技術(shù)和應用的逐步成熟，授權頻譜中的數據流量越來(lái)越飽和，有必要考慮將流量從授權頻譜分流一部分到非授權頻譜。經(jīng)過(guò)運營(yíng)商、設備商和芯片廠(chǎng)商等的共同努力，目前可以將LTE流量分流到非授權頻譜的主流技術(shù)是：LTE-U、LAA(Licensed Assisted Access)、LWA和MulteFire。

　　圖 聚合授權頻譜和非授權頻譜的主流技術(shù)

　　2 LTE-U的優(yōu)勢

　　最先開(kāi)發(fā)出來(lái)的是LTE-U技術(shù)，LTE-U的全稱(chēng)是LTE in Unlicensed spectrum，即非授權頻譜上的LTE。該技術(shù)將LTE部署到非授權頻譜，并采用標準LTE空口協(xié)議完成通信。

　　采用LTE-U技術(shù)，就可以利用集中調度、干擾協(xié)調、HARQ重傳、CA載波聚合等技術(shù)，可以獲得更好的魯棒性和頻譜效率，提供更大的覆蓋范圍和更好的用戶(hù)體驗。LTE-U可以將授權頻段作為主載波，終端跟基站可以在授權頻段上建立無(wú)線(xiàn)資源控制連接，通過(guò)載波感知獲取當前空閑的非授權頻段資源，實(shí)現授權頻段和非授權頻段的載波聚合，從而有效提升系統的性能和吞吐量，解決室內數據流量的增長(cháng)需求和頻譜匱乏問(wèn)題。

　　LTE-U和LTE/LTE-A的差別只是工作在不同的頻段，可以使用現有的LTE部署，不需要對網(wǎng)絡(luò )結構進(jìn)行改動(dòng)，只需要對基站進(jìn)行升級，可以極大降低運營(yíng)商的投資成本。因為對于運營(yíng)商來(lái)說(shuō)，在未授權的頻譜上部署LTE，就可以在無(wú)需耗費數十億美元競購授權頻譜的情況下增加網(wǎng)絡(luò )容量。另外，容量的增加、更流暢的管理，為用戶(hù)提供的更好體驗，也可以為運營(yíng)商在增加服務(wù)收入和降低客戶(hù)流失率兩方面帶來(lái)經(jīng)濟利益。

　　3 LTE-U與WIFI的共存問(wèn)題

　　在公網(wǎng)中，LTE-U主要應用在2.4GHz和5GHz這兩種頻段，和現有的WIFI網(wǎng)絡(luò )工作在同一個(gè)頻段。

　　由于一些國家的監管部門(mén)要求LTE-U技術(shù)需要包括一項防止LTE過(guò)多干擾WIFI的LBT功能(Listen Before Talk)，而LTE-U本身并不需要強制實(shí)現LBT技術(shù)，因此最早在美國、中國等監管部門(mén)沒(méi)有強制要求LBT的國家發(fā)展起來(lái)。

　　圖 LAA支持的LBT技術(shù)

　　對于參與有關(guān)LTE討論的運營(yíng)商和廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，主要的挑戰就是證明LTE-U能夠與WIFI一起在未授權的頻段上共存。WIFI會(huì )在開(kāi)始傳輸前對信道活動(dòng)進(jìn)行判斷和感知，如果發(fā)現信道被占用后就會(huì )自動(dòng)退回，即ListenBefore Talk (LBT)，但LTE-U并不支持LBT。

　　LTE-U使用了一種被稱(chēng)為載波偵聽(tīng)自適應傳輸(Carrier Sensing Adaptive Transmission, CSAT)的算法，這是信道分時(shí)的一種形式。由于CSAT在傳輸之前不會(huì )對信道進(jìn)行偵聽(tīng)和感應，所以它可能會(huì )干擾WIFI的傳輸。

　　圖 LTE-U采用的CAST技術(shù)

　　4 LTE-U的發(fā)展

　　LTE-U方案在2013年正式提出，到了2014年，Verizon聯(lián)合阿爾卡特朗訊、愛(ài)立信、高通、三星成立了LTE-U論壇，基于3GPP的R12協(xié)議聯(lián)合開(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù)文檔。也就是說(shuō)，LTE-U技術(shù)并不是由3GPP組織開(kāi)發(fā)和演進(jìn)，這點(diǎn)不同于LAA，也是LTE-U的一大劣勢。

　　圖 LTE-U和LAA的區別

　　盡管像Verizon這樣的運營(yíng)商對LTE-U持看好態(tài)度，但是在使用未授權頻譜的WIFI技術(shù)提供商看來(lái)，能否與LTE-U協(xié)議共存，仍有大量的擔憂(yōu)和疑慮存在。WIFI技術(shù)是未授權頻譜一個(gè)相當大的使用者，WIFI提供商擔心LTE將不會(huì )采用WIFI使用的LBT(Listen Before Talk)協(xié)議來(lái)避免干擾。

　　2015年，愛(ài)立信和高通合作演示了LTE-U技術(shù)，雙方將一段20MHz授權頻段單元和一段在5GHz未授權頻段上的20M頻段單元載波聚合在一起，在空口上實(shí)現了300Mbps的下載峰值。

　　NBIoT是什么

　　NB-IoT，Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)，是一種專(zhuān)為萬(wàn)物互聯(lián)打造的蜂窩網(wǎng)絡(luò )連接技術(shù)。顧名思義，NB-IoT所占用的帶寬很窄，只需約180KHz，而且其使用License頻段，可采取帶內、保護帶或獨立載波三種部署方式，與現有網(wǎng)絡(luò )共存，并且能夠直接部署在GSM、UMTS或LTE網(wǎng)絡(luò )，即2/3/4G的網(wǎng)絡(luò )上，實(shí)現現有網(wǎng)絡(luò )的復用，降低部署成本，實(shí)現平滑升級。

　　移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )作為全球覆蓋范圍最大的網(wǎng)絡(luò )，其接入能力可謂得天獨厚，因此相較WiFi、藍牙、ZigBee等無(wú)線(xiàn)連接方式，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò )的NB-IoT連接技術(shù)的前景更加被看好，已經(jīng)逐漸作為開(kāi)啟萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的鑰匙，而被商用到物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中。

　　呼聲最高的NB-IoT，仍然屬于授權頻道。NB-IoT最大的特點(diǎn)，是傳輸距離達到驚人的10km，可以覆蓋一個(gè)小縣城。而且可以帶無(wú)數終端，一個(gè)基站可以帶20多萬(wàn)個(gè)終端。這意味著(zhù)，管理一個(gè)井蓋、停車(chē)收費，都變得輕松，而且便宜。即使是200萬(wàn)元建立一個(gè)基站，方圓10km都可以進(jìn)行管理。

　　當然，由于NB-IoT屬于授權頻道，仍然不太可能在企業(yè)里用。所以NB-IoT也只能是先接入核心網(wǎng)(運營(yíng)商)，再進(jìn)入企業(yè)。

　　5G才能解決工業(yè)以太網(wǎng)

　　相對一般以太網(wǎng)而言，工業(yè)數據傳遞的實(shí)時(shí)性要求很高。工業(yè)以太網(wǎng)有QoS(服務(wù)質(zhì)量協(xié)議)，因此在傳遞實(shí)時(shí)數據的時(shí)候，不容易丟包。這是因為QoS支持優(yōu)先級，能夠識別優(yōu)先發(fā)送級別，如自動(dòng)識別語(yǔ)音，還是郵件。語(yǔ)音的實(shí)時(shí)性要求很高，丟包會(huì )造成噪聲;而電視丟包，則會(huì )亂碼。這些都是不可接受的。實(shí)時(shí)視頻必須要有QoS，而圖像往往是帶寬消耗最大的內容傳輸。

　　4G為什么不能用在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)上，因為沒(méi)有QoS，除了語(yǔ)音有識別之外，可以說(shuō)它就是一個(gè)標準的IT網(wǎng)絡(luò )。而5G則可以支持優(yōu)先級，例如設備狀態(tài)最優(yōu)先，而將一般的數據傳遞優(yōu)先級放在最后。

　　所以值得期待的是，5G才是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎。當下40%的情況，基本上是有能力實(shí)施的(說(shuō)100%還是有點(diǎn)夸張)。4G最多只能到450M，而5G 的LTE可達達到450M~800M

　　更重要的是，選擇性大幅度增加。就技術(shù)流派而言，4G時(shí)代的技術(shù)主要是高通，盆滿(mǎn)缽滿(mǎn);而在5G時(shí)代，華為、思科、西門(mén)子等都有各自的技術(shù)。這次，工業(yè)可以有更多的選擇了。

　　技術(shù)不能爛在手里

　　LTE是運營(yíng)商標準，不可能被允許進(jìn)入企業(yè)，因此不可能去建立一個(gè)iPhone7的基站。但既然5G標準和大規模布置尚待時(shí)日，這些已經(jīng)有些眉目的技術(shù)，不可能空轉吧。于是技術(shù)開(kāi)始變形和演化，例如LTE就有了改進(jìn)版，華為就率先推出了所謂企業(yè)版LTE技術(shù)(eLTE)。

　　它有兩個(gè)頻段，一個(gè)頻段是800M(目前分配給聯(lián)通)，還有一個(gè)頻段900，是調頻的。這個(gè)波段，可以用來(lái)完成eLTE的載波頻點(diǎn)，也就是可以做企業(yè)端的應用了。

　　基于同樣的考量，eLTE-IoT正是NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)的一種變通方式。這樣就可以進(jìn)入工廠(chǎng)，成為智能制造的物聯(lián)網(wǎng)基石。重要的是，eLTE-IoT有著(zhù)更加低廉的成本，因此eLTE-IoT率先進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域。

　　eLTE-IoT自身突出的特征(功耗小、終端多、距離長(cháng))，因此成為工業(yè)園區的最佳5G先頭陣地之一。eLTE-IoT作為非授權頻道，20萬(wàn)帶寬，功率很小，不超過(guò)200mw功率。因此園區建立這種基站，也相互不影響

　　目前eLTE-IoT已經(jīng)開(kāi)始逐漸進(jìn)入工廠(chǎng)，成為物聯(lián)網(wǎng)數據最佳的傳遞手段。它將有效地替代RFID、設備聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，成為智能工廠(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)的新歡。

　　NB-IoT的技術(shù)發(fā)展史：

　　NB-IoT的特點(diǎn)

　　NB-IoT具有以下四大特點(diǎn)：

　　一、廣覆蓋。相比現有的GSM、寬帶LTE等網(wǎng)絡(luò )覆蓋增強了20dB，信號的傳輸覆蓋范圍更大(GSM基站目前理想狀況下能覆蓋35km)，能覆蓋到深層地下GSM網(wǎng)絡(luò )無(wú)法覆蓋到的地方。其原理主要依靠：1、縮小帶寬，提升功率譜密度;2、重復發(fā)送，獲得時(shí)間分集增益。

　　二、大連接。相比現有無(wú)線(xiàn)技術(shù)，同一基站下增多了50-100倍的接入數，每小區可以達到50K連接，真是實(shí)現萬(wàn)物互聯(lián)所必須的海量連接。其原理在于：1、基于時(shí)延不敏感的特點(diǎn)，采用話(huà)務(wù)模型，保存更多接入設備的上下文，在休眠態(tài)和激活態(tài)之間切換;2、窄帶物聯(lián)網(wǎng)的上行調度顆粒小，資源利用率更高;3、減少空口信令交互，提升頻譜密度。

　　三、低功耗。終端在99%的時(shí)間內均處在休眠態(tài)，并集成多種節電技術(shù)，待機時(shí)間可達10年。1、PSM低功耗模式，即在idle空閑態(tài)下增加PSM態(tài) ，相當于關(guān)機，由定時(shí)器控制呼醒，耗能更低;2、eDRX擴展的非連續接收省電模式，采用更長(cháng)的尋呼周期，eDRX是DRX耗電量的1/16。

　　四、低成本。硬件可剪裁，軟件按需簡(jiǎn)化，確保了NB-IoT的成本低廉，NB-IoT通信單模塊成本不足5美元。

　　NB-IoT因其適用的場(chǎng)景，還具有低速率和低移動(dòng)性的特點(diǎn)。1、低速率。多點(diǎn)上行速率僅為56kbps，理想下行速率為21.25kbps;2、低移動(dòng)性。僅支持終端設備在30km/h的移動(dòng)速率下實(shí)現小區切換，遠低于4G支持250km/h的速率(高鐵專(zhuān)網(wǎng)可達450km/h)。

　　NB-IoT解決方案總體架構

　　下圖展示了NB-IoT解決方案的總體架構：

　　NB-IoT發(fā)展現狀

　　下圖展示了NB-IoT生態(tài)圈的概況：

　　NB-IoT目前試商用以及商用舉例：

　　1、華為/中國聯(lián)通的NB-IoT智能停車(chē)解決方案：基于華為NB-IoT模塊推出的這套智能停車(chē)系統將能實(shí)現預定、轉租停車(chē)位等功能，低功耗和高穿透能力使得這個(gè)方案更具可靠性。目前該停車(chē)系統已經(jīng)在上海迪士尼試商用。

　　2、2017年7月13日，ofo小黃車(chē)與中國電信、華為共同宣布，三家聯(lián)合研發(fā)的NB-IoT“物聯(lián)網(wǎng)智能鎖”全面啟動(dòng)商用。

　　3、中興通訊/中國移動(dòng)的智能井蓋：該方案通過(guò)全方位監管井蓋狀態(tài)，在井蓋被打開(kāi)、移位等情況下，可實(shí)現及時(shí)警告。

　　NB-IoT芯片開(kāi)發(fā)方面：

　　1、華為作為國內最大的NB-IoT芯片原廠(chǎng)，推出了Boudica 120/Hi2110物聯(lián)網(wǎng)芯片，搭載Huawei LiteOS嵌入式物聯(lián)網(wǎng)操作系統.

　　2、美國高通公司推出了型號為MDM9206的物聯(lián)網(wǎng)芯片，支持Cat-M1和Cat-NB1標準的全球所有頻段，具備GSM/NB-IoT/eMTC多模支持，還支持GPS、格納洛斯、北斗、伽利略全球導航衛星定位。

　　3、中興微電子研發(fā)了RoseFinch 7100(又名“朱雀”)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)芯片，專(zhuān)為低功耗物聯(lián)網(wǎng)設計，在睡眠功耗、截止電壓和外圍借口數量等和物聯(lián)網(wǎng)應用關(guān)聯(lián)的核心指標上都在業(yè)界處于領(lǐng)先水平。

　　4、英特爾推出的XMM 7X15系列物聯(lián)網(wǎng)芯片。