4G、5G和物联网

主页（http://www.pttcn.net）：4G、5G和物联网

物联网是决定未来经济的关键技术。无所不在的万物互联终将成为现实。

然而，无所不在的物联网覆盖，没那么容易。

ZigBee/6LoWPAN或IEEE802.11ah等物联网技术，仅适于短距离物联网覆盖，且无法保证可靠的网络协调控制。卫星通信的成本让人望而却步，能耗高，且无法抵达室内。

时代在召唤，蜂窝网络潇洒走过来。

物联网娇躯一震，勾搭上了已覆盖全球的2/3/4G网络，跟他在一起可以至少少奋斗十年。

2/3/4G网络就像富一代，成熟稳重，温柔多金，还特有安全感。它网络覆盖广，分布密集，有可靠的网络协调控制，不仅能保证物联网的安全性和有效性，且易于规划、管理和监控。物联网可直接接入现成的基站里，拎包入住，圆你一个别墅梦。

为了配合物联网之娇躯乱颠，2/3/4G网络开始内外兼修，重振雄风。它增强覆盖，降低功耗，减少设备复杂性，降低时延，最小化每Bit成本。

毕竟隔了几代，力不从心的时候也是有的。

GSM容量有限，无法满足大量设备同时接入。富一代很拼，它减小信令开销，控制过载，收紧资源粒度，扩大覆盖范围，但是，这终究只是权宜之计，如补充雄性荷尔蒙，不是面向未来的根本之路，日子还长呢。GSM的功耗和接入时延让物联网领悟到了初夜的遗憾。

至于3G（UMTS），工作频段更高，覆盖范围小，室内覆盖差，同时，UMTS模块比GSM模块贵的多。Pass！

希望在LTE上？

梦寐易忘，初心难改。

LTE是为数据洪流而设计，一开始并没有考虑物联网需求。

讲真，每次听说LTE要熊抱物联网，我就觉得它在死撑。

LTE网络的特点是：设备少、流量大。少量的设备较之于海量的数据流量，信令流量几乎可以忽略不计。

物联网的特点是：设备多、流量小。海量的设备较之于零星的数据包，信令流量大爆发，引起网络瘫痪也不是不可能的。

与物联网在一起的LTE面对许多现实的挑战，包括控制开销、能效、覆盖增强、鲁棒性、安全和可扩展性等。

最担心的是，物联网业务和传统语音、数据业务共存，当大规模物联网设备接入时，如何避免对传统业务的影响？

LTE的随机接入过程（RACH）首先被摆上台面。

当UE（手机）要和基站（eNodeB）建立数据连接时，为了和网络建立同步，由UE触发随机接入过程。RACH由一系列时-频资源组成，称为RA时隙。UE在RA时隙里使用前导序列向eNodeB发送接入请求。

LTE随机接入过程有两种类型：非竞争的随机接入和竞争的随机接入。每个LTE小区有64个前导序列，分别用于非竞争和竞争的随机接入。

非竞争的随机接入由网络控制，能避免冲突，减小接入时延，保障接入成功率，比如在切换场景中。这不影响物联网业务。

影响物联网业务的是基于竞争的随机接入过程。

(1)前导序列传输（Message1）

(2)随机接入响应(Message2)

(3)Message3发送(RRCConnectionRequest)

(4)冲突解决消息(Message4)

在基于竞争的随机接入过程中，会发生两次冲突。

第一次冲突：

Message1：UE随机发送前导序列，请求接入。由于前导序列正交，同一RA时隙允许多个UE使用不同的前导序列。在这种情况下，eNodeB可解码请求。

如果两个或两个以上的UE使用相同的前导序列，冲突就会发生，导致eNodeB无法检测到请求。

当然，即使是多台UE使用相同的前导序列，因为接收信号强度不同，eNodeB也可能能检测到请求。但是，这会导致eNodeB向多个UE发送相同的Message2（随机接入响应），从而将在Message3处引发第二次冲突。

第二次冲突：

如果不同的UE收到相同的Message2，那么它们会获得相同的上行资源，同时发送Message3，此时，第二次冲突发生。

随机接入过程成为LTE熊抱物联网的第一道挑战，因为当大量物联网设备同时尝试接入基站时（比如发生地震时，某地区的所有地震监测器同时发出告警），会出现信令尖峰，从而引起PRACH过载，接入竞争可能性增加，接入时延和接入失败率上升。

尽管，为了减小PRACH负荷，我们可以在每一帧里增加接入调度，不过，这会减少数据传输资源，导致上行信道数据传输容量吃紧。

还有，LTE帧中分配RA时隙有限。同时，PRACH前导序列采用的Zadoff-Chu序列处理，受限于物联网设备的计算能力。

总之，LTE难以应付大规模物联网设备接入，其引发的接入时延和接入失败问题会影响传统数据（和语音）业务，当然，这本身也会影响物联网业务。

鱼和熊掌不能兼得。

解决的办法也是有的。

比如对人和物的接入请求进行分离，主要包括3种：强制分离机制，软分离机制和混合分离机制。强制分离将人和物的接入请求完美隔离。软分离是指人和物共享资源池，但具有不同的接入可能性。混合分离是前面两者的混合。

比如FastAdaptiveSlottedAloha技术，利用连续空闲或冲突时隙来估算网络中激活的物联网设备数量（网络状态），并迅速更新物联网设备的传输可能性，从而减小接入时延。

比如分簇机制，在某个小区内随机分布着物联网设备，将物联网设备分成多个簇，每一个簇里选出一个协调器（Coordinator），这个协调器是簇中唯一和基站直接通信的设备，并作为簇内其它设备与基站通信的中继节点。这不但限制了同时接入基站的设备数量，而且降低了整个系统的功耗。

…

解决办法也很多，不再举例了。

但是，所有的办法“仅供研究和测试”，LTE和物联网要水乳相融走向商用，还有很多工作要做。同时，物联网应用场景包罗万象，它对网络的灵活性要求更高，怎么设计，怎么优化，如何才能不影响运营商的传统业务（毕竟那里有更高的ARPU），都是摆在现实道路上难题。

那么，5Ghold得住物联网吗？

massiveMIMO，异构网络，毫米波(mmWave)，SDN/NFV，通常被认为5G的几大关键技术。这些关键技术能适应物联网需求吗？

MassiveMIMO

MassiveMIMO通过在基站侧部署多于小区终端数量的天线阵列，利用空间分集来提升频谱效率，这一特点使基站可以同时接受多路传输，看起来非常适合于大规模的物联网设备接入。问题是，大规模的物联网设备接入需要在基站侧部署多少天线？技术上能突破吗？

异构网络

我们说未来的网络是异构网络，网络内部署很多smallcells来解决网络容量需求。

然而，这是为了解决容量，提升网速。对于物联网，关键不是网络速率，而是覆盖，是可靠的和无所不在的连接，这和smallcells解决热点容量问题是背道而驰的。

人和物的需求场景完全不同。比如，乡村的高速公路，是物联网的关键覆盖区域，但并不是数据流量密集区域。人与物在覆盖上没有一致性，这对于运营商在投资上并无经济性可言。即使是在物联网设备密集区域，物联网业务带来的ARPU值也远远低于传统业务，如果考虑投资回报，运营商绝不愿意为了物联网部署smallcells。

毫米波(mmWave)

毫米波以其宽广的频谱资源向5G展示了无法抗拒的魅力。毫米波的特点是：速率快、覆盖距离短和功耗大。这三个特点和物联网需求完全相反，物联网的特点是：速率低、覆盖距离远和功耗足够低。

SDN/NFV

软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）将物理网络变得更抽象，利于网络资源灵活管理和支持不同类型的业务。SDN/NFV根据不同的业务提供不同的数据流，且能动态调度已被虚拟化的网元功能，这对物联网是极好的。

一方面，SDN可以将人与物业务分离，同时保障分离的逻辑网络的QoS，能有效利用网络资源，减轻大规模物联网设备接入带来的网络问题。

另一方面，利用NFV可以根据流量需求对网络结构进行动态管理。比如，NFV可以随时根据流量需求，对某区域的网元进行功能“变形”，它可以是一个物联网数据收集中心，也可以是用于扩展覆盖的中继，或者变回基站，以应对临时的接入请求高峰。

事实上，SDN/NFV让我们看到了未来“无限容量”网络的可能。

但是，SDN/NFV将带来网络结构颠覆性的改变，甚至是对整个产业链的颠覆。设备商去推动虚拟化犹如自断手臂，左右手互搏。即使运营商，决心有多大也是个未知数。

尽管如此，2/3/4G蜂窝网络风雨多年，一路走来，成熟稳重，霸气多金，它是物联网的天然选择，勾搭必备。重振雄风，吼吼！

就是这样，就喜欢看某些人不爽却又无能为力且不得不服的样子。在这个虐狗节里，品出了淡淡的忧伤。