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物联网技术趋势详解:多模LTE或将是一条康庄大道

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一边Verizon和AT&T在美国商用eMTC,一边国内运营商部署多模通信组的一只靴子已经落地,我们开始好奇,多模物联网是什么?物联网的连接趋势是什么?企业如何部署?CNET一文详解物联网的连接技术。

作者:周雅 来源:CNET科技资讯网 【原创】 2017年7月14日

关键字:NB-IoT eMTC 高通 LTE 物联网

CNET科技资讯网 7月14日 北京报道(文/周雅): 就在今年亚洲电子消费展(CES Asia)期间,中国移动正式推出NB-IoT/eMTC/GSM三模通信模组A9500;时间跳回到5月底,中移动与高通、摩拜单车启动中国首个eMTC/NB-IoT/GSM(LTE Cat M1/NB1和E-GPRS)多模外场测试——两件事情的共同点,都是采用高通MDM9206 LTE IoT调制解调器。于是大家看到,一边Verizon和AT&T在美国商用eMTC,一边国内运营商部署多模通信组的一只靴子已经落地,我们开始好奇,多模物联网是什么?物联网的连接趋势是什么?企业如何部署?CNET一文详解物联网的连接技术。

引用高通产品市场高级总监沈磊的结论:“物联网最主流的连接技术即蜂窝技术(4G或LTE IoT),其中包括eMTC和NB-IoT,两者相辅相成,有一定的重叠和交错,也有不同的用户,但是两种技术在很大程度上完善整个产业链和各种应用服务是可预见的。”

连接和计算,物联网的催化物

从概念说起,物联网的定义极其宽泛。简单说,从智慧城市,例如照明、停车以及交通,都可以被连接并有效地管理起来;到移动健康,包括病人的诊断、病人情况的跟踪、各种环境监控;到智能家居,譬如水表、电表、煤气表等自动抄表;到楼宇的安全及智能化、工业自动化的控制;到零售商业及资产追踪;再到个人财产的安全监控、小朋友的足迹追踪…物联网好比一个智能榔头,每个行业都要被敲打敲打。

 物联网技术趋势详解:多模LTE或将是一条康庄大道

如此多样复杂的场景,无法只通过一个技术、一个网络、一个系统触发所有服务,其技术之灵活,要根据实际情况所需的通信能力和计算能力决定。

也正因此,催生物联网未来的主要技术,分为两块:一个是连接,一个是计算。

前者就是连接各个物体,它们互相“通话”,有短距、中距和广域的连接技术。后者包括CPU、GPU、多媒体、图像、传感器、定位等这些在手机里的计算技术,将被转移应用到物联网。

细说连接。1、短距的连接,可以使用蓝牙、NFC、ZigBee这种一两米范围的连接技术。如果是局域网,在家庭、办公室、机场、咖啡厅,也可以使用有增强型的蓝牙,或者ZigBee、Wi-Fi。当然Wi-Fi也有各个等级、数据率、覆盖范围,可以使用802.11ac、802.11a/b/g/n、802.11ax、1x1、2x2,最高级可以使用802.11ad。2、如果是再大一点的范围,如广域网的连接,例如智慧城市的应用,毫无疑问就需要蜂窝网络技术,就是2G、3G、4G、未来的5G技术,它是广域覆盖、全球范围内最成熟、部署最广泛的技术。

蜂窝技术,物联网连接的主流方向

连接技术何其多,物联网在蜂窝和非蜂窝的通讯技术之间怎么选择?高通认为,蜂窝通讯技术是未来物联网的主流连接。

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为什么手机中的技术可以应用到物联网?

原因之一,蜂窝通讯技术经历30多年发展,具备覆盖广的先决条件,不需要重新部署,最直白的例证就是,无论走到任何一个地方,手机基本都有信号。GSMA数据显示,截至2016年4月,在全球160多个国家中,超过500家运营商部署了LTE,超过400个厂家发布了超过5000款支持LTE的各种产品——借助过去数年智能手机的发展脉络,LTE已经成为最容易获得且性能最容易保证的无线通信主流技术。

原因之二,运营商花费了很大精力部署蜂窝通讯技术,在连接性、安全、质量方面都有充分保证,确保了它是始终在线、安全可靠的一个基础设施。

一个手机,里面的通信系统尽管五花八门——有4G、GPS、FM、Wi-Fi、蓝牙等,这些都是射频系统,要收发数据、处理各种信号,还要全部塞在一个极其轻薄、小面积的金属壳子里,且壳子里的电池、相机等机械构件还都在抢占资源。能在这么一个严苛的设计环境里,既兼顾技术的进步,又兼顾多个系统的兼容、功耗、成本和散热等其他指标,说明经过了一个长期融合的过程,自然适合低成本模块的物联网。

原因之三,蜂窝通讯行业生态系统的从业者非常多,在网络侧有全球主流的基础设施厂商们,终端侧有手机厂商们,芯片侧有高通等从业者,大家从标准的制定到技术的发展和验证,到产品的研发和上市,以及整个网络、整个手机的优化和完善,已经形成了一条成熟的产业链。

当然,仅仅把现有的LTE技术平移到物联网终端是行不通的,为了支持更广泛的物联网终端连接,低功耗和较低数据传输速率也是一个需求,如何解决?

物联网如何连接?eMTC/NB-IoT/EC-GSM共进退

LTE七八年以前在全球标准化组织3GPP Release 8中最早被定义下来之后,就从来没有停止过演进。它发展大概有两个方向:一个是不断追求更高的用户体验,另外一个就是追求整个网络和终端的简化,面向海量部署、低成本、低功耗的物联网技术。

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所以,目前3GPP制定了三种关于物联网的标准连接技术,一种是eMTC(Cat-M1),是机器之间通讯的标准;第二种叫NB-IoT(Cat-NB1,窄带物联网) ;第三种是EC-GSM。行业标准制定之后,基站、芯片、应用服务等等往后都会跟进应用。

前两种技术的主要任务是降低系统复杂度、降低系统成本、提高系统的续航时间,去掉不必要的能力,比如高数据率、高移动性、超强传输能力,而是根据物联网的要求量身定制,达到提升电池寿命、降低成本、提升小区内部署总量的要求,实现其他的益处。EC-GSM是基于GSM(2G)技术,主要针对一些还保留原来2G网络的运营商,EC-GSM会在传统GSM基础上继续演进,加入增强的特性,比如更深的覆盖。在很长的一段时间里面,这三者都会共同发展共同存在。

而Cat是指LTE的类别,根据LTE的速率,给出了不同的等级划分:比如手机的入门级是LTE Cat.4,达到上行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,下行速率达到600Mbps。

高通目前的旗舰移动平台——骁龙835所集成的就是支持LTE Cat.16的骁龙X16千兆级LTE调制解调器,下行可以做到高达1Gbps。另外,支持LTE Cat.18的骁龙X20 LTE调制解调器也已推出,下行速率达到1.2Gbps。

如何部署?一切从简

那eMTC与NB-IoT技术如何实现4G调制解调器的海量部署、规模经济和超长生命周期?主要方法是降低复杂度。

首先,eMTC与NB-IoT要放弃掉原来LTE对数据速率的追求,因为绝大部分物联网用不着。

如上文所提,高通在手机上能实现千兆级下行速率,它的应用场景能满足沉浸式VR体验、联网云服务、或者文件和媒体的超高速下载,但在物联网的应用场景却很少,这说明,物联网并不需要超高速率,绝大部分应用在1Mbps或者几百kbps、几十kbps足以。比如,eMTC上行下行都是1Mbps;NB-IoT上行和下行分别是60kbps和20kbps,主要针对一些计量和环境传感器等简单应用,往往是一两个星期甚至更长时间才需要给网络发送极少数据。

另外一个复杂度的降低来自于带宽。

众所周知,一个LTE载波是20MHz,两载波聚合就是两个20MHz,三载波聚合就是3x20MHz。而物联网带宽有了明显的下降:eMTC只需1.4MHz,NB-IoT需要200KHz,一方面所需带宽窄了,另一方面部署起来也比较容易。eMTC可以直接部署在已有的LTE频段里,比如在一个LTE载波的20MHz里,选定一个位置把Cat-M1放进去,然后在真正的工作状态下它还可以跳频,但标准保证了这不会干扰到现有的手机系统。

NB-IoT部署更加灵活,它既可以部署在20MHz频段里,也可以部署在载波间的保护频段里(每个20MHz的LTE载波中间都留着一个保护频段,为避免互相干扰大家都不使用)。

第三是双工模式。原来LTE都是全双工,上行下行同时收发;到了eMTC和NB-IoT,都是可以支持半双工,先下行或先上行,不会并行收发。在部署的模式上,eMTC在FDD或者TDD都可以部署,NB-IoT到现在为止只能部署FDD(至少自3GPP在去年6月份推出Release 13后至今都是这样的情况),如果只有TDD频段,就只能部署eMTC。目前情况如此,往后随着标准和规范的演进可能还会有变化。

第四个降低系统复杂度的关键因素就是移动性。两种技术的移动性比LTE要低,eMTC保留了相当一部分移动性,NB-IoT则是完全没有移动性。移动性的意思就是“传输数据的时候能否移动”,如果没有移动性,那上传数据只能站在固定的点才可以工作,因为一走动就会经历跨基站切换,一跨基站信号就断了,数据就要重新传;如果有移动性,即使在小区行走的过程中跨基站了,也有一套机制保证传输的数据不会被切断。

第五个因素是语音。为了降低成本和复杂程度,NB-IoT完全没有任何语音,而eMTC还保留了VoLTE(LTE语音)。VoLTE应用在物联网的重要性主要体现在安防监控领域。

还有一点就是部署的密度。在LTE物联网的应用中,小区基本都是海量部署,如果大家都在很快下载数据的话,容量就下来了。

与传统LTE相比,eMTC、NB-IoT的穿透性明显要求更苛刻。原因很简单,比如停车位的智能模块,既要传数据还要有传感器,而这个设计可能需要放在地下停车位的水泥地以下,所需要的穿墙的能力和手机相比也有明显提高。类似的设计还有水表,或者嘈杂环境,所以,eMTC、NB-IoT在穿透性上都有提升。

此外,和LTE相比,eMTC、NB-IoT另外的增强点就是电池续航时间更长,预计五到十年以上。

最后的关键是,有没有软件升级能力。NB-IoT下行只有20kbps,相当于20年前拨号上网的速度,基本没有软件升级能力;而eMTC的速率是兆级(1Mbps),可以用几分钟或者半个小时的时间升级固件,在升级维护上有明显的优势。

目前,全球的主流运营商已经确认会部署eMTC,覆盖北美、欧洲、日本、澳大利亚。中国的运营商已开始测试eMTC和NB-IoT。

eMTC与NB-IoT难分伯仲?不用选!

综上所述不难看出:

1、eMTC强调的是移动性、较高数据速率、支持语音,对LTE的能力保留相对较多,适合应用在一些类似楼宇安防、穿戴设备等领域,但其在网络覆盖和功耗上逊于NB-IoT;

2、和NB-IoT相比,eMTC的网络反应速度更快,而NB-IoT对实时性没有要求,原因是后者穿透性好,即便在地下三层的车库也能把数据传回去,过程中它会自动反复发送,只要有一次发送成功就可以,当然无法保证送达时间;

3、NB-IoT在网络覆盖、功耗、部署灵活性以及成本优化方面相较eMTC表现更好。

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两种模式难分伯仲,企业如何选择?“不用选,最好的办法是把两种模式都放在一起,选择多模。”

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企业在选择应用服务或者网络部署时,只能根据相关技术优势进行选择,需要精准预测未来3年、5年或15年之后所部署的服务和采用的技术,这是个考验。但企业无法避免运营商将相关网络、频段和模式重新调整的可能。试想一下,如果那些在墙里、在地底下已被部署好的模块能够自适应调整,就省去了重新部署的麻烦。

这就是双模模块的原理,如果将eMTC与NB-IoT集成于一个模块中,可以同时兼得两个技术优势,无论未来相关条件发生什么变化,模块总能够满足各类需求和调整,并可以通过升级软件应对相关调整。

而在双模的基础上还有全球双模技术,意味着这两个模式也能够部署在4G LTE的频段上。目前世界各国在规划部署15-16个eMTC与NB-IoT的频段,而绝大部分是中频和低频,这是因为考虑到高频的穿透性欠佳,而低频的部署在一直放大。

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如果有一个模块同时拥有这两种技术并支持所有频段,那么该模块可以在全球任何应用场景部署。

而高通正在致力于促成全球多模、多频的模块设计。

如何保证物联网早期投入不打水漂?订一份保险

针对物联网传输要求,高通已经推出相应的新品系列。最为值得关注的就是专为eMTC和NB-IoT定制的多模多频芯片MDM 9206,将于今年完成对所有模式(Cat-M1/NB1/E-GPRS)的支持、频段的支持,达到商业交付水平。

考虑到模块一定要和传感器结合在一起,而传感器要放在一个系统控制器上,从而处理读取的各种数据,并将处理过后的再通过调制解调器发到云端,再通过云端发给用户各类应用等一系列步骤,高通的做法是,在MDM9206中集成了Cortex A7处理器,无需再外挂处理器。此外,该模块还支持Linux系统和Thread系统。

MDM9206集成了GPS、格纳洛斯、北斗以及伽利略全球导航卫星(GNSS)定位服务,不需要通过任何附加的芯片或者接收器,而是直接嵌入到该芯片中,与高通的4G功能充分整合。MDM9206还支持语音功能,这两种技术里面都具备省电模式和eDRX,这些技术均来自LTE演进,并进行了调整。

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如开篇所提,MDM9206已应用在摩拜单车的智能车锁上。通过MDM9206 的LTE连接及全球导航卫星系统定位功能,摩拜单车用户能够更加精准地识别可用单车、加快智能锁开锁速度,并对单车状态持续监测、实时管理。

同时,高通的低功耗蓝牙解决方案还计划被应用在摩拜单车的“智能推荐停车点”(sMPL)中,可实现亚米级定位,帮助摩拜单车实时掌握各区域内单车数量、位置及不同区域间的流量信息,为单车投放、调度和运维提供智能指引。

关键之处在于,高通还有一系列基于该芯片的认证工作:2016年11月,高通联合中国移动和爱立信,启动国内首个Cat-M1测试;2016年12月,高通与中移物联网有限公司签署谅解备忘录,在未来模块的设计、商业模式的开发、产业链的培育,还有更长远的如5G、车联网、云计算等等进行合作;2016年12月,高通联合中国联通和爱立信,完成基于Cat-M1标准的现网数据传输;2017年3月,高通与华为合作,首次打通TDD Cat-M1标准空口First Call。

借由这样可靠的多模解决方案,高通能帮客户抵消掉未来市场和行业的不确定性,客户无需再等三年进行投入,也不需要现在贸然做重大的赌注并承担赌错的风险。客户甚至可以现在进入市场,将精力放在应用服务上并开发业务。

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