物聯(lián)網(wǎng)沒(méi)那么容易 4G和5G都不配物聯(lián)網(wǎng)？

　　物聯(lián)網(wǎng)是決定未來(lái)經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。無(wú)所不在的萬(wàn)物互聯(lián)終將成為現(xiàn)實(shí)。

　　然而，無(wú)所不在的物聯(lián)網(wǎng)覆蓋，沒(méi)那么容易。

　　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(diào)控制。衛(wèi)星通信的成本讓人望而卻步，能耗高，且無(wú)法抵達(dá)室內(nèi)。

　　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(wěn)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(diào)控制，不僅能保證物聯(lián)網(wǎng)的安全性和有效性，且易于規(guī)劃、管理和監(jiān)控。物聯(lián)網(wǎng)可直接接入現(xiàn)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(nèi)外兼修，重振雄風(fēng)。它增強(qiáng)覆蓋，降低功耗，減少設(shè)備復(fù)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)法滿足大量設(shè)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(kuò)大覆蓋范圍，但是，這終究只是權(quán)宜之計(jì)，如補(bǔ)充雄性荷爾蒙，不是面向未來(lái)的根本之路，日子還長(zhǎng)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(nèi)覆蓋差，同時(shí)，UMTS模塊比GSM模塊貴的多。Pass！

　　夢(mèng)寐易忘，初心難改。

　　LTE是為數(shù)據(jù)洪流而設(shè)計(jì)，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(shè)備少、流量大。少量的設(shè)備較之于海量的數(shù)據(jù)流量，信令流量幾乎可以忽略不計(jì)。

　　物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)是：設(shè)備多、流量小。海量的設(shè)備較之于零星的數(shù)據(jù)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(duì)許多現(xiàn)實(shí)的挑戰(zhàn)，包括控制開(kāi)銷(xiāo)、能效、覆蓋增強(qiáng)、魯棒性、安全和可擴(kuò)展性等。

　　最擔(dān)心的是，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和傳統(tǒng)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)共存，當(dāng)大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入時(shí)，如何避免對(duì)傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的影響？

　　LTE的隨機(jī)接入過(guò)程（RACH）首先被擺上臺(tái)面。

　　當(dāng)UE（手機(jī)）要和基站（eNodeB）建立數(shù)據(jù)連接時(shí)，為了和網(wǎng)絡(luò)建立同步，由UE觸發(fā)隨機(jī)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(dǎo)序列向eNodeB發(fā)送接入請(qǐng)求。

　　LTE隨機(jī)接入過(guò)程有兩種類(lèi)型：非競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入和競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入。每個(gè)LTE小區(qū)有64個(gè)前導(dǎo)序列，分別用于非競(jìng)爭(zhēng)和競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入。

　　非競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)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(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入過(guò)程。

　?。?）前導(dǎo)序列傳輸（Message1）

　?。?）隨機(jī)接入響應(yīng)（Message2）

　?。?）Message3發(fā)送（RRCConnecTIonRequest）

　?。?）沖突解決消息（Message4）在基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入過(guò)程中，會(huì)發(fā)生兩次沖突。

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

　　如果兩個(gè)或兩個(gè)以上的UE使用相同的前導(dǎo)序列，沖突就會(huì)發(fā)生，導(dǎo)致eNodeB無(wú)法檢測(cè)到請(qǐng)求。

　　當(dāng)然，即使是多臺(tái)UE使用相同的前導(dǎo)序列，因?yàn)榻邮招盘?hào)強(qiáng)度不同，eNodeB也可能能檢測(cè)到請(qǐng)求。但是，這會(huì)導(dǎo)致eNodeB向多個(gè)UE發(fā)送相同的Message2（隨機(jī)接入響應(yīng)），從而將在Message3處引發(fā)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(jī)接入過(guò)程成為L(zhǎng)TE熊抱物聯(lián)網(wǎng)的第一道挑戰(zhàn)，因?yàn)楫?dāng)大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備同時(shí)嘗試接入基站時(shí)（比如發(fā)生地震時(shí)，某地區(qū)的所有地震監(jiān)測(cè)器同時(shí)發(fā)出告警），會(huì)出現(xiàn)信令尖峰，從而引起PRACH過(guò)載，接入競(jìng)爭(zhēng)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(fù)荷，我們可以在每一幀里增加接入調(diào)度，不過(guò)，這會(huì)減少數(shù)據(jù)傳輸資源，導(dǎo)致上行信道數(shù)據(jù)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(dǎo)序列采用的Zadoff-Chu序列處理，受限于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的計(jì)算能力。

　　總之，LTE難以應(yīng)付大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(tǒng)數(shù)據(jù)（和語(yǔ)音）業(yè)務(wù)，當(dāng)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(duì)人和物的接入請(qǐng)求進(jìn)行分離，主要包括3種：強(qiáng)制分離機(jī)制，軟分離機(jī)制和混合分離機(jī)制。強(qiáng)制分離將人和物的接入請(qǐng)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(xù)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(shè)備數(shù)量（網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)），并迅速更新物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的傳輸可能性，從而減小接入時(shí)延。

　　比如分簇機(jī)制，在某個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)分布著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備分成多個(gè)簇，每一個(gè)簇里選出一個(gè)協(xié)調(diào)（Coordinator），這個(gè)協(xié)調(diào)器是簇中唯一和基站直接通信的設(shè)備，并作為簇內(nèi)其它設(shè)備與基站通信的中繼節(jié)點(diǎn)。這不但限制了同時(shí)接入基站的設(shè)備數(shù)量，而且降低了整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

　　但是，所有的辦法“僅供研究和測(cè)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(yīng)用場(chǎng)景包羅萬(wàn)象，它對(duì)網(wǎng)絡(luò)的靈活性要求更高，怎么設(shè)計(jì)，怎么優(yōu)化，如何才能不影響運(yùn)營(yíng)商的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)（畢竟那里有更高的ARPU），都是擺在現(xiàn)實(shí)道路上難題。

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

　　MIMO通過(guò)在基站側(cè)部署多于小區(qū)終端數(shù)量的天線陣列，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(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入。問(wèn)題是，大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入需要在基站側(cè)部署多少天線？技術(shù)上能突破嗎？

　　我們說(shuō)未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)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(duì)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(xiāng)村的高速公路，是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵覆蓋區(qū)域，但并不是數(shù)據(jù)流量密集區(qū)域。人與物在覆蓋上沒(méi)有一致性，這對(duì)于運(yùn)營(yíng)商在投資上并無(wú)經(jīng)濟(jì)性可言。即使是在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備密集區(qū)域，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)帶來(lái)的ARPU值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)業(yè)務(wù)，如果考慮投資回報(bào)，運(yùn)營(yíng)商絕不愿意為了物聯(lián)網(wǎng)部署smallcells。

　　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(yuǎn)和功耗足夠低。

　　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(jù)不同的業(yè)務(wù)提供不同的數(shù)據(jù)流，且能動(dòng)態(tài)調(diào)度已被虛擬化的網(wǎng)元功能，這對(duì)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(guī)模物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(jù)流量需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。比如，NFV可以隨時(shí)根據(jù)流量需求，對(duì)某區(qū)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(shù)據(jù)收集中心，也可以是用于擴(kuò)展覆蓋的中繼，或者變回基站，以應(yīng)對(duì)臨時(shí)的接入請(qǐng)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(jié)構(gòu)顛覆性的改變，甚至是對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的顛覆。設(shè)備商去推動(dòng)虛擬化猶如自斷手臂，左右手互搏。即使運(yùn)營(yíng)商，決心有多大也是個(gè)未知數(shù)。