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 物聯網是決定未來(lai)經濟的關鍵技術(shu)。無所不在的萬物互聯終將成為現實。

　　然而，無(wu)所不(bu)在的(de)物聯(lian)網覆蓋(gai)，沒那么容(rong)易。

　　ZigBee/6LoWPAN或IEEE802.11ah等，僅適于(yu)短距離物聯網覆蓋，且無法(fa)保證可靠的網絡協(xie)調控制。衛星(xing)通信(xin)的成本(ben)讓人望而卻(que)步，能耗高，且無法(fa)抵達室內。

　　時代在召(zhao)喚，蜂窩網絡瀟灑(sa)走過來

　　物聯(lian)網嬌軀一震(zhen)，勾搭上了已覆蓋全球的(de)2/3/4G網絡，跟(gen)他在一起可以至(zhi)少少奮斗(dou)十年(nian)。

　　2/3/4G網(wang)絡就像(xiang)富(fu)一代，成熟穩重，溫柔多(duo)金，還特有(you)安(an)全感。它(ta)網(wang)絡覆蓋廣，分布密集，有(you)可靠的(de)網(wang)絡協調控制，不僅能保證物聯(lian)網(wang)的(de)安(an)全性和有(you)效性，且(qie)易于規劃(hua)、管理和監控。物聯(lian)網(wang)可直接接入(ru)現成的(de)基站里，拎包(bao)入(ru)住，圓你(ni)一個(ge)別墅夢。

　　為了(le)配合物聯網(wang)之(zhi)嬌軀亂顛，2/3/4G網(wang)絡開始內外兼(jian)修，重(zhong)振(zhen)雄(xiong)風。它(ta)增(zeng)強覆(fu)蓋，降低功耗，減少設備復雜性，降低時延，最小化(hua)每Bit成本(ben)。

　　畢竟(jing)隔了幾代(dai)，力不從(cong)心的時候也是(shi)有的。

　　GSM容量(liang)有限(xian)，無法(fa)滿足大量(liang)設(she)備(bei)同時(shi)接(jie)入(ru)(ru)。富一代很拼(pin)，它減小信令(ling)開銷(xiao)，控(kong)制過載，收緊資源粒度(du)，擴大覆(fu)蓋范圍，但是，這終究只是權宜之(zhi)計，如補(bu)充雄性荷爾蒙(meng)，不是面向未來的根本之(zhi)路(lu)，日子(zi)還長(chang)呢。GSM的功耗和接(jie)入(ru)(ru)時(shi)延讓物聯(lian)網領悟(wu)到了(le)初夜的遺憾(han)。

　　至于3G(UMTS)，工作(zuo)頻段更高，覆(fu)蓋(gai)范圍小(xiao)，室內覆(fu)蓋(gai)差，同時，UMTS模塊比GSM模塊貴的多。Pass!

　　希望在LTE上?

　　夢寐易忘，初(chu)心難改(gai)。

　　LTE是為數據洪流而設計，一開始并沒有考慮(lv)物聯網需(xu)求。

　　講真(zhen)，每次聽說LTE要熊抱物聯網，我就覺得它(ta)在(zai)死(si)撐。

　　的特(te)點是：設備少(shao)、流(liu)量大(da)。少(shao)量的設備較(jiao)之于海(hai)量的數據流(liu)量，信令(ling)流(liu)量幾乎可以忽略不計。

　　物聯網的(de)(de)特(te)點(dian)是：設(she)備(bei)多、流(liu)量(liang)(liang)小。海量(liang)(liang)的(de)(de)設(she)備(bei)較之于零星(xing)的(de)(de)數據包，信令(ling)流(liu)量(liang)(liang)大爆發(fa)，引起網絡癱瘓也不(bu)是不(bu)可(ke)能(neng)的(de)(de)。

　　與(yu)物聯網在一起的LTE面(mian)對許多現(xian)實的挑戰，包括控制開銷、能效、覆蓋增強、魯棒性、安全(quan)和(he)可(ke)擴展性等(deng)。

　　最擔心的是(shi)，物聯網(wang)(wang)業(ye)務和傳統語音、數據業(ye)務共存，當大規模(mo)物聯網(wang)(wang)設備接(jie)入時，如(ru)何避免對傳統業(ye)務的影響?

　　LTE的隨機接入過(guo)程(RACH)首(shou)先被擺上臺面(mian)。

　　當(dang)UE(手機(ji))要和基(ji)站(zhan)(eNodeB)建(jian)立數據連接時，為(wei)了和網(wang)絡建(jian)立同步，由UE觸發隨機(ji)接入(ru)過程。RACH由一系列時-頻(pin)資(zi)源組成，稱為(wei)RA時隙(xi)。UE在RA時隙(xi)里(li)使用前導(dao)序(xu)列向eNodeB發送(song)接入(ru)請求。

　　LTE隨(sui)(sui)(sui)機接入過(guo)程有(you)兩種類型(xing)：非競爭(zheng)(zheng)(zheng)的隨(sui)(sui)(sui)機接入和競爭(zheng)(zheng)(zheng)的隨(sui)(sui)(sui)機接入。每個LTE小區有(you)64個前導序列(lie)，分(fen)別用于非競爭(zheng)(zheng)(zheng)和競爭(zheng)(zheng)(zheng)的隨(sui)(sui)(sui)機接入。

　　非(fei)競爭的隨機接入(ru)(ru)由網絡控制，能避(bi)免沖突，減(jian)小接入(ru)(ru)時延(yan)，保障(zhang)接入(ru)(ru)成功率，比如在(zai)切換場景中(zhong)。這不影響物聯網業務。

　　影響(xiang)物聯網業務的(de)是基于競爭的(de)隨機接入過程。

　　(1)前導序列傳輸(Message1)

　　(2)隨機接入響應(Message2)

　　(3)Message3發(fa)送(song)(RRCConnectionRequest)

　　(4)沖突解(jie)決消息(Message4)在(zai)基(ji)于競爭的隨機接入(ru)過程(cheng)中，會發生兩次沖突。

　　第(di)一次(ci)沖突：

　　Message1：UE隨機發(fa)送前(qian)導序列，請(qing)(qing)求(qiu)接(jie)入。由于(yu)前(qian)導序列正(zheng)交，同一RA時(shi)隙允許多個UE使用不同的前(qian)導序列。在這種情(qing)況(kuang)下，eNodeB可解碼請(qing)(qing)求(qiu)。

　　如果兩(liang)個或兩(liang)個以(yi)上(shang)的UE使用相同的前(qian)導(dao)(dao)序(xu)列，沖(chong)突就會發生，導(dao)(dao)致(zhi)eNodeB無法檢測到請(qing)求。

　　當然，即使是(shi)多(duo)(duo)臺UE使用(yong)相(xiang)同(tong)的(de)前導序(xu)列，因(yin)為(wei)接收信號強度(du)不(bu)同(tong)，eNodeB也(ye)可能(neng)能(neng)檢測到(dao)請(qing)求(qiu)。但是(shi)，這(zhe)會導致(zhi)eNodeB向(xiang)多(duo)(duo)個UE發送相(xiang)同(tong)的(de)Message2(隨(sui)機接入響應)，從(cong)而將在Message3處(chu)引發第(di)二(er)次沖突(tu)。

　　第(di)二次沖突：

　　如(ru)果不(bu)同(tong)的(de)UE收到相(xiang)同(tong)的(de)Message2，那么它們(men)會獲(huo)得(de)相(xiang)同(tong)的(de)上行資源，同(tong)時發(fa)送Message3，此時，第二次沖突發(fa)生。

　　隨機接(jie)入(ru)過(guo)(guo)程成(cheng)為(wei)LTE熊(xiong)抱物(wu)聯網(wang)的(de)第一道(dao)挑戰(zhan)，因為(wei)當大(da)量物(wu)聯網(wang)設備同時(shi)(shi)(shi)嘗試接(jie)入(ru)基站時(shi)(shi)(shi)(比如(ru)發生地震時(shi)(shi)(shi)，某地區的(de)所(suo)有地震監測器同時(shi)(shi)(shi)發出(chu)告警)，會出(chu)現信(xin)令尖峰，從而(er)引起PRACH過(guo)(guo)載，接(jie)入(ru)競爭可能(neng)性增加(jia)，接(jie)入(ru)時(shi)(shi)(shi)延和接(jie)入(ru)失敗率上(shang)升。

　　盡管，為了減小PRACH負荷(he)，我們可(ke)以在每一幀里增加接(jie)入調度(du)，不過，這會減少數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)資(zi)源，導致上行信道數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)容量吃緊。

　　還有，LTE幀中分配(pei)RA時隙(xi)有限(xian)。同時，PRACH前導(dao)序列采用的Zadoff-Chu序列處理，受限(xian)于物聯網設備的計算能力。

　　總之，LTE難以應付(fu)大(da)規模物聯網設備(bei)接入，其引發的接入時延(yan)和接入失敗問題會(hui)影(ying)響(xiang)傳(chuan)統數據(和語音)業務，當然，這(zhe)本身也會(hui)影(ying)響(xiang)物聯網業務。

　　魚和熊掌(zhang)不能兼得。

　　解決的辦法也是有(you)的。

　　比如對(dui)人和(he)(he)物的(de)(de)(de)接入(ru)(ru)請(qing)求(qiu)進行分(fen)離(li)(li)(li)(li)(li)，主(zhu)要包括(kuo)3種：強制(zhi)分(fen)離(li)(li)(li)(li)(li)機制(zhi)，軟(ruan)分(fen)離(li)(li)(li)(li)(li)機制(zhi)和(he)(he)混合分(fen)離(li)(li)(li)(li)(li)機制(zhi)。強制(zhi)分(fen)離(li)(li)(li)(li)(li)將人和(he)(he)物的(de)(de)(de)接入(ru)(ru)請(qing)求(qiu)完美隔離(li)(li)(li)(li)(li)。軟(ruan)分(fen)離(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)指(zhi)人和(he)(he)物共享(xiang)資(zi)源(yuan)池，但(dan)具有不同的(de)(de)(de)接入(ru)(ru)可能性。混合分(fen)離(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)前(qian)面(mian)兩(liang)者的(de)(de)(de)混合。

　　比如FastAdaptiveSlottedAloha技術，利用連續空(kong)閑或沖突時隙來估算網(wang)絡(luo)(luo)中激活的物(wu)聯(lian)網(wang)設(she)備數(shu)量(liang)(網(wang)絡(luo)(luo)狀態)，并迅速(su)更新物(wu)聯(lian)網(wang)設(she)備的傳輸可(ke)能性，從(cong)而減小接入時延。

　　比如分簇(cu)機制，在某個(ge)小區內隨(sui)機分布著物聯網設(she)備(bei)，將物聯網設(she)備(bei)分成多個(ge)簇(cu)，每一個(ge)簇(cu)里選(xuan)出一個(ge)協調(diao)(Coordinator)，這(zhe)個(ge)協調(diao)器(qi)是(shi)簇(cu)中(zhong)唯一和(he)基站直(zhi)接通(tong)信(xin)的(de)(de)設(she)備(bei)，并作為簇(cu)內其它設(she)備(bei)與基站通(tong)信(xin)的(de)(de)中(zhong)繼節點。這(zhe)不但限(xian)制了(le)同時(shi)接入基站的(de)(de)設(she)備(bei)數量，而且(qie)降低了(le)整個(ge)系(xi)統的(de)(de)功耗。

　　但是，所有(you)的辦法“僅供研究和(he)測試”，LTE和(he)物(wu)聯(lian)網要(yao)水(shui)乳相融走(zou)向商用，還(huan)有(you)很(hen)多工(gong)作要(yao)做。同時，物(wu)聯(lian)網應用場景包羅萬象，它對網絡的靈活性要(yao)求(qiu)更高，怎么設計(ji)，怎么優化(hua)，如(ru)何才能不影響運營商的傳(chuan)統業務(畢竟那里有(you)更高的ARPU)，都(dou)是擺在現實道路上難題(ti)。

　　那么，5Ghold得住(zhu)物(wu)聯網嗎?

　　massiveMIMO，異(yi)構(gou)網絡，毫米(mi)波(mmWave)，SDN/NFV，通常被認為5G的幾大關鍵技術(shu)(shu)。這(zhe)些(xie)關鍵技術(shu)(shu)能適應物聯網需求嗎?

　　MassiveMIMOMassive

　　MIMO通過在基(ji)(ji)站(zhan)側部署(shu)多于(yu)小(xiao)區(qu)終端數量的(de)天線陣列，利用空間分集來提升頻譜效率，這一特點(dian)使(shi)基(ji)(ji)站(zhan)可以同時接受多路(lu)傳輸(shu)，看起(qi)來非常適合于(yu)大規(gui)模的(de)物聯(lian)網設(she)(she)備接入。問題(ti)是(shi)，大規(gui)模的(de)物聯(lian)網設(she)(she)備接入需要在基(ji)(ji)站(zhan)側部署(shu)多少天線?技術(shu)上能突破嗎?

　　異構網絡

　　我們說未來的網(wang)絡(luo)是異構網(wang)絡(luo)，網(wang)絡(luo)內部署很多smallcells來解決網(wang)絡(luo)容(rong)量需(xu)求。

　　然而(er)，這(zhe)是為(wei)了(le)解決容量，提升網(wang)速。對于(yu)物聯(lian)網(wang)，關鍵(jian)不是網(wang)絡速率(lv)，而(er)是覆蓋，是可靠的(de)和無(wu)所不在(zai)的(de)連(lian)接(jie)，這(zhe)和smallcells解決熱點容量問(wen)題是背道(dao)而(er)馳的(de)。

　　人(ren)和(he)物(wu)的(de)需(xu)求(qiu)場景完全(quan)不同(tong)。比如，鄉村(cun)的(de)高速公路，是(shi)物(wu)聯網(wang)的(de)關(guan)鍵覆(fu)蓋區(qu)域，但并(bing)不是(shi)數據(ju)流量密集區(qu)域。人(ren)與物(wu)在(zai)(zai)覆(fu)蓋上沒有一致性(xing)(xing)，這(zhe)對于(yu)(yu)運營商(shang)在(zai)(zai)投(tou)資上并(bing)無經濟性(xing)(xing)可言。即使是(shi)在(zai)(zai)物(wu)聯網(wang)設(she)備密集區(qu)域，物(wu)聯網(wang)業(ye)務(wu)帶來(lai)的(de)ARPU值也遠遠低于(yu)(yu)傳(chuan)統業(ye)務(wu)，如果考慮投(tou)資回報，運營商(shang)絕不愿(yuan)意為(wei)了物(wu)聯網(wang)部署smallcells。

　　毫米波(mmWave)

　　毫(hao)米波以其寬(kuan)廣的(de)頻譜資源向5G展(zhan)示了(le)無法抗拒的(de)魅(mei)力。毫(hao)米波的(de)特點是：速率快、覆蓋(gai)距離短和功耗(hao)大。這三個特點和物聯(lian)(lian)網(wang)需求完全相反，物聯(lian)(lian)網(wang)的(de)特點是：速率低、覆蓋(gai)距離

　　毫(hao)米波以其寬(kuan)廣的頻譜(pu)資源(yuan)向5G展示了(le)無法抗(kang)拒的魅力(li)。毫(hao)米波的特點(dian)是：速率(lv)(lv)快、覆蓋距離短和(he)功耗大。這三(san)個(ge)特點(dian)和(he)物聯(lian)網需求完(wan)全相反，物聯(lian)網的特點(dian)是：速率(lv)(lv)低、覆蓋距離遠和(he)功耗足夠低。

　　SDN/NFV

　　軟(ruan)件定(ding)義網(wang)(wang)絡(SDN)和網(wang)(wang)絡功(gong)能虛(xu)擬(ni)化(NFV)將物(wu)理網(wang)(wang)絡變(bian)得更抽象(xiang)，利于(yu)網(wang)(wang)絡資源(yuan)靈(ling)活(huo)管(guan)理和支持(chi)不同類型的業務,SDN/NFV根據不同的業務提供不同的數據流，且能動態調度(du)已(yi)被虛(xu)擬(ni)化的網(wang)(wang)元(yuan)功(gong)能，這對物(wu)聯網(wang)(wang)是極好的。

　　一方面，SDN可以將人與物業務分離，同時保障分離的邏輯網絡的QoS，能有(you)效利用網絡資(zi)源，減輕(qing)大(da)規模(mo)物聯網設備接入帶來的網絡問(wen)題(ti)。

　　另一(yi)方面，利用NFV可(ke)以(yi)(yi)(yi)根據(ju)流量需(xu)求(qiu)(qiu)(qiu)對(dui)(dui)網(wang)(wang)絡結構(gou)進行動態管(guan)理。比如，NFV可(ke)以(yi)(yi)(yi)隨時根據(ju)流量需(xu)求(qiu)(qiu)(qiu)，對(dui)(dui)某(mou)區(qu)域的(de)網(wang)(wang)元進行功能“變形”，它(ta)可(ke)以(yi)(yi)(yi)是一(yi)個(ge)物(wu)聯網(wang)(wang)數據(ju)收集(ji)中心，也可(ke)以(yi)(yi)(yi)是用于擴展覆蓋的(de)中繼，或者(zhe)變回基站(zhan)，以(yi)(yi)(yi)應對(dui)(dui)臨時的(de)接入請求(qiu)(qiu)(qiu)高峰。

　　事實(shi)上，SDN/NFV讓(rang)我們看到了(le)未來“無限容量”網絡的可能。

　　但是(shi)，SDN/NFV將帶(dai)來(lai)網絡(luo)結(jie)構顛(dian)覆性的改變(bian)，甚(shen)至是(shi)對整個(ge)產業鏈的顛(dian)覆。設備商去推動虛擬(ni)化猶(you)如(ru)自斷手臂，左右手互搏。即(ji)使運營商，決(jue)心(xin)有多大也是(shi)個(ge)未知(zhi)數。