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“物超人”历史性节点背后,经历了哪些移动物联网技术的变迁?

物联网智库 | 智联网产业智囊平台 2022/09/26 14:40

移动物联网形成超过移动电话用户的超大链接规模,其背后支撑的通信网络显得尤为重要,移动物联网用户数从零增长到超过16亿,也是移动物联网通信技术不断变迁的过程。

近日,工信部发布的最新数据显示,截至8月底,三家基础电信企业发展移动物联网终端用户16.98亿户,超过移动电话用户16.78亿户,我国正式进入“物超人”时代。

根据工信部定义,移动物联网是以蜂窝移动通信技术和网络为载体,通过多网协同实现泛在连接、万物互联的数字信息基础设施。那么移动物联网形成超过移动电话用户的超大链接规模,其背后支撑的通信网络显得尤为重要,移动物联网用户数从零增长到超过16亿,也是移动物联网通信技术不断变迁的过程。

从3GPP标准化的工作历程看移动物联网技术变迁

既然移动物联网以蜂窝移动通信技术和网络为载体,那么它就无法绕开3GPP的作用。3GPP作为全球影响力最大的电信标准化组织,承担了移动通信国际标准的制定工作,早已成为全球移动通信发展的风向标。移动物联网技术的发展,尤其是移动物联网的全球标准制定,离不开3GPP这一组织的工作。因此,3GPP针对物联网标准化工作的历程,基本涵盖了移动物联网技术的变迁。笔者选取几个关键节点,回顾3GPP对移动物联网的支持。

1、初次拥抱物联网

早在2005年,物联网在很多场合以M2M(机器对机器通信)的名称出现,这一概念已被广泛接受。3GPP在那个时候已启动了MTC(Machine Type Communication)的研究工作,即开始了《Study on Facilitating Machine to Machine Communication in 3GPP Systems》的研究项目。

根据3GPP的工作流程,针对一项新的技术标准化工作分为研究项目和工作项目两个阶段,研究项目阶段进行可行性研究,对业务需求、解决方案可行性进行评估,最终输出技术报告;工作项目阶段就开始了标准的制定,根据研究项目阶段的结论,形成相应技术规范,输出标准。

针对MTC的首个研究项目于2007年在3GPP R8版本中已技术报告形式发布,并在后续开展标准化工作,于2011年完成了首个完整的技术规范,在3GPP R10版本中发布。笔者翻阅了3GPP此前的部分技术报告和技术规范文档,针对首个MTC的文档如下:

新知达人, “物超人”历史性节点背后,经历了哪些移动物联网技术的变迁?

该版本针对M2M通信在物流、健康医疗、远程管理、无线支付、无线抄表等方面的需求进行研究,支持通过蜂窝网络接入大量物联网终端。

2、针对终端的分类

对于物联网的支持,除了接入网的架构、核心网支持等网络侧的规范外,终端也需要有专门的标准规范,才能实现有效通信。伴随着4G LTE标准的制定,3GPP对于终端的规范也在持续推进,最为典型的是通过上下行速率对终端进行分类,适应了各种类别物联网终端的接入特点,这一分类在后续物联网发展中产生了重大影响。

3GPP在R8版本中就包含了对用户终端接入能力的标准化工作,定义了Cat.1-Cat.5的等级,体现在TS 36.306规范中。3GPP在后续版本中持续研究和更新,如在R10中定义了Cat.6-Cat.8,在R11中定义了Cat.9-10。

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从Cat.4开始以及以上级别的终端主要针对手机终端,这些级别需要更高速率,而Cat.4以下级别更适合物联网,尤其是Cat.1的定义,对后续物联网的发展产生了重要影响,目前国内移动物联网中速率主要是Cat.1的终端。3GPP在R12版进一步降低终端等级,首次定义的Cat.0的终端等级,工作带宽为20 MHz,上下行速率仅为1Mbps。

3、LPWAN标准横空出世

从2013年开始,低功耗广域网络(LPWAN)进入人们视线中,低速率、低功耗的物联网场景需求越来越多,Sigfox、LoRa等非蜂窝物联网技术开始成为业界宠儿,大范围攻城略地。3GPP阵营现有的物联网技术不能满足LPWAN场景需求,面对非蜂窝技术的弯道超车,3GPP阵营专家们快速响应,针对LPWAN的需求,开始制定新的标准,并于2016年R13版本中冻结了基于蜂窝网络的LPWAN标准,而且一次性发布了3个标准,即eMTC、EC-GSM和NB-IoT,其中eMTC是基于4G LTE网络的演进,EC-GSM是基于2G GSM网络演进,而NB-IoT则是相对独立的物联网标准。

3GPP这三大LPWAN标准的问世,在业界产生了巨大反响,成为移动通信产业的一大亮点,似乎承载了蜂窝通信运营商在物联网领域的未来。当然,这三类技术后来的命运差别很大,尤其是EC-GSM问世后不久就惨遭抛弃,NB-IoT和eMTC则分别受到了全球不同国家地区和运营商的青睐,直至今天形成了明显的市场格局。

4、5G和后5G时代的物联网技术

随着5G的商用,业界将目光聚焦于5G支持的物联网技术上。从5G最初提出的三大场景来看,eMBB更多是为支持移动互联网需求而生,而uRLLC和mMTC则更多是为物与物通信提供技术支持,近年来5G的发展也印证了这一初衷。

当然,5G三大场景是高度凝练的总结,沿着以往物联网的发展路径,业界仍然关注5G标准体系中重点支持物联网的技术方向。3GPP在设立标准研究方向时,充分考虑到物联网场景和需求发展的趋势,已启动了多个重点方向的研究,笔者认为最为典型的是两个方面:

一方面是RedCap的标准化工作。RedCap全称是Reduced Capability,即“降低能力”,是在5G R17阶段确定的专门方向,相对于eMBB和uRLLC,它可以说是轻量级的5G,但相比NB-IoT这类低功耗广域网,其性能高一些。今年6月,R17已完成冻结,首个RedCap标准问世,业界开始依据标准推动其商用化进程,我们看到一些芯片厂商开始了首款RedCap芯片的研发。长远来看,RedCap具备了4G物联网的大部分功能,能够在一张网络中实现不同等级终端的通信接入。

另一方面是无源物联网的标准化工作。3GPP R18版本已将无源物联网纳入研究项目中,多个代表也开始了无源物联网前期研究工作。在3GPP全会上,多家企业代表认为,无源物联网将形成千亿级连接规模,当前大量行业已明确了需求。在非3GPP阵营大力投入和发展新型无源物联网技术,满足大量场景需求的同时,若3GPP阵营对其不重视,尤其是当前3GPP现有技术无法支撑无源物联网需求,则未来这一领域的市场空间将被非3GPP阵营占据,因此3GPP对无源物联网的研究应该加速。

当然,3GPP还推出了针对车联网、卫星物联网等方向的课题,这些也构成了移动物联网技术体系的重要组成部分。正是由于十多年来3GPP阵营的努力,才构成了完善的技术体系,支持目前数十亿移动物联网终端的接入,并持续形成支持百亿甚至千亿接入的能力。

移动物联网技术的特点和技术路线选择

3GPP针对移动物联网推出了大量技术标准,虽然每一类技术都有其针对群体和特有功能,但它们有一个共同的特点,即简单化,尤其是和针对人与人通信的蜂窝网络相比,移动物联网技术往往是对其进行裁剪,去掉很多非必要功能。例如,业界一致认为,LTE Cat.1就是“低配版”的4G,可以复用4G现网,但其终端比传统4G简单得多。这一简单化的特点,源于移动物联网大部分场景的几个重要需求:

一是设备低成本的需求。尽管大量设备接入带来巨大价值,但是,海量连接设备代表着用户承担巨额成本,必须要降低到客户能够承受的水平。多个移动物联网技术采用半双工模式、降低设备接收带宽、降低设备速率,从而降低计算、存储、射频等器件的使用,大幅降低了成本。

二是设备低功耗的需求。大量物联网设备不可能每天、每个月为其充电,这样不仅不方便,而且维护成本上升。一些设备需要长期保持运行状态,一旦电池耗尽,通信中断,可能会导致重大损失,因此超长的电池使用时间,就显得尤为重要,有些甚至需要无限期免维护。目前正在推进的无源物联网技术的研究,就是为了彻底解决功耗问题。

三是增强覆盖的需求。对于大部分物联网应用,覆盖非常重要,因此覆盖增强是近年来移动物联网技术创新的一个重要方向,NB-IoT就是最典型的代表。

就网络运营来说,移动物联网同样需要类似于人与人通信的广覆盖网络,实现随时随地接入,因此移动物联网网络也具有规模经济的特点。面对众多移动物联网技术路线,产业界不可能全面接受,需要在其中选择适合自身的技术路线。

工信部数据显示,截至2022年8月底,我国NB-IoT、4G、5G基站总数分别达到75.5万个、593.7万个、210.2万个。这一宽窄结合的物联网网络体系,支撑了当前超16亿的物联网终端接入。不过,这一物联网网络体系也是经过多年探索,最终选择专门的技术路线形成的。

以LPWAN的选择为例,2016年3GPP R13冻结的eMTC、EC-GSM和NB-IoT三类技术,全球各家运营商就面临着技术路线的选择。虽然这些物联网网络的投资相对于传统移动通信网络成本低,但也是一笔不小的支出,很少有厂商能够同时承担两张网络的成本。在过去几年实践中,主流运营商做出了选择,国内三家运营商选择了NB-IoT技术作为低速率物联网网络的技术路线,而美国运营商则选择eMTC网络,欧洲出现分化,NB-IoT和eMTC都有一些拥护者,如沃达丰以NB-IoT为主。

技术选择的时间节点也是一个关键决策点。以Cat.1为例,早在2016年左右,海外和国内一些运营商就在探索推动Cat.1的落地,但是彼时2G网络依然占据主流,Cat.1的成本还比较高,难以撼动当时的格局。而随着2G退网呼声越来越高,尤其是2020年工信部25号文中正式提出推动2G迁移专网的背景下,Cat.1迎来了快速发展的时机,直至目前,Cat.1已成为国内移动物联网的主力之一。

在笔者看来,物超人历史性时刻的到来,与过去几年移动物联网标准发展以及产业界对移动物联网技术路线选择密切相关。人与人连接的总数有明显的天花板,物联网连接数暂时没有看到天花板。我们今天正在研究的移动物联网技术,以及业界对技术路线的选择,在未来几年后可能就成为物联网连接数十倍甚至百倍于人与人连接的关键。

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