面向5G移动通信的蜂窝物联网关键技术研究.doc

面向5G移动通信的蜂窝物联网关键技术研究
摘 要: 在分析国内外5G研究现状的基础上,针对物联网应用具有广覆盖、低速率、低成本及低能耗的特点,对比了蜂窝物联网常用技术NB?IOT,eMTC,LTE?4G的特征及应用领域。在此G cellular IOT applications.
Keywords: 5G mobile communication; network architecture; edge calculation; fog calculation; cloud calculation; channel analysis; demodulation test
0 引 言
从2013年欧盟投入巨资研发5G相关技术,欧盟制定的5G标准计划将于2020年推出。紧随其后,韩国SUMSUNG公司公开宣布已经成功攻克5G关键技术,利用64天线单元自适应阵列,在28 GHz频段实现1 Gb/s数据传输,通信速率比4G LTE快将近100倍,并计划在2020年商业化[1]。2014年日本NTT,DoCoMo等电信运营商与爱立信、诺基亚、三星等公司合作,对5G网络进行测试,通信速率可提升至10 Gb/s,同时预期2020年开始运作[2]。2015年,英国宣称成功研制5G网络,传输速率可达125 Gb/s,并于2018年进行公众测试,计划2020年投入商用。2016年,美国Verizon公司宣布,从2016年开始5G网络测试,2017年在美国一些城市实现商用[3?5]。 国内5G相关技术的研究也同时启动,华为早在2009年就已开始5G相关技术的研究,并预言2020年启动商用5G移动网络,通信速率[6]可达20 Gb/s。2016年,工信部副部长表示,5G将是未来新一代通信技术的主要方向,在提高用户体验的基础上,同时实现万物互联应用需求,为物联网提供承载网络。2018年,在世界移动通信大会上,华为和沃达丰公司进行合作,并完成第一个5G通话测试。同年,华为发布首款5G商用芯片巴龙5G01及终端设备。2018年,中国联通公布5G部署,计划2020年启用5G网络商用[7?8]。
1 相关研究
随着物联网的飞速发展,新的通信需求不断出现,先后涌现出ZigBee,6Lowpan,WiFi,蓝牙及LoRa等多种通信技术。传统蜂窝网络的大量传感器和智能终端往往成本低廉,使用干电池供电,能源有限,很多部署在室外或地下管廊,这些特点使得传统蜂窝网络在应对物联网发展时,尤其是应对M2M时凸显出通信能力不足的缺陷。新的技术背景下,3GPP提出要逐步改进信号覆盖范围,提高能源效率,降低时延,支持海量低流量设备接入及降低设备复杂程度[9]。
针对上述需求,边缘计算(Edge Computing,EC)的概念模型被提出。边缘计算将程序、服务及存储等功能推向网络的边缘,由大量的终端或者网络设备完成相应的计算,可以进一步减轻网络数据流量,降低网络压力。移动边缘计算是边缘计算与蜂窝网络的结合产物,是5G的关键技术之一。2011年思科提出雾计算(Fog Computing,FC),将云服务与边缘计算有机连接,形成类似于中间件的网络功能模块。相对于云计算,雾计算更加符合物联网应用的复杂性及碎片化特征,通过雾计算可以解耦云端和设备终端,降低网络带宽占用[10?13]。
LTE?M是针对物联网制定的技术标准,被称为eMTC。2016年3GPP针对物联网应用需求制定了窄带物联网标准(NB?IOT),具备广覆盖、低速率、海量连接、低功耗及低成本等特点。LTE?4G,eMTC和NB?IOT的技术特征及典型应用领域如表1所示。
2 面向5G蜂窝物联网架构
蜂窝网络经过多年的建设,已经成为移动通信的基础,覆盖范围广泛,通信安全可靠。根据高通公司预测,截至2025年全球物联网连接将超过50亿。从智能穿戴设备到智能水表、电表,从智能井盖到车载终端,将涵盖智慧城市、智慧交通、环境监测及医疗保健等各个方面。大量的智能终端会接入网络,蜂窝网络将成为物联网的主要承载网络。随着物联网接入方式的多样化,及雾计算、边缘计算和云计算的发展,面向5G网络的蜂窝物联网的架构也逐渐清晰,架构图如图1所示。网络架构中分离了传输层与边缘资源层,解耦了应用层与服务管理层。
各子层功能
感知层是信息的入口,通过各种传感器和嵌入式控制器,将采集的各种参数通过各种通信方式,如ZigBee,蓝牙,WiFi,LoRa等汇入感知层。感知层是整个架构的最前端,所有数据信息通过该层产生,是架构中的基础架构。
传输层负责数据的传输,5G终端、NB?IOT终端及eMTC终端都被划分在该层。传输层的另一重要