物聯(lián)網的承諾：下一個重大應用

　　移動寬帶網絡及相關技術的不斷演進對滿足不斷增長的連接和帶寬需求來說至關重要。同樣重要的是引入相應的功能和機制來通過網絡創(chuàng)收，以維持持續(xù)投資。考慮當前已部署的業(yè)務，從營收角度來說基于 LTE 的移動寬帶消費市場正在趨于成熟和飽和。行業(yè)將在 2020 年部署 5G 技術，因此必須開發(fā)新的應用、用例和市場才能為此做好準備。物聯(lián)網 （IoT） 正在發(fā)展成為主要增長點，適時地迎合了這一需求。IoT 目前正在成為現(xiàn)實，主要運營商報告稱他們的網絡中有數以百萬計的連接設備。專有低功耗長距離 （LPWA） 協(xié)議率先提供 IoT 連接，同時 3gpp 也與各種方案角逐，力求使 Release 13 成為 IoT 業(yè)界標準協(xié)議?？焖倥d起的 IoT 生態(tài)系統(tǒng)已經有了相關解決方案以構建電池使用壽命超過 10 年的低成本 IoT 端節(jié)點。

　　預計未來 3 至 5 年里將大量部署 IoT 網絡和服務。為了從這些 IoT 網絡中創(chuàng)收，無論已有的還是新的運營商都需要成功應對三個問題。第一，運營商要接受專有和標準 IoT 連接的存在，并準備混合 IoT 網絡。第二，專注于連接還不足以使 IoT 網絡實現(xiàn)營收。需要通過全面的數據分析來處理從數以百萬計的連接設備中收集到的數據，以推動新的應用和用例開發(fā)。IoT 網絡安全性與可靠性是對物聯(lián)網商業(yè)化和更廣泛普及起決定作用的第三個重要問題。支持多種無線電協(xié)議、實現(xiàn)云與連接設備間的智能數據收集/傳播、確保采用最新安全鏈路的可編程高靈活度 IoT 網關或集線器是解決這些問題的關鍵。

　　IoT 需要低功耗長距離通信、不對稱異步低數據速率連接，以及超長電池使用壽命（大于 10 年）的低成本端節(jié)點。IoT 連接和設備的屬性可能隨終端市場或應用的不同而變化。5G 行業(yè)論壇將 IoT 的應用領域劃分為兩個大類：低能耗大規(guī)模機器通信和低時延關鍵任務機器類型通信。機器到機器通信被視為是這兩個應用領域中不可或缺的組成部分。低能耗大規(guī)模機器通信的實例之一是包含連網傳感器和致動器的網絡，這種網絡能夠為醫(yī)療、航運、農業(yè)、食品、水與能源管理、智能住宅與建筑等行業(yè)實現(xiàn)顯著的生產力和效率提升。連網的可穿戴設備是這種應用案例的重要組成部分，旨在改善我們生活的方方面面。設備成本、電池使用壽命、部署簡便性以及高效異步通信是低能耗大規(guī)模機器類型通信的關鍵要求。每 IoT 節(jié)點的典型數據速率為 100Kbps。

　　低時延機器通信包括：工業(yè) IoT、汽車、智能電網、交通安全以及應急響應服務?？煽啃浴椥院偷蜁r延是該領域的重要組成部分。典型數據速率為：100Kbps-1Mbps。工業(yè) IoT 將讓移動寬帶網絡涵蓋多個垂直市場，為運營商開創(chuàng)新的高收益渠道。

　　如今存在多種用于 IoT 部署的專用低功耗廣域網技術，例如 LoRa、SigFox、Ingenu、Starfish 和 Weightless。這些技術使用公共頻段。汽車領域，專用短程通信 （DSRC）（美國）和協(xié)同智能傳輸系統(tǒng) （ITS）（其他地方）成為新興汽車無線電連接（Vehicle to Everything （V2X））解決方案。這主要針對安全應用。DSRC 采用 75MHz 帶寬，5.9GHz 授權頻譜中的 7 個 10MHz 通道。LTE 提供很好的框架，可協(xié)調專用技術和零散的標準，以實現(xiàn)規(guī)模、易于部署和維護等優(yōu)點。LTE-M（針對機器到機器通信進行的 LTE 擴展，是 3gpp RAN Release 12 的一部分）、窄帶 LTE （NB-LTE）（3gpp RAN Release 13 的一部分）以及擴展覆蓋范圍 GSM （EC-GSM）（GEREAN Release 13 的一部分）都屬于使用授權頻譜的標準化技術。

　　圖1：描述 IoT 網關在 IoT 網絡中作用的概念圖

　　如圖 1 所示，靈活可編程 IoT 網關或集線器分布在網絡中，可起到關鍵作用。為支持混合技術，IoT 網關需要支持多種無線電協(xié)議，這要取決于安裝地點或服務類型。為協(xié)調已有專用技術和不斷發(fā)展的標準，需要實現(xiàn)系統(tǒng)靈活性和敏捷性，這正是構建生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)模經濟以加強產品營收的關鍵所在。在這些網關中不僅有必要實現(xiàn)云與連接設備間的智能數據收集與傳播，而且要執(zhí)行邊緣計算功能。在很多 IoT 應用案例中，數據可能與位置有關，而且只在短時間內有意義。很多情況受到應用時延的制約，必須使用分布式數據處理。邊緣計算和本地存儲可能是 IoT 網關滿足低時延要求的關鍵。網關中還需要相應的系統(tǒng)功能來保護到連接設備和云的鏈路。

　　除了解決關鍵系統(tǒng)問題以外，IoT 網關還可作為測試平臺，針對 IoT 的最新應用方式和用例運行試驗項目。無需等待最佳解決方案或完整生態(tài)系統(tǒng)的形成，運營商可使用測試平臺與供應鏈密切合作以定義系統(tǒng)要求。經過明確定義的合理試驗案例研究以及相關業(yè)務結論有助于為最佳解決方案的形成和網絡演進提供指導，從而將 IoT 的潛在營收實現(xiàn)最大化。具備充足計算的 IoT 網關還可促進建立開源行業(yè)標準應用開發(fā)框架和開發(fā)社區(qū)。此外，對寬帶 LTE 無線電的支持能強化有些應用方式下——例如用智能手機控制智能住宅或車輛和乘客移動寬帶連接——的綜合服務水平。

　　圖2：賽靈思 Zynq UltraScale+ MPSoC All Programmable 平臺作為集成 IoT 網關

　　全可編程 FPGA 和 SoC 提供很好的解決方案來滿足 IoT 網關和 IoT 測試平臺的嚴格要求，憑借固有的靈活性針對不斷演進的標準進行調整，執(zhí)行邊緣計算，并保護鏈路，以根據需求例化不同的無線電資源。圖 2 展示了靈活可編程 IoT 網關的概念方框圖，利用賽靈思 16nm Zynq UltraScale+？ MPSoC 平臺構建。賽靈思 Zynq UltraScale+ 平臺具有運行頻率達 1.5GHz 的四核 ARM？ Cortex-A53，一個雙核 ARM Cortex-R5 實時處理單元，集成外設與連接內核，以及內置的高級保密性、安全性和可靠性功能。它具有豐富的可編程架構來容納多種無線電技術以及回程和本地存儲連接。賽靈思基帶、無線電、基礎 DSP 以及連接 IP 可與豐富的 ARM 軟件生態(tài)系統(tǒng)一起使用，以構建靈活、可擴展的 IoT 網關應用開發(fā)框架。憑借固有靈活性和可編程性，F(xiàn)PGA 架構可方便地升級到無線電系統(tǒng)，且不受集成處理器上的應用協(xié)議棧制約。在此種平臺上實現(xiàn)標準化、促進建立開源行業(yè)標準應用開發(fā)框架以及運行試驗案例研究都是啟動新型 IoT 服務的開發(fā)與部署工作的重要步驟。