5G時代的三個兄弟：LTE、LTE-U、NB-IOT

　　什么是LTE-U

　　LTE-U(unlicensed)非授權頻道，注意這可是大家最熟悉的WiFi殺手。WiFi的路由器，一般只有30~50米;一般路由器到了100米，就只有信號，不能通訊了。而LET-U可以達到300~500米(類似3G時代曾經(jīng)推過的“城域網(wǎng)”)。ISM(工業(yè)、科學、醫(yī)療)這三個領域可以隨便用，主要頻段包括從5K、13.56M一直到2.4G和5.8G等多個頻段。

　　為什么需要LTE-U

　　標準的LTE技術只能部署在授權頻譜，不能直接部署在非授權頻譜。隨著LTE技術和應用的逐步成熟，授權頻譜中的數(shù)據(jù)流量越來越飽和，有必要考慮將流量從授權頻譜分流一部分到非授權頻譜。經(jīng)過運營商、設備商和芯片廠商等的共同努力，目前可以將LTE流量分流到非授權頻譜的主流技術是：LTE-U、LAA(Licensed Assisted Access)、LWA和MulteFire。

　　圖 聚合授權頻譜和非授權頻譜的主流技術

　　2 LTE-U的優(yōu)勢

　　最先開發(fā)出來的是LTE-U技術，LTE-U的全稱是LTE in Unlicensed spectrum，即非授權頻譜上的LTE。該技術將LTE部署到非授權頻譜，并采用標準LTE空口協(xié)議完成通信。

　　采用LTE-U技術，就可以利用集中調(diào)度、干擾協(xié)調(diào)、HARQ重傳、CA載波聚合等技術，可以獲得更好的魯棒性和頻譜效率，提供更大的覆蓋范圍和更好的用戶體驗。LTE-U可以將授權頻段作為主載波，終端跟基站可以在授權頻段上建立無線資源控制連接，通過載波感知獲取當前空閑的非授權頻段資源，實現(xiàn)授權頻段和非授權頻段的載波聚合，從而有效提升系統(tǒng)的性能和吞吐量，解決室內(nèi)數(shù)據(jù)流量的增長需求和頻譜匱乏問題。

　　LTE-U和LTE/LTE-A的差別只是工作在不同的頻段，可以使用現(xiàn)有的LTE部署，不需要對網(wǎng)絡結構進行改動，只需要對基站進行升級，可以極大降低運營商的投資成本。因為對于運營商來說，在未授權的頻譜上部署LTE，就可以在無需耗費數(shù)十億美元競購授權頻譜的情況下增加網(wǎng)絡容量。另外，容量的增加、更流暢的管理，為用戶提供的更好體驗，也可以為運營商在增加服務收入和降低客戶流失率兩方面帶來經(jīng)濟利益。

　　3 LTE-U與WIFI的共存問題

　　在公網(wǎng)中，LTE-U主要應用在2.4GHz和5GHz這兩種頻段，和現(xiàn)有的WIFI網(wǎng)絡工作在同一個頻段。

　　由于一些國家的監(jiān)管部門要求LTE-U技術需要包括一項防止LTE過多干擾WIFI的LBT功能(Listen Before Talk)，而LTE-U本身并不需要強制實現(xiàn)LBT技術，因此最早在美國、中國等監(jiān)管部門沒有強制要求LBT的國家發(fā)展起來。

　　圖 LAA支持的LBT技術

　　對于參與有關LTE討論的運營商和廠商來說，主要的挑戰(zhàn)就是證明LTE-U能夠與WIFI一起在未授權的頻段上共存。WIFI會在開始傳輸前對信道活動進行判斷和感知，如果發(fā)現(xiàn)信道被占用后就會自動退回，即ListenBefore Talk (LBT)，但LTE-U并不支持LBT。

　　LTE-U使用了一種被稱為載波偵聽自適應傳輸(Carrier Sensing Adaptive Transmission, CSAT)的算法，這是信道分時的一種形式。由于CSAT在傳輸之前不會對信道進行偵聽和感應，所以它可能會干擾WIFI的傳輸。

　　圖 LTE-U采用的CAST技術

　　4 LTE-U的發(fā)展

　　LTE-U方案在2013年正式提出，到了2014年，Verizon聯(lián)合阿爾卡特朗訊、愛立信、高通、三星成立了LTE-U論壇，基于3GPP的R12協(xié)議聯(lián)合開發(fā)相關技術文檔。也就是說，LTE-U技術并不是由3GPP組織開發(fā)和演進，這點不同于LAA，也是LTE-U的一大劣勢。

　　圖 LTE-U和LAA的區(qū)別

　　盡管像Verizon這樣的運營商對LTE-U持看好態(tài)度，但是在使用未授權頻譜的WIFI技術提供商看來，能否與LTE-U協(xié)議共存，仍有大量的擔憂和疑慮存在。WIFI技術是未授權頻譜一個相當大的使用者，WIFI提供商擔心LTE將不會采用WIFI使用的LBT(Listen Before Talk)協(xié)議來避免干擾。

　　2015年，愛立信和高通合作演示了LTE-U技術，雙方將一段20MHz授權頻段單元和一段在5GHz未授權頻段上的20M頻段單元載波聚合在一起，在空口上實現(xiàn)了300Mbps的下載峰值。

　　NBIoT是什么

　　NB-IoT，Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)，是一種專為萬物互聯(lián)打造的蜂窩網(wǎng)絡連接技術。顧名思義，NB-IoT所占用的帶寬很窄，只需約180KHz，而且其使用License頻段，可采取帶內(nèi)、保護帶或獨立載波三種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡共存，并且能夠直接部署在GSM、UMTS或LTE網(wǎng)絡，即2/3/4G的網(wǎng)絡上，實現(xiàn)現(xiàn)有網(wǎng)絡的復用，降低部署成本，實現(xiàn)平滑升級。

　　移動網(wǎng)絡作為全球覆蓋范圍最大的網(wǎng)絡，其接入能力可謂得天獨厚，因此相較WiFi、藍牙、ZigBee等無線連接方式，基于蜂窩網(wǎng)絡的NB-IoT連接技術的前景更加被看好，已經(jīng)逐漸作為開啟萬物互聯(lián)時代的鑰匙，而被商用到物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中。

　　呼聲最高的NB-IoT，仍然屬于授權頻道。NB-IoT最大的特點，是傳輸距離達到驚人的10km，可以覆蓋一個小縣城。而且可以帶無數(shù)終端，一個基站可以帶20多萬個終端。這意味著，管理一個井蓋、停車收費，都變得輕松，而且便宜。即使是200萬元建立一個基站，方圓10km都可以進行管理。

　　當然，由于NB-IoT屬于授權頻道，仍然不太可能在企業(yè)里用。所以NB-IoT也只能是先接入核心網(wǎng)(運營商)，再進入企業(yè)。

　　5G才能解決工業(yè)以太網(wǎng)

　　相對一般以太網(wǎng)而言，工業(yè)數(shù)據(jù)傳遞的實時性要求很高。工業(yè)以太網(wǎng)有QoS(服務質量協(xié)議)，因此在傳遞實時數(shù)據(jù)的時候，不容易丟包。這是因為QoS支持優(yōu)先級，能夠識別優(yōu)先發(fā)送級別，如自動識別語音，還是郵件。語音的實時性要求很高，丟包會造成噪聲;而電視丟包，則會亂碼。這些都是不可接受的。實時視頻必須要有QoS，而圖像往往是帶寬消耗最大的內(nèi)容傳輸。

　　4G為什么不能用在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)上，因為沒有QoS，除了語音有識別之外，可以說它就是一個標準的IT網(wǎng)絡。而5G則可以支持優(yōu)先級，例如設備狀態(tài)最優(yōu)先，而將一般的數(shù)據(jù)傳遞優(yōu)先級放在最后。

　　所以值得期待的是，5G才是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎。當下40%的情況，基本上是有能力實施的(說100%還是有點夸張)。4G最多只能到450M，而5G 的LTE可達達到450M~800M

　　更重要的是，選擇性大幅度增加。就技術流派而言，4G時代的技術主要是高通，盆滿缽滿;而在5G時代，華為、思科、西門子等都有各自的技術。這次，工業(yè)可以有更多的選擇了。

　　技術不能爛在手里

　　LTE是運營商標準，不可能被允許進入企業(yè)，因此不可能去建立一個iPhone7的基站。但既然5G標準和大規(guī)模布置尚待時日，這些已經(jīng)有些眉目的技術，不可能空轉吧。于是技術開始變形和演化，例如LTE就有了改進版，華為就率先推出了所謂企業(yè)版LTE技術(eLTE)。

　　它有兩個頻段，一個頻段是800M(目前分配給聯(lián)通)，還有一個頻段900，是調(diào)頻的。這個波段，可以用來完成eLTE的載波頻點，也就是可以做企業(yè)端的應用了。

　　基于同樣的考量，eLTE-IoT正是NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)的一種變通方式。這樣就可以進入工廠，成為智能制造的物聯(lián)網(wǎng)基石。重要的是，eLTE-IoT有著更加低廉的成本，因此eLTE-IoT率先進入工業(yè)領域。

　　eLTE-IoT自身突出的特征(功耗小、終端多、距離長)，因此成為工業(yè)園區(qū)的最佳5G先頭陣地之一。eLTE-IoT作為非授權頻道，20萬帶寬，功率很小，不超過200mw功率。因此園區(qū)建立這種基站，也相互不影響

　　目前eLTE-IoT已經(jīng)開始逐漸進入工廠，成為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)最佳的傳遞手段。它將有效地替代RFID、設備聯(lián)網(wǎng)等領域，成為智能工廠物聯(lián)網(wǎng)的新歡。

　　NB-IoT的技術發(fā)展史：

　　NB-IoT的特點

　　NB-IoT具有以下四大特點：

　　一、廣覆蓋。相比現(xiàn)有的GSM、寬帶LTE等網(wǎng)絡覆蓋增強了20dB，信號的傳輸覆蓋范圍更大(GSM基站目前理想狀況下能覆蓋35km)，能覆蓋到深層地下GSM網(wǎng)絡無法覆蓋到的地方。其原理主要依靠：1、縮小帶寬，提升功率譜密度;2、重復發(fā)送，獲得時間分集增益。

　　二、大連接。相比現(xiàn)有無線技術，同一基站下增多了50-100倍的接入數(shù)，每小區(qū)可以達到50K連接，真是實現(xiàn)萬物互聯(lián)所必須的海量連接。其原理在于：1、基于時延不敏感的特點，采用話務模型，保存更多接入設備的上下文，在休眠態(tài)和激活態(tài)之間切換;2、窄帶物聯(lián)網(wǎng)的上行調(diào)度顆粒小，資源利用率更高;3、減少空口信令交互，提升頻譜密度。

　　三、低功耗。終端在99%的時間內(nèi)均處在休眠態(tài)，并集成多種節(jié)電技術，待機時間可達10年。1、PSM低功耗模式，即在idle空閑態(tài)下增加PSM態(tài) ，相當于關機，由定時器控制呼醒，耗能更低;2、eDRX擴展的非連續(xù)接收省電模式，采用更長的尋呼周期，eDRX是DRX耗電量的1/16。

　　四、低成本。硬件可剪裁，軟件按需簡化，確保了NB-IoT的成本低廉，NB-IoT通信單模塊成本不足5美元。

　　NB-IoT因其適用的場景，還具有低速率和低移動性的特點。1、低速率。多點上行速率僅為56kbps，理想下行速率為21.25kbps;2、低移動性。僅支持終端設備在30km/h的移動速率下實現(xiàn)小區(qū)切換，遠低于4G支持250km/h的速率(高鐵專網(wǎng)可達450km/h)。

　　NB-IoT解決方案總體架構

　　下圖展示了NB-IoT解決方案的總體架構：

　　NB-IoT發(fā)展現(xiàn)狀

　　下圖展示了NB-IoT生態(tài)圈的概況：

　　NB-IoT目前試商用以及商用舉例：

　　1、華為/中國聯(lián)通的NB-IoT智能停車解決方案：基于華為NB-IoT模塊推出的這套智能停車系統(tǒng)將能實現(xiàn)預定、轉租停車位等功能，低功耗和高穿透能力使得這個方案更具可靠性。目前該停車系統(tǒng)已經(jīng)在上海迪士尼試商用。

　　2、2017年7月13日，ofo小黃車與中國電信、華為共同宣布，三家聯(lián)合研發(fā)的NB-IoT“物聯(lián)網(wǎng)智能鎖”全面啟動商用。

　　3、中興通訊/中國移動的智能井蓋：該方案通過全方位監(jiān)管井蓋狀態(tài)，在井蓋被打開、移位等情況下，可實現(xiàn)及時警告。

　　NB-IoT芯片開發(fā)方面：

　　1、華為作為國內(nèi)最大的NB-IoT芯片原廠，推出了Boudica 120/Hi2110物聯(lián)網(wǎng)芯片，搭載Huawei LiteOS嵌入式物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng).

　　2、美國高通公司推出了型號為MDM9206的物聯(lián)網(wǎng)芯片，支持Cat-M1和Cat-NB1標準的全球所有頻段，具備GSM/NB-IoT/eMTC多模支持，還支持GPS、格納洛斯、北斗、伽利略全球導航衛(wèi)星定位。

　　3、中興微電子研發(fā)了RoseFinch 7100(又名“朱雀”)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)芯片，專為低功耗物聯(lián)網(wǎng)設計，在睡眠功耗、截止電壓和外圍借口數(shù)量等和物聯(lián)網(wǎng)應用關聯(lián)的核心指標上都在業(yè)界處于領先水平。

　　4、英特爾推出的XMM 7X15系列物聯(lián)網(wǎng)芯片。