4G、5G难配物联网 hold不住也得死撑

简介:

物联网是决定未来经济的关键技术。无所不在的万物互联终将成为现实。然而,无所不在的物联网覆盖,并没有那么容易实现。

ZigBee/6LoWPAN或IEEE 802.11ah等物联网技术,仅适于短距离物联网覆盖,且无法保证可靠的网络协调控制。卫星通信的成本让人望而却步,能耗高,且无法抵达室内。

时代在召唤,蜂窝网络潇洒走过来。

物联网娇躯一震,勾搭上了已覆盖全球的2/3/4G网络,跟他在一起可以至少少奋斗十年。

2/3/4G网络就像富一代,成熟稳重,温柔多金,还特有安全感。它网络覆盖广,分布密集,有可靠的网络协调控制,不仅能保证物联网的安全性和有效性,且易于规划、管理和监控。物联网可直接接入现成的基站里,拎包入住,圆你一个别墅梦。

为了配合物联网之娇躯乱颠,2/3/4G网络开始内外兼修,重振雄风。它增强覆盖,降低功耗,减少设备复杂性,降低时延,最小化每Bit成本。

毕竟隔了几代,力不从心的时候也是有的。

GSM容量有限,无法满足大量设备同时接入。富一代很拼,它减小信令开销,控制过载,收紧资源粒度,扩大覆盖范围,但是,这终究只是权宜之计,如补充雄性荷尔蒙,不是面向未来的根本之路,日子还长呢。GSM的功耗和接入时延让物联网领悟到了初夜的遗憾。

至于3G(UMTS),工作频段更高,覆盖范围小,室内覆盖差,同时,UMTS模块比GSM模块贵的多。Pass!

希望在LTE上?

梦寐易忘,初心难改。

LTE是为数据洪流而设计,一开始并没有考虑物联网需求。

讲真,每次听说LTE要熊抱物联网,我就觉得它在死撑。

LTE网络的特点是:设备少、流量大。少量的设备较之于海量的数据流量,信令流量几乎可以忽略不计。

物联网的特点是:设备多、流量小。海量的设备较之于零星的数据包,信令流量大爆发,引起网络瘫痪也不是不可能的。

与物联网在一起的LTE面对许多现实的挑战,包括控制开销、能效、覆盖增强、鲁棒性、安全和可扩展性等。

最担心的是,物联网业务和传统语音、数据业务共存,当大规模物联网设备接入时,如何避免对传统业务的影响?

LTE的随机接入过程(RACH)首先被摆上台面。

当UE(手机)要和基站(eNodeB)建立数据连接时,为了和网络建立同步,由UE触发随机接入过程。RACH由一系列时-频资源组成,称为RA时隙。UE在RA时隙里使用前导序列向eNodeB发送接入请求。

LTE随机接入过程有两种类型:非竞争的随机接入和竞争的随机接入。每个LTE小区有64个前导序列,分别用于非竞争和竞争的随机接入。

非竞争的随机接入由网络控制,能避免冲突,减小接入时延,保障接入成功率,比如在切换场景中。这不影响物联网业务。

影响物联网业务的是基于竞争的随机接入过程。

(1) 前导序列传输(Message1)

(2) 随机接入响应(Message2)

(3) Message3发送 (RRC Connection Request)

(4) 冲突解决消息(Message4)

在基于竞争的随机接入过程中,会发生两次冲突。

第一次冲突:

Message 1:UE随机发送前导序列,请求接入。由于前导序列正交,同一RA时隙允许多个UE使用不同的前导序列。在这种情况下, eNodeB可解码请求。

如果两个或两个以上的UE使用相同的前导序列,冲突就会发生,导致eNodeB无法检测到请求。

当然,即使是多台UE使用相同的前导序列,因为接收信号强度不同,eNodeB也可能能检测到请求。但是,这会导致eNodeB向多个UE发送相同的Message2(随机接入响应),从而将在Message 3处引发第二次冲突。

第二次冲突:

如果不同的UE收到相同的Message2,那么它们会获得相同的上行资源,同时发送Message3,此时,第二次冲突发生。

随机接入过程成为LTE熊抱物联网的第一道挑战,因为当大量物联网设备同时尝试接入基站时(比如发生地震时,某地区的所有地震监测器同时发出告警),会出现信令尖峰,从而引起PRACH过载,接入竞争可能性增加,接入时延和接入失败率上升。

尽管,为了减小PRACH负荷,我们可以在每一帧里增加接入调度,不过,这会减少数据传输资源,导致上行信道数据传输容量吃紧。

还有,LTE帧中分配RA时隙有限。同时,PRACH前导序列采用的Zadoff -Chu序列处理,受限于物联网设备的计算能力。

总之,LTE难以应付大规模物联网设备接入,其引发的接入时延和接入失败问题会影响传统数据(和语音)业务,当然,这本身也会影响物联网业务。

鱼和熊掌不能兼得。

解决的办法也是有的。

比如对人和物的接入请求进行分离,主要包括3种:强制分离机制,软分离机制和混合分离机制。强制分离将人和物的接入请求完美隔离。软分离是指人和物共享资源池,但具有不同的接入可能性。混合分离是前面两者的混合。

比如Fast Adaptive Slotted Aloha技术,利用连续空闲或冲突时隙来估算网络中激活的物联网设备数量(网络状态),并迅速更新物联网设备的传输可能性,从而减小接入时延。

比如分簇机制,在某个小区内随机分布着物联网设备,将物联网设备分成多个簇,每一个簇里选出一个协调器(Coordinator),这个协调器是簇 中唯一和基站直接通信的设备,并作为簇内其它设备与基站通信的中继节点。这不但限制了同时接入基站的设备数量,而且降低了整个系统的功耗。

但是,所有的办法“仅供研究和测试”,LTE和物联网要水乳相融走向商用,还有很多工作要做。同时,物联网应用场景包罗万象,它对网络的灵活性要求更高,怎么设计,怎么优化,如何才能不影响运营商的传统业务(毕竟那里有更高的ARPU),都是摆在现实道路上难题。

那么,5G hold得住物联网吗?

massive MIMO, 异构网络, 毫米波(mmWave),SDN/NFV,通常被认为5G的几大关键技术。这些关键技术能适应物联网需求吗?

Massive MIMO

Massive MIMO通过在基站侧部署多于小区终端数量的天线阵列,利用空间分集来提升频谱效率,这一特点使基站可以同时接受多路传输,看起来非常适合于大规模的物联网设备接入。问题是,大规模的物联网设备接入需要在基站侧部署多少天线?技术上能突破吗?

异构网络

我们说未来的网络是异构网络,网络内部署很多small cells来解决网络容量需求。

然而,这是为了解决容量,提升网速。对于物联网,关键不是网络速率,而是覆盖,是可靠的和无所不在的连接,这和small cells解决热点容量问题是背道而驰的。

人和物的需求场景完全不同。比如,乡村的高速公路,是物联网的关键覆盖区域,但并不是数据流量密集区域。人与物在覆盖上没有一致性,这对于运营商在 投资上并无经济性可言。即使是在物联网设备密集区域,物联网业务带来的ARPU值也远远低于传统业务,如果考虑投资回报,运营商绝不愿意为了物联网部署 small cells。

毫米波(mmWave)

毫米波以其宽广的频谱资源向5G展示了无法抗拒的魅力。毫米波的特点是:速率快、覆盖距离短和功耗大。这三个特点和物联网需求完全相反,物联网的特点是:速率低、覆盖距离

毫米波以其宽广的频谱资源向5G展示了无法抗拒的魅力。毫米波的特点是:速率快、覆盖距离短和功耗大。这三个特点和物联网需求完全相反,物联网的特点是:速率低、覆盖距离远和功耗足够低。

SDN/NFV

软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)将物理网络变得更抽象,利于网络资源灵活管理和支持不同类型的业务。SDN/NFV根据不同的业务提供不同的数据流,且能动态调度已被虚拟化的网元功能,这对物联网是极好的。

一方面,SDN可以将人与物业务分离,同时保障分离的逻辑网络的QoS,能有效利用网络资源,减轻大规模物联网设备接入带来的网络问题。

另一方面,利用NFV可以根据流量需求对网络结构进行动态管理。比如,NFV可以随时根据流量需求,对某区域的网元进行功能“变形”,它可以是一个物联网数据收集中心,也可以是用于扩展覆盖的中继,或者变回基站,以应对临时的接入请求高峰。

事实上,SDN/NFV让我们看到了未来“无限容量”网络的可能。

但是,SDN/NFV将带来网络结构颠覆性的改变,甚至是对整个产业链的颠覆。设备商去推动虚拟化犹如自断手臂,左右手互搏。即使运营商,决心有多大也是个未知数。


原文发布时间为:2016年8月23日

本文作者:网优雇佣军

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