5G時(shí)代的三個(gè)兄弟：LTE、LTE-U、NB-IOT

　　什么是LTE-U

　　LTE-U(unlicensed)非授權(quán)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(hào)，不能通訊了。而LET-U可以達(dá)到300~500米(類似3G時(shí)代曾經(jīng)推過的“城域網(wǎng)”)。ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療)這三個(gè)領(lǐng)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(gè)頻段。

　　為什么需要LTE-U

　　標(biāo)準(zhǔn)的LTE技術(shù)只能部署在授權(quán)頻譜，不能直接部署在非授權(quán)頻譜。隨著LTE技術(shù)和應(yīng)用的逐步成熟，授權(quán)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(quán)頻譜分流一部分到非授權(quán)頻譜。經(jīng)過運(yùn)營商、設(shè)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(quán)頻譜的主流技術(shù)是：LTE-U、LAA(Licensed Assisted Access)、LWA和MulteFire。

　　圖 聚合授權(quán)頻譜和非授權(quán)頻譜的主流技術(shù)

　　2 LTE-U的優(yōu)勢

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

　　采用LTE-U技術(shù)，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(shù)，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(yàn)。LTE-U可以將授權(quán)頻段作為主載波，終端跟基站可以在授權(quán)頻段上建立無線資源控制連接，通過載波感知獲取當(dāng)前空閑的非授權(quán)頻段資源，實(shí)現(xiàn)授權(quán)頻段和非授權(quán)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(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動(dòng)，只需要對(duì)基站進(jìn)行升級(jí)，可以極大降低運(yùn)營商的投資成本。因?yàn)閷?duì)于運(yùn)營商來說，在未授權(quán)的頻譜上部署LTE，就可以在無需耗費(fèi)數(shù)十億美元競購授權(quán)頻譜的情況下增加網(wǎng)絡(luò)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(yàn)，也可以為運(yùn)營商在增加服務(wù)收入和降低客戶流失率兩方面帶來經(jīng)濟(jì)利益。

　　3 LTE-U與WIFI的共存問題

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

　　由于一些國家的監(jiān)管部門要求LTE-U技術(shù)需要包括一項(xiàng)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(qiáng)制實(shí)現(xiàn)LBT技術(shù)，因此最早在美國、中國等監(jiān)管部門沒有強(qiáng)制要求LBT的國家發(fā)展起來。

　　圖 LAA支持的LBT技術(shù)

　　對(duì)于參與有關(guān)LTE討論的運(yùn)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(quán)的頻段上共存。WIFI會(huì)在開始傳輸前對(duì)信道活動(dòng)進(jìn)行判斷和感知，如果發(fā)現(xiàn)信道被占用后就會(huì)自動(dòng)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(yīng)傳輸(Carrier Sensing Adaptive Transmission, CSAT)的算法，這是信道分時(shí)的一種形式。由于CSAT在傳輸之前不會(huì)對(duì)信道進(jìn)行偵聽和感應(yīng)，所以它可能會(huì)干擾WIFI的傳輸。

　　圖 LTE-U采用的CAST技術(shù)

　　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(guān)技術(shù)文檔。也就是說，LTE-U技術(shù)并不是由3GPP組織開發(fā)和演進(jìn)，這點(diǎn)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(yùn)營商對(duì)LTE-U持看好態(tài)度，但是在使用未授權(quán)頻譜的WIFI技術(shù)提供商看來，能否與LTE-U協(xié)議共存，仍有大量的擔(dān)憂和疑慮存在。WIFI技術(shù)是未授權(quán)頻譜一個(gè)相當(dāng)大的使用者，WIFI提供商擔(dān)心LTE將不會(huì)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(shù)，雙方將一段20MHz授權(quán)頻段單元和一段在5GHz未授權(quán)頻段上的20M頻段單元載波聚合在一起，在空口上實(shí)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(luò)連接技術(shù)。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(hù)帶或獨(dú)立載波三種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存，并且能夠直接部署在GSM、UMTS或LTE網(wǎng)絡(luò)，即2/3/4G的網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的復(fù)用，降低部署成本，實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。

　　移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)作為全球覆蓋范圍最大的網(wǎng)絡(luò)，其接入能力可謂得天獨(dú)厚，因此相較WiFi、藍(lán)牙、ZigBee等無線連接方式，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的NB-IoT連接技術(shù)的前景更加被看好，已經(jīng)逐漸作為開啟萬物互聯(lián)時(shí)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(quán)頻道。NB-IoT最大的特點(diǎn)，是傳輸距離達(dá)到驚人的10km，可以覆蓋一個(gè)小縣城。而且可以帶無數(shù)終端，一個(gè)基站可以帶20多萬個(gè)終端。這意味著，管理一個(gè)井蓋、停車收費(fèi)，都變得輕松，而且便宜。即使是200萬元建立一個(gè)基站，方圓10km都可以進(jìn)行管理。

　　當(dāng)然，由于NB-IoT屬于授權(quán)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(yùn)營商)，再進(jìn)入企業(yè)。

　　5G才能解決工業(yè)以太網(wǎng)

　　相對(duì)一般以太網(wǎng)而言，工業(yè)數(shù)據(jù)傳遞的實(shí)時(shí)性要求很高。工業(yè)以太網(wǎng)有QoS(服務(wù)質(zhì)量協(xié)議)，因此在傳遞實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的時(shí)候，不容易丟包。這是因?yàn)镼oS支持優(yōu)先級(jí)，能夠識(shí)別優(yōu)先發(fā)送級(jí)別，如自動(dòng)識(shí)別語音，還是郵件。語音的實(shí)時(shí)性要求很高，丟包會(huì)造成噪聲;而電視丟包，則會(huì)亂碼。這些都是不可接受的。實(shí)時(shí)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?yàn)闆]有QoS，除了語音有識(shí)別之外，可以說它就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的IT網(wǎng)絡(luò)。而5G則可以支持優(yōu)先級(jí)，例如設(shè)備狀態(tài)最優(yōu)先，而將一般的數(shù)據(jù)傳遞優(yōu)先級(jí)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(chǔ)。當(dāng)下40%的情況，基本上是有能力實(shí)施的(說100%還是有點(diǎn)夸張)。4G最多只能到450M，而5G 的LTE可達(dá)達(dá)到450M~800M

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

　　技術(shù)不能爛在手里

　　LTE是運(yùn)營商標(biāo)準(zhǔn)，不可能被允許進(jìn)入企業(yè)，因此不可能去建立一個(gè)iPhone7的基站。但既然5G標(biāo)準(zhǔn)和大規(guī)模布置尚待時(shí)日，這些已經(jīng)有些眉目的技術(shù)，不可能空轉(zhuǎn)吧。于是技術(shù)開始變形和演化，例如LTE就有了改進(jìn)版，華為就率先推出了所謂企業(yè)版LTE技術(shù)(eLTE)。

　　它有兩個(gè)頻段，一個(gè)頻段是800M(目前分配給聯(lián)通)，還有一個(gè)頻段900，是調(diào)頻的。這個(gè)波段，可以用來完成eLTE的載波頻點(diǎn)，也就是可以做企業(yè)端的應(yīng)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(jìn)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(jìn)入工業(yè)領(lǐng)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(quán)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(jìn)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(shè)備聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，成為智能工廠物聯(lián)網(wǎng)的新歡。

　　NB-IoT的技術(shù)發(fā)展史：

　　NB-IoT的特點(diǎn)

　　NB-IoT具有以下四大特點(diǎn)：

　　一、廣覆蓋。相比現(xiàn)有的GSM、寬帶LTE等網(wǎng)絡(luò)覆蓋增強(qiáng)了20dB，信號(hào)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(luò)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(fù)發(fā)送，獲得時(shí)間分集增益。

　　二、大連接。相比現(xiàn)有無線技術(shù)，同一基站下增多了50-100倍的接入數(shù)，每小區(qū)可以達(dá)到50K連接，真是實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)所必須的海量連接。其原理在于：1、基于時(shí)延不敏感的特點(diǎn)，采用話務(wù)模型，保存更多接入設(shè)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(shí)間內(nèi)均處在休眠態(tài)，并集成多種節(jié)電技術(shù)，待機(jī)時(shí)間可達(dá)10年。1、PSM低功耗模式，即在idle空閑態(tài)下增加PSM態(tài) ，相當(dāng)于關(guān)機(jī)，由定時(shí)器控制呼醒，耗能更低;2、eDRX擴(kuò)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(dòng)性的特點(diǎn)。1、低速率。多點(diǎn)上行速率僅為56kbps，理想下行速率為21.25kbps;2、低移動(dòng)性。僅支持終端設(shè)備在30km/h的移動(dòng)速率下實(shí)現(xiàn)小區(qū)切換，遠(yuǎn)低于4G支持250km/h的速率(高鐵專網(wǎng)可達(dá)450km/h)。

　　NB-IoT解決方案總體架構(gòu)

　　下圖展示了NB-IoT解決方案的總體架構(gòu)：

　　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(shí)現(xiàn)預(yù)定、轉(zhuǎn)租停車位等功能，低功耗和高穿透能力使得這個(gè)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(dòng)商用。

　　3、中興通訊/中國移動(dòng)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(shí)現(xiàn)及時(shí)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(hào)為MDM9206的物聯(lián)網(wǎng)芯片，支持Cat-M1和Cat-NB1標(biāo)準(zhǔn)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?qū)Ш叫l(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(shè)計(jì)，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(yīng)用關(guān)聯(lián)的核心指標(biāo)上都在業(yè)界處于領(lǐng)先水平。

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