利用5G的竞争性网络开始崭露头角:5G时代哪种无线技术将登上王座

2019年10月21日 作者:Teardown

第一版5G标准发布时着实吸引了人们的眼球,它之所以成为头条新闻,一部分是因为这是一种相对罕见的全新标准,另一部分则是因为这个复杂的5G标准对行业和用户实在意义重大。

由第三代合作伙伴计划(3GPP)开发的5G标准包含欧洲电信标准协会(ETSI)和中国通信标准协会(CCSA)提交的标准,它引入了新空口。爱立信集团首席技术官Erik Ekudden解释说,第一版5G标准的关键重点是定义新空口。在这种背景下,3GPP没有引入新的调制和编码方案,而是以物联网和互联环境作为目标应用。

“这次的主要关注点是它的灵活性,它需要支持各种不同功能,不同的部署方式和频率范围从1GHz以下到毫米波频段的频率分布。”他在一篇文章中写道。

新空口标准的引入将使得超可靠低延迟通信(URLLC)成为可能,波束成形和能效问题也将得以解决,从而能够支持连接和机器智能的数据容量显著增长,这将是5G的预期用武之地。

智能网络

在未来的互联世界,家庭、工作场所、城市都将变得智能,其场景无法一刀切。例如,自动驾驶汽车将处理来自多个地方的大量数据,而建筑物内的智能仪表或传感器网络就不必处理如此繁重的数据量。

这些任务中将使用低功耗广域网(LPWAN),其中包括窄带物联网(NB-IoT)和长距离广域网络(LoRa)。这两种都是低功耗标准,其中,NB-IoT标准由3GPP组织制定,LoRa则是基于Semtech的LoRa IP,目前由LoRa联盟主导。

Semtech LoRa云服务高级总监Richard Landsdowne解释说,支持LoRa的芯片充当了物理层,而LoRaWAN是定义产品的协议标准。他说:“标准很简单,而且足够小,因此可以应用在最简单、功耗最低的设备上。”这个网络在无需许可的1GHz以下工业、科学和医学(ISM)频段上运行,运营商和设备制造商可以免费试用这个频谱。

它的原理基于一种简单的能量技术:手机的信号越差,手机电池消耗的电量就越多。因此,可以通过控制通信范围和数据传输速率控制功耗。LPWAN可以通过降低发送速度来提高数据发送距离。LoRaWAN的数据传输速率约为293bit/s至50kbit/s,具体的速率取决于传感器与网关之间的距离。 NB-IoT的通信速率约为250kbit/s。

可流动性

Landsdowne继续说,LPWAN改善了网络之间的流动性。

“在GSM(全球移动通信系统)成员运营的蜂窝系统中,用户从一个地方到了另一个地方,就必须连接到相应的蜂窝网络上。LoRaWAN和蜂窝系统不同,它采用一对一的运营方式,可以提高设备在不同网络运营商之间的流动性。对于蜂窝网络来说,不同的运营商分配的是不同的频段,不同的地区使用不同的频率和信道,所以未经允许,你无法转网。而LoRaWAN运营在免许可的频段上,所以你可以构建自己的网络。”

因此,LoRaWAN可以安装在室内和室外的公共、私有或混合网络中。Landsdowne将它的安装类比为添加一个WiFi热点。在开放性的环境中,每个网关的LoRaWAN信号可以覆盖30英里(48公里),当传输功率为10dBm时,电流消耗为18毫安,20dBm时为84毫安,所以它可以用在通过纽扣电池供电的设备中。NB-IoT传感器在传输功率为23dBm时消耗电流220毫安,在13dBm时消耗100毫安。

市政府可以使用LoRaWAN创建智慧城市网络。Landsdowne举了一个目前处于起步阶段的项目的例子-垃圾收集。在垃圾箱中部署传感器,当垃圾箱已满时它会通知人来收垃圾。还有一个可以保持较长电池寿命的例子是智能停车应用。据估计,现在道路上有15%的交通流量都是汽车在寻找停车位置。停车位上部署传感器,它通过LoRaWAN和在智能手机上安装的预定停车应用链接,这种方式可以帮助减少交通堵塞和排放污染。

LandRasdowne解释说,LoRaWAN是针对物联网从头开始构建的一种标准,修订版1.01和1.02添加了连接服务器的功能。LoRa设备可以通过发送请求申请加入一个服务器网络。他开玩笑说:“整个LoRa标准里都是休眠状态。”设备假定某人或某物正在监听入网请求,并发送加入请求。

一旦接收到安全日志,它将返回休眠状态。和那种每个小时就要发送“签到”信号的设备相比,它不需要每个小时都醒来一次,这将有助于降低功耗。

设备可能会在现场使用一二十年时间,因此需要进行升级。设备的维护或服务升级可能会消耗较大的设备成本和人力成本。 Landsdowne认为,空中软件更新是一种标准化且经济高效的升级方式。他补充说,以后的标准将允许人们连接多个网络或服务并进行更新。

NB-IoT

LoRa像Wi-Fi一样,都是采用开放性的频率。但是,NB-IoT则基于英特尔的NB-LTE技术以及电信巨头华为、诺基亚和爱立信的技术。用户需要从授权成员处购买连接或捆绑服务,以覆盖指定区域。

使用LTE蜂窝基础架构,将NB-IoT的应用限制在了室外,而且只能建立始终保持同步连接的室外公共网络。

TUV SUD电信集团英国区负责人Phil Evans说,NB-IoT专为机器连接而设计,并专注于工业4.0应用。该集团在运输、医疗和制造业等各个行业提供测试服务、产品认证和资格认定。它部署在LTE频谱内,可以使用常规LTE载波内的频率资源块,也可以使用无线电频带之间的保护带中未使用的频率。保护带是为了防止在同时传输时设备间发生干扰。

根据罗德与施瓦茨物联网市场部经理Feng Xie的说法,第13版的3GPP标准将致力于解决机器通信的标准问题,并开发和定义功能特性。他在一个教程中透露,第14版的3GPP标准定义了最大传输功率,而在第15版中,将引入唤醒信号和早期数据传输,以解决物联网设备的功耗问题。

这个标准需要200kHz带宽,因此可以在现有蜂窝网络的旁边运行,从而可以受益于蜂窝网络的安全性和隐私功能。同时,它还能继承LTE的安全措施,比如,从2G、3G和4G网络获得SIM卡和嵌入式安全性。

从阿姆斯特丹的自行车跟踪到韩国电信运营商提供的智能城市配套服务,LoRaWAN的例子已经开始遍布全球。LoRa联盟报告说,在全球49个国家和地区,已经有83个公共网络在运营。尽管Landsdowne报告说,在英国有一些小型的私有LoRaWAN,而且苏格兰国家执行官已经批准LoRaWAN可以用于苏格兰所有公共服务和医院,但是它在英国的采用却很缓慢。

根据GSM联盟的数据,在不久的将来,预计将有40个国家和地区使用NB-IoT网络。

人们对未来五年内将安装多少个NB-IoT和LoRaWAN设备的估计的差异很大,估计值从大约130亿到超过750亿不等。预计安装数量虽然存在争议,但是人们已经就物联网将继续增长,而且5G技术将助力物联网的增长达成了一致共识。影响边缘、云和数据中心的新产品和服务正在不断开发中。尽管NB-IoT和LoRaWAN将继续展开争夺,但对于运营商和消费者而言,可在全球扩展的方案有可能会获得最大的成功。

 

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