物聯(lián)網(wǎng)的承諾：下一個重大應用

　　移動寬帶網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)技術(shù)的不斷演進對滿足不斷增長的連接和帶寬需求來說至關(guān)重要。同樣重要的是引入相應的功能和機制來通過網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)收，以維持持續(xù)投資?？紤]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(shù)，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(wǎng) （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(wǎng)絡(luò)中有數(shù)以百萬計的連接設(shè)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。快速興起的 IoT 生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)有了相關(guān)解決方案以構(gòu)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(wǎng)絡(luò)和服務。為了從這些 IoT 網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)。第二，專注于連接還不足以使 IoT 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)營收。需要通過全面的數(shù)據(jù)分析來處理從數(shù)以百萬計的連接設(shè)備中收集到的數(shù)據(jù)，以推動新的應用和用例開發(fā)。IoT 網(wǎng)絡(luò)安全性與可靠性是對物聯(lián)網(wǎng)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(shè)備間的智能數(shù)據(jù)收集/傳播、確保采用最新安全鏈路的可編程高靈活度 IoT 網(wǎng)關(guān)或集線器是解決這些問題的關(guān)鍵。

　　IoT 需要低功耗長距離通信、不對稱異步低數(shù)據(jù)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(shè)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(lǐng)域劃分為兩個大類：低能耗大規(guī)模機器通信和低時延關(guān)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(lǐng)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(wǎng)傳感器和致動器的網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)能夠為醫(yī)療、航運、農(nóng)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(chǎn)力和效率提升。連網(wǎng)的可穿戴設(shè)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(shè)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(guān)鍵要求。每 IoT 節(jié)點的典型數(shù)據(jù)速率為 100Kbps。

　　低時延機器通信包括：工業(yè) IoT、汽車、智能電網(wǎng)、交通安全以及應急響應服務。可靠性、彈性和低時延是該領(lǐng)域的重要組成部分。典型數(shù)據(jù)速率為：100Kbps-1Mbps。工業(yè) IoT 將讓移動寬帶網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)技術(shù)，例如 LoRa、SigFox、Ingenu、Starfish 和 Weightless。這些技術(shù)使用公共頻段。汽車領(lǐng)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(quán)頻譜中的 7 個 10MHz 通道。LTE 提供很好的框架，可協(xié)調(diào)專用技術(shù)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(quán)頻譜的標準化技術(shù)。

　　圖1：描述 IoT 網(wǎng)關(guān)在 IoT 網(wǎng)絡(luò)中作用的概念圖

　　如圖 1 所示，靈活可編程 IoT 網(wǎng)關(guān)或集線器分布在網(wǎng)絡(luò)中，可起到關(guān)鍵作用。為支持混合技術(shù)，IoT 網(wǎng)關(guān)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(diào)已有專用技術(shù)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(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)模經(jīng)濟以加強產(chǎn)品營收的關(guān)鍵所在。在這些網(wǎng)關(guān)中不僅有必要實現(xiàn)云與連接設(shè)備間的智能數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)可能與位置有關(guān)，而且只在短時間內(nèi)有意義。很多情況受到應用時延的制約，必須使用分布式數(shù)據(jù)處理。邊緣計算和本地存儲可能是 IoT 網(wǎng)關(guān)滿足低時延要求的關(guān)鍵。網(wǎng)關(guān)中還需要相應的系統(tǒng)功能來保護到連接設(shè)備和云的鏈路。

　　除了解決關(guān)鍵系統(tǒng)問題以外，IoT 網(wǎng)關(guān)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(jīng)過明確定義的合理試驗案例研究以及相關(guān)業(yè)務結(jié)論有助于為最佳解決方案的形成和網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)關(guān)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(wǎng)關(guān)

　　全可編程 FPGA 和 SoC 提供很好的解決方案來滿足 IoT 網(wǎng)關(guān)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(diào)整，執(zhí)行邊緣計算，并保護鏈路，以根據(jù)需求例化不同的無線電資源。圖 2 展示了靈活可編程 IoT 網(wǎng)關(guān)的概念方框圖，利用賽靈思 16nm Zynq UltraScale+？ MPSoC 平臺構(gòu)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(shè)與連接內(nèi)核，以及內(nèi)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(gòu)來容納多種無線電技術(shù)以及回程和本地存儲連接。賽靈思基帶、無線電、基礎(chǔ) 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(gòu)建靈活、可擴展的 IoT 網(wǎng)關(guān)應用開發(fā)框架。憑借固有靈活性和可編程性，F(xiàn)PGA 架構(gòu)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。