《蜂窝物联网部署研究及其在5G网络下的关键技术》-工学论文，通信论文-论文范文参考-科学狗论文网

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蜂窝物联网部署研究及其在5G网络下的关键技术

范文

王浩年王家旭刘冰婷

【摘要】? ? 随着智能城市、大数据时代的到来，无线通信将连接万物。伴随着5G技术的发展与5G网络的大规模部署，“万物互联”的时代也即将来临。蜂窝物联网（cellular Internet of things）主要接入方式为蜂窝通信网络，是物联网的重要组成，包括现已广泛商用的基于2G、3G、4G的物联网，以及正在部署商用的窄带物联网（NB-IoT，narrow band IoT）和增强机器类通信（eMTC，enhanced machine-type communication）。

【关键词】? ? 蜂窝物联网? ? eMTC? ? NB-IoT? 5G

序言

蜂窝网络（Cellular network）经过多年的发展与建设，现在已经成为各国移动通信网络架构的基础，其特点是覆盖范围广泛，通信安全可靠性高。

根据高通公司的预测，预计到2025年，全球物联网连接数量将突破50亿。从可穿戴智能设备到智能抄表、从远程医疗到车联网，物联网将涵盖智慧城市、智慧交通、智慧农业、智慧医疗等生活的方方面面。海量的智能终端设备将会接入网络，而蜂窝网络将成为物联网的主要承载网络。

一、蜂窝物联网技术现状

蜂窝物联网的网络结构包括物联网终端、网络、控制平台和应用等四个层面，与传统物联网体系架构保持一致，如图2.1所示。

终端是指能够通过无线方式接入到蜂窝网络的各种无线物联网设备，比如车载联网设备、小型化的无人飞机、智能医疗装置设备、工业使用智能机器人、无线监控设备、可穿戴设备等等。

网络是指2G、3G、4G、5G等蜂窝网以及其他接入网。

平台是指移动、联通、电信、广电的运营商网络平台，以及其他可以提供物联网服务的网络平台。

应用是指各种使用物联网技术的软件应用程序，例如“智慧城市”、“智慧交通”、“智慧医疗”、“智慧家庭”、“智能电网”等领域。

二、蜂窝物联网部署方案

根据NB-IoT和eMTC的新特性以及现网能力制定部署方案，同时也要考虑未来网络、技术、功能的演进需求。NB-IoT网络对LTE的部分功能进行了简化，在接入、传输、优化、服务等方面增加了新的功能;相比eMTC网络不但没有把LTE网络功能进行削减，而且还在功率、协议、服务等方面新增了部分功能。对于已商用的2G、3G、4G的 IOT网络已经在核心网部署了与蜂窝物联网相关的网元，同时也部署了本地位置的寄存器、HSS及PGW等节点。

NB-IoT、eMTC和LTE-4G的主要技术特征及典型应用场景如表1所示。

2.1 现网升级方案

根据NB-IoT与eMTC不同的技术特性，只需要升级核心网，即可快速完成蜂窝物联网的相关业务需求部署。首先，需要部署的有计费策略、PGW、HSS、核心网功能以及原有网络的升级等。其次，在LTE核心网中部署新的MME和SGW网元功能，供用户升级。

2.2 独立部署方案

NB-IoT的架构和功能更适合新建数据通信网络，新建数据通信网络不会对现有LTE网络业务造成影响，与此同时可以使用开放更多的新应用、新业务、新能力。新建数据通信网络既可以使用传统设备，也可以实施网络功能的虚拟化。

虚拟化MME （vMME）和虚拟化SGW（vSGW）以解耦模式部署，其更适合后续演进。

2.3 演进方案

根据现网情况对上述2种方案进行选择。在蜂窝物联网面向5G网络的演进升级过程中可从下面3个阶段进行考虑：

第一，对于部分业务领域，尤其是对于有NFV运营经验的领域，使用虚拟化技术，能够实现设备的软硬件解耦，从而构建虚拟化MME和虚拟化SGW，C-SGN则可通过虚拟化来实现。

第二，以NFV为基础，完成其与LTE网络、5G网络等虚拟化基础网络的共享，以网络切片（Network Slicing）的方式部署逻辑上独立、隔离的蜂窝式物联网核心网络，并提供开放的网络能力，进而实现可基于业务特点对蜂窝物联网切片的架构进行调整的能力。

第三，运用大数据的分析及相关工具，引入AI智能技术（AI，Artificial Intelligence），实现网络自部署、业务自生成、二者同步优化的智能化、开源、开放的蜂窝物联网创新与服务平台。

物联网的发展离不开长久以来开放的网络架构，各种新技术的不断引入也使物联网迅速演进。蜂窝物联网向5G网络的技术演进，同样离不开关键技术的快速应用。以下将分析在5G网络下蜂窝物联网的一些关键技术。

三、5G 蜂窝物联网关键技术

3.1 网络架构

随着物联网接入方式的多样化，以及云计算、雾计算、边缘计算等技术的发展，基于5G网络下的蜂窝物联网的架构也逐渐明晰。

网络架构分离了边缘资源层及传输层，解耦了服务管理层及应用层，如图2所示。

3.2 NFV

NFV（即网络功能虚拟化，Network Functions Virtualization）可将传统的CT业务部署至云平台上，从而实现软硬件解耦合。云平台可以承载CT与IT应用。

在蜂窝物联网中，NFV作为虚拟体系结构的一部分，与VNF和MANO两部分并行。在NFVI中，将COTS硬件资源池通过虚拟化层的映射转化为不同业务需求的虚拟资源后，再利用虚拟机、容器等软件最终生成vC-SGN。MANO负责网络服务安排、资源管理、VNF生命周期管理、性能和故障管理。

3.3 SDN

SDN（软件定义网络，Software Defined Network），为了达到流量灵活有效控制，通过把网络设备的控制面同数据面进行分离，让网络变成更加智能的管道，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。

在蜂窝物联网中，SDN技术为回程网络的传输控制提供了支持。SDN技术通过接入5G核心网，与AMF、PCF、SMF等功能单元协同，实现转发面端到端的流量控制。

3.4 MEC

MEC（即边缘云，Multi-access Edge Computing）作为5G的关键技术，将计算和存储能力下沉到更贴近用户业务的位置，物联网终端除了通信和数据采集之外的其他功能都可以转移到边缘云平台上实现。

同时，利用5G网络的大传输管道带宽能力，将相关数据及时传输到MEC进行相应处理。由于应用向上转移到了边缘云平台，网络就可以通过更为强大的数据处理能力使应用部署的更为快速、灵活，这都将成为未来5G蜂窝物联网应用的一个应用方向。

四、结语

本文在分析了蜂窝物联网网络架构的基础上，分析了蜂窝物联网的部署方案及技术特征，以及技术演进的方向。结合5G网络的技术特点，分析了蜂窝物联网在5G网络下的关键技术，为未来5G网络下的蜂窩物联网提供了技术参考。

参? 考? 文? 献

[1]3GPP.RevisedWorkItem：NarrowbandIoT（NB-IoT）：3GPPRP-152284[S].3GPP，2015

[2]孙彪，移动运营商NB-IoT 部署策略探讨，移动通信，2016，40（ 23）： 11-16.

[3]张旭，浅谈物联网形势下的5G 技术发展，科技创新导报，2018，15（29）：112.

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