移動物聯網形成超過移動電話用戶的超大鏈接規模，其背后支撐的通信網絡顯得尤為重要，移動物聯網用戶數從零增長到(dao)超過16億，也是移動(dong)物(wu)聯網通信技術不斷(duan)變遷的過程。
近(jin)日(ri)，工信部(bu)發布的最(zui)新(xin)數(shu)據(ju)顯示(shi)，截至8月底，三家(jia)基礎電(dian)信企業(ye)發展移動物聯(lian)網終端用戶(hu)16.98億戶(hu)，超過(guo)移動電(dian)話(hua)用戶(hu)16.78億戶(hu)，我國正(zheng)式進入“物超人”時代。
根據工信(xin)部(bu)定義，移動(dong)物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)是以蜂窩移動(dong)通(tong)信(xin)技術(shu)和網(wang)絡為載體，通(tong)過多網(wang)協同(tong)實(shi)現泛(fan)在連接、萬物(wu)(wu)互聯(lian)的(de)(de)數字信(xin)息(xi)基礎設施。那么移動(dong)物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)形成超過移動(dong)電話(hua)用戶的(de)(de)超大鏈接規(gui)模，其背(bei)后支撐(cheng)的(de)(de)通(tong)信(xin)網(wang)絡顯得尤為重(zhong)要，移動(dong)物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)用戶數從零增(zeng)長到超過16億，也是移動(dong)物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)通(tong)信(xin)技術(shu)不斷變遷的(de)(de)過程(cheng)。
從3GPP標準化的工作歷(li)程看(kan)移動物(wu)聯網(wang)技術變遷
既然(ran)移(yi)動(dong)物(wu)(wu)聯網(wang)(wang)(wang)以(yi)蜂(feng)窩移(yi)動(dong)通信技(ji)術(shu)和(he)網(wang)(wang)(wang)絡為載(zai)體，那么它就無法(fa)繞開3GPP的(de)作用(yong)。3GPP作為全(quan)球(qiu)影響力最大的(de)電信標準(zhun)化組織，承擔了(le)移(yi)動(dong)通信國際標準(zhun)的(de)制定工(gong)作，早已成為全(quan)球(qiu)移(yi)動(dong)通信發(fa)展(zhan)的(de)風向標。移(yi)動(dong)物(wu)(wu)聯網(wang)(wang)(wang)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)，尤(you)其是(shi)移(yi)動(dong)物(wu)(wu)聯網(wang)(wang)(wang)的(de)全(quan)球(qiu)標準(zhun)制定，離不開3GPP這一組織的(de)工(gong)作。因此，3GPP針對物(wu)(wu)聯網(wang)(wang)(wang)標準(zhun)化工(gong)作的(de)歷程(cheng)，基本涵蓋了(le)移(yi)動(dong)物(wu)(wu)聯網(wang)(wang)(wang)技(ji)術(shu)的(de)變遷(qian)。筆者(zhe)選取幾個關鍵節點，回顧3GPP對移(yi)動(dong)物(wu)(wu)聯網(wang)(wang)(wang)的(de)支(zhi)持。
1、初次擁(yong)抱物(wu)聯網
早在(zai)2005年，物聯網在(zai)很多場合(he)以(yi)M2M（機器對機器通(tong)信(xin)）的名稱(cheng)出現，這一(yi)概念已(yi)被廣泛接受。3GPP在(zai)那(nei)個時候已(yi)啟(qi)動了(le)MTC（Machine Type Communication）的研(yan)究(jiu)工作，即開始(shi)了(le)《Study on Facilitating Machine to Machine Communication in 3GPP Systems》的研(yan)究(jiu)項目。
根據(ju)3GPP的(de)工(gong)作流程，針對一項新的(de)技術標(biao)準(zhun)化(hua)工(gong)作分為研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)項目和(he)工(gong)作項目兩個(ge)階(jie)(jie)段(duan)，研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)項目階(jie)(jie)段(duan)進行可(ke)行性研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)，對業(ye)務需(xu)求、解決方案可(ke)行性進行評估，最終輸出(chu)技術報告(gao)；工(gong)作項目階(jie)(jie)段(duan)就開始了(le)標(biao)準(zhun)的(de)制(zhi)定，根據(ju)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)項目階(jie)(jie)段(duan)的(de)結論，形成相應技術規范(fan)，輸出(chu)標(biao)準(zhun)。
針對MTC的首個(ge)研究項目于2007年(nian)在3GPP R8版本中已技(ji)(ji)(ji)術報(bao)告形式發布(bu)，并在后續開(kai)展標準(zhun)化工作(zuo)，于2011年(nian)完(wan)成了(le)首個(ge)完(wan)整的技(ji)(ji)(ji)術規范，在3GPP R10版本中發布(bu)。筆者翻閱了(le)3GPP此前的部分(fen)技(ji)(ji)(ji)術報(bao)告和技(ji)(ji)(ji)術規范文檔，針對首個(ge)MTC的文檔如下：
該版(ban)本針對M2M通信在物流、健康醫(yi)療、遠程管理、無(wu)線支付、無(wu)線抄(chao)表等方面(mian)的需求進行研(yan)究，支持通過蜂窩網絡接入大量物聯(lian)網終(zhong)端(duan)。
2、針對(dui)終端的分類
對(dui)于物聯網的(de)(de)支(zhi)持(chi)(chi)，除了接(jie)入網的(de)(de)架構、核心網支(zhi)持(chi)(chi)等網絡(luo)側的(de)(de)規(gui)范(fan)外，終(zhong)(zhong)(zhong)端(duan)也(ye)需要有專門(men)的(de)(de)標準(zhun)(zhun)規(gui)范(fan)，才能實現有效通信。伴隨(sui)著(zhu)4G LTE標準(zhun)(zhun)的(de)(de)制定，3GPP對(dui)于終(zhong)(zhong)(zhong)端(duan)的(de)(de)規(gui)范(fan)也(ye)在持(chi)(chi)續(xu)推進，最為典型(xing)的(de)(de)是(shi)通過上下行速率(lv)對(dui)終(zhong)(zhong)(zhong)端(duan)進行分類，適應了各種類別物聯網終(zhong)(zhong)(zhong)端(duan)的(de)(de)接(jie)入特點(dian)，這一分類在后續(xu)物聯網發展中產生了重(zhong)大影響。
3GPP在R8版本中就(jiu)包含了(le)對(dui)用戶終端接(jie)入能力(li)的(de)標(biao)準化工(gong)作(zuo)，定(ding)(ding)義(yi)了(le)Cat.1-Cat.5的(de)等級，體現(xian)在TS 36.306規(gui)范(fan)中。3GPP在后(hou)續(xu)版本中持續(xu)研究和更新，如在R10中定(ding)(ding)義(yi)了(le)Cat.6-Cat.8，在R11中定(ding)(ding)義(yi)了(le)Cat.9-10。
從Cat.4開始以及以上級別的終端主要針對手機終端，這些級別需要更高速率，而Cat.4以下級別更適合物聯網，尤其是Cat.1的定義，對后續物聯網的發展產生了重要影響，目前國內移動物聯網中速率主要是Cat.1的終端。3GPP在R12版進一步降低終端等級，首次定義的Cat.0的終端等級，工作帶寬為20 MHz，上下行速率僅為1Mbps。
3、LPWAN標(biao)準橫(heng)空出(chu)世
從2013年開始(shi)，低功(gong)耗廣域網(wang)絡（LPWAN）進(jin)入人們視(shi)線中，低速率、低功(gong)耗的物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)場景需求(qiu)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)，Sigfox、LoRa等非蜂(feng)(feng)(feng)窩物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)技術(shu)(shu)開始(shi)成為業界寵(chong)兒，大范圍(wei)攻城略地。3GPP陣營(ying)現有的物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)技術(shu)(shu)不能滿足LPWAN場景需求(qiu)，面對非蜂(feng)(feng)(feng)窩技術(shu)(shu)的彎(wan)道超(chao)車，3GPP陣營(ying)專(zhuan)家們快速響應，針對LPWAN的需求(qiu)，開始(shi)制定新的標(biao)準(zhun)，并于2016年R13版本中凍(dong)結了基(ji)(ji)于蜂(feng)(feng)(feng)窩網(wang)絡的LPWAN標(biao)準(zhun)，而且一次性發布了3個標(biao)準(zhun)，即(ji)eMTC、EC-GSM和NB-IoT，其中eMTC是基(ji)(ji)于4G LTE網(wang)絡的演進(jin)，EC-GSM是基(ji)(ji)于2G GSM網(wang)絡演進(jin)，而NB-IoT則是相對獨立的物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)標(biao)準(zhun)。
3GPP這三大LPWAN標準的問(wen)世，在業界(jie)產(chan)生(sheng)了巨大反響，成為移動(dong)通信(xin)(xin)產(chan)業的一(yi)大亮(liang)點，似乎承載了蜂窩通信(xin)(xin)運(yun)營(ying)商在物聯網領域的未(wei)來(lai)。當然(ran)，這三類技術(shu)后來(lai)的命運(yun)差別很大，尤(you)其是EC-GSM問(wen)世后不(bu)久就慘遭拋棄，NB-IoT和eMTC則分別受到(dao)了全球不(bu)同國家地(di)區和運(yun)營(ying)商的青睞(lai)，直(zhi)至今天形(xing)成了明顯的市場格局。
4、5G和后5G時代的物聯網(wang)技(ji)術
隨著5G的商用，業界將目光聚焦于5G支持的物(wu)聯(lian)網技術(shu)上(shang)。從5G最初提出(chu)的三大(da)場(chang)景來看，eMBB更多(duo)是為支持移(yi)動互聯(lian)網需求而(er)生，而(er)uRLLC和mMTC則更多(duo)是為物(wu)與物(wu)通信提供技術(shu)支持，近年(nian)來5G的發展也印證了這(zhe)一初衷(zhong)。
當然，5G三(san)大場(chang)景(jing)是高度凝練的(de)(de)總結，沿著以往物(wu)(wu)聯(lian)(lian)網(wang)的(de)(de)發(fa)展(zhan)(zhan)路徑，業界仍然關(guan)注(zhu)5G標(biao)準體系中重點(dian)支(zhi)持物(wu)(wu)聯(lian)(lian)網(wang)的(de)(de)技術方向(xiang)。3GPP在(zai)設立(li)標(biao)準研(yan)究方向(xiang)時，充分考慮(lv)到物(wu)(wu)聯(lian)(lian)網(wang)場(chang)景(jing)和需求發(fa)展(zhan)(zhan)的(de)(de)趨(qu)勢，已啟動了多(duo)個重點(dian)方向(xiang)的(de)(de)研(yan)究，筆者認為最(zui)為典型的(de)(de)是兩個方面：
一方面是RedCap的標準化工作。RedCap全稱是Reduced Capability，即“降低能力”，是在5G R17階段確定的專門方向，相對于eMBB和uRLLC，它可以說是輕量級的5G，但相比NB-IoT這類低功耗廣域網，其性能高一些。今年6月，R17已完成凍結，首個RedCap標準問世，業界開始依據標準推動其商用化進程，我們看到一些芯片廠商開始了首款RedCap芯片的研發。長遠來看，RedCap具備了4G物聯網的大部分功能，能夠在一張網絡中實現不同等級終端的通信接入。
另一方面是無源物聯網的標準化工作。3GPP R18版本已將無源物聯網納入研究項目中，多個代表也開始了無源物聯網前期研究工作。在3GPP全會上，多家企業代表認為，無源物聯網將形成千億級連接規模，當前大量行業已明確了需求。在非3GPP陣營大力投入和發展新型無源物聯網技術，滿足大量場景需求的同時，若3GPP陣營對其不重視，尤其是當前3GPP現有技術無法支撐無源物聯網需求，則未來這一領域的市場空間將被非3GPP陣營占據，因此3GPP對無源物聯網的研究應該加速。
當然，3GPP還推出了(le)針(zhen)對車聯(lian)網、衛星(xing)物聯(lian)網等(deng)方(fang)向(xiang)的(de)(de)課題，這些也構成(cheng)了(le)移動物聯(lian)網技術(shu)體系的(de)(de)重要組成(cheng)部分。正是(shi)由于(yu)十(shi)多(duo)年來3GPP陣營的(de)(de)努(nu)力(li)(li)，才構成(cheng)了(le)完善的(de)(de)技術(shu)體系，支持目前數(shu)十(shi)億(yi)(yi)移動物聯(lian)網終端的(de)(de)接(jie)入，并持續形成(cheng)支持百億(yi)(yi)甚至千億(yi)(yi)接(jie)入的(de)(de)能力(li)(li)。
移動物聯網技術的特點和技術路(lu)線選(xuan)擇
3GPP針對移動物聯網推出了大量技術標準，雖然每一類技術都有其針對群體和特有功能，但它們有一個共同的特點，即簡單化，尤其是和針對人與人通信的蜂窩網絡相比，移動物聯網技術往往是對其進行裁剪，去掉很多非必要功能。例如，業界一致認為，LTE Cat.1就是“低配版”的4G，可以復用4G現網，但其終端比傳統4G簡單得多。這一簡單化的特點，源于移動物聯網大部分場景的幾個重要需求：
一是設備低成本的需求。盡管大量設備接入帶來巨大價值，但是，海量連接設備代表著用戶承擔巨額成本，必須要降低到客戶能夠承受的水平。多個移動物聯網技術采用半雙工模式、降低設備接收帶寬、降低設備速率，從而降低計算、存儲、射頻等器件的使用，大幅降低了成本。
二是設備低功耗的需求。大量物聯網設備不可能每天、每個月為其充電，這樣不僅不方便，而且維護成本上升。一些設備需要長期保持運行狀態，一旦電池耗盡，通信中斷，可能會導致重大損失，因此超長的電池使用時間，就顯得尤為重要，有些甚至需要無限期免維護。目前正在推進的無源物聯網技術的研究，就是為了徹底解決功耗問題。
三是增強覆蓋的需求。對于大部分物聯網應用，覆蓋非常重要，因此覆蓋增強是近年來移動物聯網技術創新的一個重要方向，NB-IoT就是最典型的代表。
就網(wang)絡運營來說，移動物聯網(wang)同樣(yang)需(xu)要類似于人與人通(tong)信的(de)廣覆蓋(gai)網(wang)絡，實現隨時(shi)隨地接入，因此移動物聯網(wang)網(wang)絡也具有規(gui)模經濟的(de)特點。面(mian)對眾(zhong)多移動物聯網(wang)技術路線，產業(ye)界不(bu)可能全(quan)面(mian)接受(shou)，需(xu)要在(zai)其中選擇適(shi)合自身的(de)技術路線。
工信部數據顯(xian)示，截至2022年8月底，我國(guo)NB-IoT、4G、5G基站總數分別(bie)達到75.5萬(wan)個、593.7萬(wan)個、210.2萬(wan)個。這(zhe)一寬窄(zhai)結合的(de)物聯(lian)網(wang)網(wang)絡體系，支撐了當(dang)前(qian)超16億的(de)物聯(lian)網(wang)終(zhong)端接入。不過，這(zhe)一物聯(lian)網(wang)網(wang)絡體系也是(shi)經(jing)過多年探索，最終(zhong)選擇專門的(de)技術路(lu)線形成的(de)。
以LPWAN的選擇(ze)為(wei)例，2016年3GPP R13凍結的eMTC、EC-GSM和NB-IoT三(san)類技術(shu)，全球各家運(yun)(yun)營(ying)商(shang)就面臨著技術(shu)路(lu)線(xian)的選擇(ze)。雖然這些(xie)物聯(lian)網(wang)網(wang)絡(luo)的投資相對于傳統移(yi)動(dong)通信(xin)網(wang)絡(luo)成(cheng)本低，但也是一筆(bi)不(bu)小的支出，很少(shao)有廠商(shang)能夠同時承擔兩張網(wang)絡(luo)的成(cheng)本。在過去幾年實踐中，主(zhu)流運(yun)(yun)營(ying)商(shang)做出了選擇(ze)，國內(nei)三(san)家運(yun)(yun)營(ying)商(shang)選擇(ze)了NB-IoT技術(shu)作為(wei)低速率物聯(lian)網(wang)網(wang)絡(luo)的技術(shu)路(lu)線(xian)，而美國運(yun)(yun)營(ying)商(shang)則選擇(ze)eMTC網(wang)絡(luo)，歐(ou)洲出現分化(hua)，NB-IoT和eMTC都有一些(xie)擁護(hu)者，如沃達豐以NB-IoT為(wei)主(zhu)。
技術選擇的(de)時(shi)間節點也是(shi)(shi)一個關鍵決(jue)策點。以(yi)Cat.1為例，早在(zai)2016年左右(you)，海外和國內一些運營商就在(zai)探索推動(dong)Cat.1的(de)落地，但(dan)是(shi)(shi)彼時(shi)2G網(wang)絡依然占據主流，Cat.1的(de)成本還比較高，難以(yi)撼動(dong)當時(shi)的(de)格(ge)局。而隨著(zhu)2G退網(wang)呼聲(sheng)越(yue)來越(yue)高，尤其是(shi)(shi)2020年工(gong)信部25號文中正式(shi)提出(chu)推動(dong)2G遷移專(zhuan)網(wang)的(de)背景下(xia)，Cat.1迎來了(le)快速(su)發(fa)展的(de)時(shi)機，直(zhi)至目前，Cat.1已成為國內移動(dong)物聯網(wang)的(de)主力(li)之一。
在筆者看(kan)來(lai)，物超(chao)人(ren)(ren)歷史性時刻(ke)的到來(lai)，與(yu)過去幾(ji)年移(yi)動物聯(lian)(lian)(lian)(lian)網(wang)(wang)標準發展(zhan)以及產業界對(dui)移(yi)動物聯(lian)(lian)(lian)(lian)網(wang)(wang)技術(shu)路(lu)線(xian)選擇密切相關。人(ren)(ren)與(yu)人(ren)(ren)連接的總(zong)數有明顯的天花(hua)板，物聯(lian)(lian)(lian)(lian)網(wang)(wang)連接數暫時沒有看(kan)到天花(hua)板。我們今天正在研(yan)究的移(yi)動物聯(lian)(lian)(lian)(lian)網(wang)(wang)技術(shu)，以及業界對(dui)技術(shu)路(lu)線(xian)的選擇，在未來(lai)幾(ji)年后可(ke)能就成為物聯(lian)(lian)(lian)(lian)網(wang)(wang)連接數十倍(bei)甚至(zhi)百倍(bei)于人(ren)(ren)與(yu)人(ren)(ren)連接的關鍵。
