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(yong)戶數從零(ling)增長到超過(guo)(guo)16億，也(ye)是移動物聯網(wang)通信技術不斷變遷(qian)的過(guo)(guo)程。
近日(ri)，工(gong)信部發(fa)布的最新(xin)數據顯示，截至8月(yue)底(di)，三家(jia)基(ji)礎(chu)電信企業發(fa)展移動物聯網終端用戶(hu)16.98億(yi)戶(hu)，超過(guo)移動電話用戶(hu)16.78億(yi)戶(hu)，我(wo)國正式進(jin)入(ru)“物超人(ren)”時代。
根據工信部定義，移(yi)動物聯網(wang)是(shi)以蜂窩移(yi)動通信技術(shu)(shu)和(he)網(wang)絡為載體，通過(guo)多網(wang)協同(tong)實現泛在連接(jie)、萬(wan)物互聯的數字(zi)信息基礎設施(shi)。那么移(yi)動物聯網(wang)形成超過(guo)移(yi)動電(dian)話用戶的超大鏈接(jie)規模，其(qi)背后支(zhi)撐的通信網(wang)絡顯得尤為重要，移(yi)動物聯網(wang)用戶數從(cong)零增長到超過(guo)16億，也(ye)是(shi)移(yi)動物聯網(wang)通信技術(shu)(shu)不(bu)斷變遷的過(guo)程。
從3GPP標準化的工作歷程看移動物(wu)聯網技術變(bian)遷
既然(ran)移(yi)(yi)動(dong)物(wu)聯(lian)網以(yi)蜂(feng)窩移(yi)(yi)動(dong)通信(xin)技(ji)術和網絡為載體，那(nei)么它就無法(fa)繞開3GPP的(de)(de)作(zuo)用。3GPP作(zuo)為全(quan)(quan)球(qiu)影響力最大(da)的(de)(de)電信(xin)標(biao)準化(hua)組織，承擔(dan)了移(yi)(yi)動(dong)通信(xin)國際標(biao)準的(de)(de)制定工作(zuo)，早已成(cheng)為全(quan)(quan)球(qiu)移(yi)(yi)動(dong)通信(xin)發展(zhan)的(de)(de)風向標(biao)。移(yi)(yi)動(dong)物(wu)聯(lian)網技(ji)術的(de)(de)發展(zhan)，尤其(qi)是移(yi)(yi)動(dong)物(wu)聯(lian)網的(de)(de)全(quan)(quan)球(qiu)標(biao)準制定，離不開3GPP這一組織的(de)(de)工作(zuo)。因此，3GPP針對(dui)物(wu)聯(lian)網標(biao)準化(hua)工作(zuo)的(de)(de)歷程，基本(ben)涵(han)蓋了移(yi)(yi)動(dong)物(wu)聯(lian)網技(ji)術的(de)(de)變遷。筆(bi)者選取幾(ji)個關鍵節點，回顧3GPP對(dui)移(yi)(yi)動(dong)物(wu)聯(lian)網的(de)(de)支持。
1、初次擁抱物聯(lian)網
早在(zai)2005年，物聯網在(zai)很多場合以M2M（機(ji)器(qi)對機(ji)器(qi)通(tong)信(xin)）的(de)(de)名(ming)稱出現，這一概念已被廣泛接受。3GPP在(zai)那個時候已啟動了MTC（Machine Type Communication）的(de)(de)研究(jiu)工作(zuo)，即(ji)開始了《Study on Facilitating Machine to Machine Communication in 3GPP Systems》的(de)(de)研究(jiu)項(xiang)目。
根(gen)據3GPP的工作(zuo)流(liu)程，針(zhen)對(dui)一項(xiang)(xiang)新的技(ji)術標(biao)準化工作(zuo)分(fen)為(wei)研(yan)究項(xiang)(xiang)目(mu)(mu)(mu)和工作(zuo)項(xiang)(xiang)目(mu)(mu)(mu)兩個(ge)階段，研(yan)究項(xiang)(xiang)目(mu)(mu)(mu)階段進行(xing)(xing)可(ke)(ke)行(xing)(xing)性研(yan)究，對(dui)業(ye)務需求、解決方案可(ke)(ke)行(xing)(xing)性進行(xing)(xing)評估(gu)，最(zui)終輸出技(ji)術報(bao)告；工作(zuo)項(xiang)(xiang)目(mu)(mu)(mu)階段就開始了標(biao)準的制(zhi)定，根(gen)據研(yan)究項(xiang)(xiang)目(mu)(mu)(mu)階段的結論，形(xing)成相應(ying)技(ji)術規范，輸出標(biao)準。
針對(dui)MTC的(de)(de)首(shou)個(ge)研究項目于2007年在3GPP R8版本(ben)中(zhong)已技(ji)術(shu)(shu)報告(gao)(gao)形式(shi)發布，并在后續(xu)開展標準化工作，于2011年完成了首(shou)個(ge)完整的(de)(de)技(ji)術(shu)(shu)規范(fan)，在3GPP R10版本(ben)中(zhong)發布。筆者翻閱了3GPP此前的(de)(de)部(bu)分技(ji)術(shu)(shu)報告(gao)(gao)和技(ji)術(shu)(shu)規范(fan)文(wen)檔，針對(dui)首(shou)個(ge)MTC的(de)(de)文(wen)檔如下(xia)：
該版本(ben)針對M2M通信在物(wu)流、健康醫療、遠程管理(li)、無(wu)線(xian)支(zhi)付(fu)、無(wu)線(xian)抄表等方面的需求進行研(yan)究，支(zhi)持通過蜂窩網絡(luo)接入大量物(wu)聯(lian)網終端。
2、針對終端的分類
對于物聯(lian)(lian)網(wang)的(de)支持(chi)，除(chu)了(le)接入網(wang)的(de)架構、核心網(wang)支持(chi)等網(wang)絡側的(de)規(gui)范外，終端(duan)也(ye)需要有專門的(de)標(biao)準規(gui)范，才能(neng)實現有效通信(xin)。伴隨著4G LTE標(biao)準的(de)制定(ding)，3GPP對于終端(duan)的(de)規(gui)范也(ye)在持(chi)續推進(jin)，最(zui)為典(dian)型的(de)是通過(guo)上下行速率對終端(duan)進(jin)行分類，適應了(le)各種(zhong)類別(bie)物聯(lian)(lian)網(wang)終端(duan)的(de)接入特點，這一分類在后(hou)續物聯(lian)(lian)網(wang)發展中產(chan)生了(le)重大影響(xiang)。
3GPP在R8版本中(zhong)就包(bao)含(han)了(le)對(dui)用戶終端接入能(neng)力的標準化工作(zuo)，定義(yi)了(le)Cat.1-Cat.5的等級，體現在TS 36.306規(gui)范中(zhong)。3GPP在后續版本中(zhong)持(chi)續研究和更新，如在R10中(zhong)定義(yi)了(le)Cat.6-Cat.8，在R11中(zhong)定義(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標準橫空出世(shi)
從2013年(nian)開(kai)始，低(di)功耗廣(guang)域網(wang)(wang)(wang)絡(luo)(luo)（LPWAN）進(jin)(jin)(jin)入人們視線中(zhong)，低(di)速(su)率(lv)、低(di)功耗的物(wu)聯網(wang)(wang)(wang)場(chang)景(jing)需求(qiu)越(yue)來越(yue)多，Sigfox、LoRa等非(fei)蜂窩(wo)(wo)物(wu)聯網(wang)(wang)(wang)技(ji)術開(kai)始成為業界寵兒，大范圍(wei)攻(gong)城略地。3GPP陣營(ying)現(xian)有的物(wu)聯網(wang)(wang)(wang)技(ji)術不能滿足LPWAN場(chang)景(jing)需求(qiu)，面對(dui)非(fei)蜂窩(wo)(wo)技(ji)術的彎道超車，3GPP陣營(ying)專家們快速(su)響應(ying)，針(zhen)對(dui)LPWAN的需求(qiu)，開(kai)始制定新(xin)的標(biao)準(zhun)(zhun)，并于(yu)2016年(nian)R13版本中(zhong)凍(dong)結了基(ji)(ji)(ji)于(yu)蜂窩(wo)(wo)網(wang)(wang)(wang)絡(luo)(luo)的LPWAN標(biao)準(zhun)(zhun)，而且(qie)一次性(xing)發布(bu)了3個標(biao)準(zhun)(zhun)，即eMTC、EC-GSM和(he)NB-IoT，其(qi)中(zhong)eMTC是基(ji)(ji)(ji)于(yu)4G LTE網(wang)(wang)(wang)絡(luo)(luo)的演(yan)進(jin)(jin)(jin)，EC-GSM是基(ji)(ji)(ji)于(yu)2G GSM網(wang)(wang)(wang)絡(luo)(luo)演(yan)進(jin)(jin)(jin)，而NB-IoT則是相(xiang)對(dui)獨立的物(wu)聯網(wang)(wang)(wang)標(biao)準(zhun)(zhun)。
3GPP這三(san)大(da)(da)LPWAN標準的問(wen)世，在業界產生了(le)(le)巨(ju)大(da)(da)反(fan)響，成為移動通信產業的一大(da)(da)亮(liang)點(dian)，似(si)乎承載了(le)(le)蜂(feng)窩通信運(yun)營(ying)商(shang)(shang)在物聯網領域(yu)的未(wei)來(lai)。當(dang)然，這三(san)類技術后來(lai)的命運(yun)差(cha)別很(hen)大(da)(da)，尤其是EC-GSM問(wen)世后不久就慘遭拋棄，NB-IoT和eMTC則分別受到了(le)(le)全球不同國(guo)家地區和運(yun)營(ying)商(shang)(shang)的青睞，直(zhi)至今(jin)天形成了(le)(le)明顯(xian)的市場格局。
4、5G和后5G時(shi)代的物聯網(wang)技(ji)術
隨著5G的(de)商用，業界將(jiang)目(mu)光聚焦于(yu)5G支持的(de)物(wu)聯(lian)網(wang)技術上。從5G最(zui)初(chu)提出的(de)三(san)大場景來看，eMBB更多(duo)(duo)是(shi)為支持移動互聯(lian)網(wang)需求而生，而uRLLC和mMTC則更多(duo)(duo)是(shi)為物(wu)與物(wu)通信提供(gong)技術支持，近年來5G的(de)發展也印證了(le)這一初(chu)衷。
當(dang)然，5G三大場景是高度凝(ning)練的(de)(de)(de)(de)(de)總結，沿著以往物(wu)聯網的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)展路徑，業(ye)界仍然關注5G標準體系(xi)中重點支持物(wu)聯網的(de)(de)(de)(de)(de)技術方(fang)向。3GPP在設(she)立標準研究方(fang)向時，充分考慮到物(wu)聯網場景和(he)需求發(fa)展的(de)(de)(de)(de)(de)趨勢，已啟動(dong)了多(duo)個重點方(fang)向的(de)(de)(de)(de)(de)研究，筆者認為(wei)最(zui)為(wei)典型的(de)(de)(de)(de)(de)是兩(liang)個方(fang)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還推出了針對(dui)車聯(lian)網(wang)、衛星物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)等(deng)方向的(de)(de)(de)課題，這些也構成(cheng)了移(yi)動物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)技(ji)術體系的(de)(de)(de)重要組成(cheng)部分。正(zheng)是由于十多年來3GPP陣營的(de)(de)(de)努(nu)力，才構成(cheng)了完善的(de)(de)(de)技(ji)術體系，支(zhi)持(chi)目前數十億(yi)移(yi)動物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)終端(duan)的(de)(de)(de)接入(ru)(ru)，并持(chi)續(xu)形成(cheng)支(zhi)持(chi)百億(yi)甚(shen)至千(qian)億(yi)接入(ru)(ru)的(de)(de)(de)能力。
移動(dong)物聯網技(ji)術(shu)的特點(dian)和技(ji)術(shu)路線選擇(ze)
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(yun)營(ying)來說，移動物聯(lian)網(wang)同(tong)樣需要類(lei)似于人與人通信的廣(guang)覆蓋網(wang)絡，實現隨時隨地接(jie)入，因此移動物聯(lian)網(wang)網(wang)絡也具有規模經濟的特(te)點。面(mian)對眾多移動物聯(lian)網(wang)技(ji)術(shu)路(lu)線(xian)(xian)，產業(ye)界(jie)不可能全面(mian)接(jie)受(shou)，需要在其中選擇(ze)適合自身(shen)的技(ji)術(shu)路(lu)線(xian)(xian)。
工(gong)信(xin)部(bu)數據顯示，截(jie)至2022年(nian)(nian)8月(yue)底，我國(guo)NB-IoT、4G、5G基站總數分別達到(dao)75.5萬(wan)個(ge)、593.7萬(wan)個(ge)、210.2萬(wan)個(ge)。這一寬(kuan)窄(zhai)結合的物(wu)聯網(wang)(wang)(wang)網(wang)(wang)(wang)絡體(ti)系，支撐(cheng)了(le)當前(qian)超16億的物(wu)聯網(wang)(wang)(wang)終端接入。不過，這一物(wu)聯網(wang)(wang)(wang)網(wang)(wang)(wang)絡體(ti)系也(ye)是(shi)經過多年(nian)(nian)探索，最終選擇(ze)專門的技術(shu)路線形成的。
以(yi)LPWAN的選擇為(wei)(wei)例，2016年3GPP R13凍結的eMTC、EC-GSM和NB-IoT三類技術(shu)，全球各家運營商就面臨(lin)著技術(shu)路線的選擇。雖然(ran)這些物聯(lian)網網絡(luo)的投資相對于傳統移動通信(xin)網絡(luo)成本低(di)，但也是(shi)一(yi)筆(bi)不小(xiao)的支(zhi)出，很少有廠商能夠(gou)同時承(cheng)擔兩張網絡(luo)的成本。在(zai)過去幾年實踐中，主(zhu)流運營商做出了選擇，國(guo)內三家運營商選擇了NB-IoT技術(shu)作(zuo)為(wei)(wei)低(di)速率(lv)物聯(lian)網網絡(luo)的技術(shu)路線，而美國(guo)運營商則選擇eMTC網絡(luo)，歐洲出現分(fen)化(hua)，NB-IoT和eMTC都有一(yi)些擁護(hu)者，如沃達豐(feng)以(yi)NB-IoT為(wei)(wei)主(zhu)。
技術(shu)選擇的(de)時(shi)(shi)間節點也是一個(ge)關鍵(jian)決策(ce)點。以(yi)Cat.1為(wei)例，早在(zai)(zai)2016年(nian)左(zuo)右(you)，海外和國(guo)內(nei)一些運營商就在(zai)(zai)探索推動(dong)(dong)Cat.1的(de)落地，但是彼時(shi)(shi)2G網(wang)絡依然占據主(zhu)流，Cat.1的(de)成本還(huan)比(bi)較高，難以(yi)撼動(dong)(dong)當時(shi)(shi)的(de)格局。而(er)隨(sui)著2G退網(wang)呼聲越(yue)來(lai)越(yue)高，尤其是2020年(nian)工信部25號文(wen)中(zhong)正式提出推動(dong)(dong)2G遷移專網(wang)的(de)背(bei)景下，Cat.1迎(ying)來(lai)了快速發(fa)展的(de)時(shi)(shi)機，直至目前，Cat.1已(yi)成為(wei)國(guo)內(nei)移動(dong)(dong)物聯網(wang)的(de)主(zhu)力之一。
在(zai)筆者看來，物(wu)超人(ren)歷史性時(shi)(shi)刻的(de)(de)到來，與(yu)(yu)過去(qu)幾年(nian)移(yi)(yi)動(dong)物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)(wang)標準發展以及(ji)產(chan)業界(jie)對移(yi)(yi)動(dong)物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)(wang)技術路線選擇(ze)密切相(xiang)關。人(ren)與(yu)(yu)人(ren)連(lian)接(jie)的(de)(de)總數有明顯的(de)(de)天花板，物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)(wang)連(lian)接(jie)數暫時(shi)(shi)沒(mei)有看到天花板。我們(men)今天正在(zai)研究的(de)(de)移(yi)(yi)動(dong)物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)(wang)技術，以及(ji)業界(jie)對技術路線的(de)(de)選擇(ze)，在(zai)未(wei)來幾年(nian)后可能就成為物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)(wang)連(lian)接(jie)數十倍甚至百倍于人(ren)與(yu)(yu)人(ren)連(lian)接(jie)的(de)(de)關鍵。
