5G時代的誘惑，猶如隔壁家廚房的氣味，間歇性地飄過，刺激著大家的神經(jīng)。然而對于工業(yè)而言，這個氣味的信號實在是太微弱了。在2020年以前，5G的大規(guī)模應(yīng)用，大家都不抱希望，沒有設(shè)備制造商會認為5G能夠迅速布置下去。即使是相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進展神速，6~9月份的標(biāo)準(zhǔn)的凍結(jié)期才剛剛起步，下一步建立基站、兼容機制(將來的華為、中興必須相互兼容)，還有很長時間。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相對是區(qū)域網(wǎng)，因此有突破的可能性。然而在4G時代，大家被高通芯片和標(biāo)準(zhǔn)逼瘋了，而在工業(yè)領(lǐng)域終于找到苦主了。如可以找到可以繞開高通，又不必死等5G時代，NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)率先出招。

5G時代的三個兄弟

5G有三個標(biāo)準(zhǔn)，分別是LTE(授權(quán)頻道)、LTE-U(非授權(quán)頻道)和NB-IoT(授權(quán)頻道)。

什么是LTE

LTE，屬于授權(quán)頻道。這是最大的肥肉，當(dāng)然是電信運營商的菜。標(biāo)準(zhǔn)主要是電信運營商在做，華為也在推。由于授權(quán)頻道基本是排它的，比如給了電力微波，其他人就不能用了。這個是運營商的壟斷資源，只能通過運營商來操作。

我們平時經(jīng)常聽到“5G”，全稱是“5th generation mobile networks(第五代移動通信系統(tǒng))”，但它并不是一個完全和4G、乃至更之前版本通信技術(shù)完全區(qū)隔的一個產(chǎn)物，而是說明移動通信技術(shù)即將再次發(fā)生一次足以用“換代”來概括的性能躍升。

那么LTE-A究竟是什么意思呢?其英文全名為“Long Term Evolution Advanced”，實際商業(yè)就是此將通信標(biāo)準(zhǔn)從3G導(dǎo)向4G的LTE的進階版。相比于之前的LTE技術(shù)，LTE-A發(fā)展出了非授權(quán)判斷、載波聚合、高階MIMO等一系列更加先進的通信技術(shù)，可以為用戶帶來更好的移動通信體驗。

以現(xiàn)在我們在4G所使用的LTE技術(shù)為例，它就跟3G時代的數(shù)種技術(shù)：HSPA、WCDMA、CDMA-2000、TD-SCDMA，有著分不開的關(guān)系。LTE-A跟5G同樣也是如此，更準(zhǔn)確地說——LTE-A實際將會成為5G的一部分。

作為移動通信技術(shù)即將進入的下一個階段的標(biāo)志，5G的核心改變有3點：更快的速度、同時容納更多用戶的能力、更低的網(wǎng)絡(luò)時間延遲。

聽起來很“老生常談”，但如果從應(yīng)用場景角度來看，你或許更能理解5G的重要性。它不再僅限于手機、平板這一類傳統(tǒng)的移動通訊設(shè)備，而是要滲透到物聯(lián)網(wǎng)及各種行業(yè)領(lǐng)域， 有效滿足工業(yè)、醫(yī)療、交通等垂直行業(yè)的業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”。

總而言之，未來使用者所感受到的網(wǎng)絡(luò)，將不再有有線、無線之分，5G就是網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)就是5G。

所以如果從移動通信對經(jīng)濟社會影響的角度來看，5G有望使移動通信技術(shù)成為一種新的“通用性基礎(chǔ)技術(shù)”。

5G背后繼續(xù)“發(fā)光發(fā)熱”的LTE-A

要成為全新的“通用性基礎(chǔ)技術(shù)”，5G自身也需要大量的改變，其中相當(dāng)關(guān)鍵的就是5G新空口技術(shù)。后者的核心組成是一種基于正交分頻多工(OFDM)的新無線標(biāo)準(zhǔn)，能夠使用1GHz~100GHz無線電頻率進行通信。相比之下，目前使用的LTE/LTE-A技術(shù)的通信無線電頻率范圍為1GHz~6GHz。

兩者無線電頻率范圍相差如此之大，與應(yīng)用場景設(shè)定有直接關(guān)系。通過添加全新的6GHz~100GHz毫米波段頻率，5G能夠擁有更高的理論傳輸速度，同時擁有寬度更大的通信頻段、進而擁有更大的用戶容量。

LTE-A對于5G時代來說是“關(guān)鍵的”

但這種變化同樣有“代價”：即便有Massive MIMO這樣的新技術(shù)去提高頻段效率，但新添加的毫米波波段的其信號覆蓋范圍十分有限。根據(jù)部分學(xué)術(shù)性的研究，其覆蓋半徑僅能達到200m左右，而目前4G主要使用的2.6GHz的覆蓋半徑實際上能夠達到2000m左右，這也就意味著如果真的要完全用毫米波段來覆蓋未來的5G網(wǎng)絡(luò)，所需要的基站數(shù)量將會達到驚人的100倍。

所以在3GPP R15的規(guī)劃中，給出的5G組網(wǎng)方式其實有4種，其中3種中LTE基站都將扮演重要的角色。更重要的是，LTE并不會因為5G的來臨而止步不前，它自身的“升級打怪”同樣還在繼續(xù)。

高通驍龍X20 Modem調(diào)制解調(diào)器，LTE再升級

那么作為4G中堅技術(shù)，LTE又應(yīng)該往哪個方向進行升級呢?前不久，高通就在其一年一度的高通驍龍技術(shù)峰會上給出了自己的答案：提速。這一點集中體現(xiàn)在高通這次發(fā)布的下一代手機移動平臺驍龍845身上，它就搭載了目前高通最新一代的商用化基帶調(diào)制解調(diào)器——驍龍X20 Modem。

驍龍X20 Modem實際上也是高通的第二代千兆級LTE調(diào)制解調(diào)器，官方對雷鋒網(wǎng)表示，它是“迄今為止支持最先進無線特性組合的LTE調(diào)制解調(diào)器”。

雖然只是基于現(xiàn)有的LTE技術(shù)和頻段，驍龍X20 Modem目前已經(jīng)能夠穩(wěn)定地維持1.2Gbps的下行網(wǎng)絡(luò)速度。

因為驍龍X20 Modem最多能夠支持5個載波，同時在4x4 MIMO技術(shù)的幫助下實現(xiàn)12通道同時工作，從而實現(xiàn)LTE Category 18下載速度。同時因為全新的頻譜使用靈活組合，驍龍X20 Modem只需要10MHz許可頻譜就能實現(xiàn)千兆級LTE，這大大降低了運營商的門檻。

在本次驍龍技術(shù)峰會上，高通技術(shù)人員向雷鋒網(wǎng)表示：“因為大部分還是基于現(xiàn)有LTE技術(shù)，所以目前已經(jīng)有27個國家的45個運營商，已經(jīng)或者即將對自己的LTE網(wǎng)絡(luò)升級，進而支持全新速度的LTE網(wǎng)絡(luò)?！?/p>

從LTE到5G再到未來，都有高通的身影

LTE技術(shù)的進展，同樣也在為未來5G時代通信技術(shù)的進展鋪路。以本次實現(xiàn)1.2Gbps下行速度的驍龍X20為例，其全新的5載波、12信道靈活工作方式未來同樣可以作用于5G modem之上。

什么是LTE-U

LTE-U(unlicensed)非授權(quán)頻道，注意這可是大家最熟悉的WiFi殺手。WiFi的路由器，一般只有30~50米;一般路由器到了100米，就只有信號，不能通訊了。而LET-U可以達到300~500米(類似3G時代曾經(jīng)推過的“城域網(wǎng)”)。ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療)這三個領(lǐng)域可以隨便用，主要頻段包括從5K、13.56M一直到2.4G和5.8G等多個頻段。

為什么需要LTE-U

標(biāo)準(zhǔn)的LTE技術(shù)只能部署在授權(quán)頻譜，不能直接部署在非授權(quán)頻譜。隨著LTE技術(shù)和應(yīng)用的逐步成熟，授權(quán)頻譜中的數(shù)據(jù)流量越來越飽和，有必要考慮將流量從授權(quán)頻譜分流一部分到非授權(quán)頻譜。經(jīng)過運營商、設(shè)備商和芯片廠商等的共同努力，目前可以將LTE流量分流到非授權(quán)頻譜的主流技術(shù)是：LTE-U、LAA(Licensed Assisted Access)、LWA和MulteFire。

圖 聚合授權(quán)頻譜和非授權(quán)頻譜的主流技術(shù)

2 LTE-U的優(yōu)勢

最先開發(fā)出來的是LTE-U技術(shù)，LTE-U的全稱是LTE in Unlicensed spectrum，即非授權(quán)頻譜上的LTE。該技術(shù)將LTE部署到非授權(quán)頻譜，并采用標(biāo)準(zhǔn)LTE空口協(xié)議完成通信。

采用LTE-U技術(shù)，就可以利用集中調(diào)度、干擾協(xié)調(diào)、HARQ重傳、CA載波聚合等技術(shù)，可以獲得更好的魯棒性和頻譜效率，提供更大的覆蓋范圍和更好的用戶體驗。LTE-U可以將授權(quán)頻段作為主載波，終端跟基站可以在授權(quán)頻段上建立無線資源控制連接，通過載波感知獲取當(dāng)前空閑的非授權(quán)頻段資源，實現(xiàn)授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段的載波聚合，從而有效提升系統(tǒng)的性能和吞吐量，解決室內(nèi)數(shù)據(jù)流量的增長需求和頻譜匱乏問題。

LTE-U和LTE/LTE-A的差別只是工作在不同的頻段，可以使用現(xiàn)有的LTE部署，不需要對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行改動，只需要對基站進行升級，可以極大降低運營商的投資成本。因為對于運營商來說，在未授權(quán)的頻譜上部署LTE，就可以在無需耗費數(shù)十億美元競購授權(quán)頻譜的情況下增加網(wǎng)絡(luò)容量。另外，容量的增加、更流暢的管理，為用戶提供的更好體驗，也可以為運營商在增加服務(wù)收入和降低客戶流失率兩方面帶來經(jīng)濟利益。

3 LTE-U與WIFI的共存問題

在公網(wǎng)中，LTE-U主要應(yīng)用在2.4GHz和5GHz這兩種頻段，和現(xiàn)有的WIFI網(wǎng)絡(luò)工作在同一個頻段。

由于一些國家的監(jiān)管部門要求LTE-U技術(shù)需要包括一項防止LTE過多干擾WIFI的LBT功能(Listen Before Talk)，而LTE-U本身并不需要強制實現(xiàn)LBT技術(shù)，因此最早在美國、中國等監(jiān)管部門沒有強制要求LBT的國家發(fā)展起來。

圖 LAA支持的LBT技術(shù)

對于參與有關(guān)LTE討論的運營商和廠商來說，主要的挑戰(zhàn)就是證明LTE-U能夠與WIFI一起在未授權(quán)的頻段上共存。WIFI會在開始傳輸前對信道活動進行判斷和感知，如果發(fā)現(xiàn)信道被占用后就會自動退回，即ListenBefore Talk (LBT)，但LTE-U并不支持LBT。

LTE-U使用了一種被稱為載波偵聽自適應(yīng)傳輸(Carrier Sensing Adaptive Transmission, CSAT)的算法，這是信道分時的一種形式。由于CSAT在傳輸之前不會對信道進行偵聽和感應(yīng)，所以它可能會干擾WIFI的傳輸。

圖 LTE-U采用的CAST技術(shù)

4 LTE-U的發(fā)展

LTE-U方案在2013年正式提出，到了2014年，Verizon聯(lián)合阿爾卡特朗訊、愛立信、高通、三星成立了LTE-U論壇，基于3GPP的R12協(xié)議聯(lián)合開發(fā)相關(guān)技術(shù)文檔。也就是說，LTE-U技術(shù)并不是由3GPP組織開發(fā)和演進，這點不同于LAA，也是LTE-U的一大劣勢。

圖 LTE-U和LAA的區(qū)別

盡管像Verizon這樣的運營商對LTE-U持看好態(tài)度，但是在使用未授權(quán)頻譜的WIFI技術(shù)提供商看來，能否與LTE-U協(xié)議共存，仍有大量的擔(dān)憂和疑慮存在。WIFI技術(shù)是未授權(quán)頻譜一個相當(dāng)大的使用者，WIFI提供商擔(dān)心LTE將不會采用WIFI使用的LBT(Listen Before Talk)協(xié)議來避免干擾。

2015年，愛立信和高通合作演示了LTE-U技術(shù)，雙方將一段20MHz授權(quán)頻段單元和一段在5GHz未授權(quán)頻段上的20M頻段單元載波聚合在一起，在空口上實現(xiàn)了300Mbps的下載峰值。

NBIoT是什么

NB-IoT，Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)，是一種專為萬物互聯(lián)打造的蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)。顧名思義，NB-IoT所占用的帶寬很窄，只需約180KHz，而且其使用License頻段，可采取帶內(nèi)、保護帶或獨立載波三種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存，并且能夠直接部署在GSM、UMTS或LTE網(wǎng)絡(luò)，即2/3/4G的網(wǎng)絡(luò)上，實現(xiàn)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的復(fù)用，降低部署成本，實現(xiàn)平滑升級。

移動網(wǎng)絡(luò)作為全球覆蓋范圍最大的網(wǎng)絡(luò)，其接入能力可謂得天獨厚，因此相較WiFi、藍牙、ZigBee等無線連接方式，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的NB-IoT連接技術(shù)的前景更加被看好，已經(jīng)逐漸作為開啟萬物互聯(lián)時代的鑰匙，而被商用到物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中。

呼聲最高的NB-IoT，仍然屬于授權(quán)頻道。NB-IoT最大的特點，是傳輸距離達到驚人的10km，可以覆蓋一個小縣城。而且可以帶無數(shù)終端，一個基站可以帶20多萬個終端。這意味著，管理一個井蓋、停車收費，都變得輕松，而且便宜。即使是200萬元建立一個基站，方圓10km都可以進行管理。

當(dāng)然，由于NB-IoT屬于授權(quán)頻道，仍然不太可能在企業(yè)里用。所以NB-IoT也只能是先接入核心網(wǎng)(運營商)，再進入企業(yè)。

5G才能解決工業(yè)以太網(wǎng)

相對一般以太網(wǎng)而言，工業(yè)數(shù)據(jù)傳遞的實時性要求很高。工業(yè)以太網(wǎng)有QoS(服務(wù)質(zhì)量協(xié)議)，因此在傳遞實時數(shù)據(jù)的時候，不容易丟包。這是因為QoS支持優(yōu)先級，能夠識別優(yōu)先發(fā)送級別，如自動識別語音，還是郵件。語音的實時性要求很高，丟包會造成噪聲;而電視丟包，則會亂碼。這些都是不可接受的。實時視頻必須要有QoS，而圖像往往是帶寬消耗最大的內(nèi)容傳輸。

4G為什么不能用在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)上，因為沒有QoS，除了語音有識別之外，可以說它就是一個標(biāo)準(zhǔn)的IT網(wǎng)絡(luò)。而5G則可以支持優(yōu)先級，例如設(shè)備狀態(tài)最優(yōu)先，而將一般的數(shù)據(jù)傳遞優(yōu)先級放在最后。

所以值得期待的是，5G才是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。當(dāng)下40%的情況，基本上是有能力實施的(說100%還是有點夸張)。4G最多只能到450M，而5G 的LTE可達達到450M~800M

更重要的是，選擇性大幅度增加。就技術(shù)流派而言，4G時代的技術(shù)主要是高通，盆滿缽滿;而在5G時代，華為、思科、西門子等都有各自的技術(shù)。這次，工業(yè)可以有更多的選擇了。

技術(shù)不能爛在手里

LTE是運營商標(biāo)準(zhǔn)，不可能被允許進入企業(yè)，因此不可能去建立一個iPhone7的基站。但既然5G標(biāo)準(zhǔn)和大規(guī)模布置尚待時日，這些已經(jīng)有些眉目的技術(shù)，不可能空轉(zhuǎn)吧。于是技術(shù)開始變形和演化，例如LTE就有了改進版，華為就率先推出了所謂企業(yè)版LTE技術(shù)(eLTE)。

它有兩個頻段，一個頻段是800M(目前分配給聯(lián)通)，還有一個頻段900，是調(diào)頻的。這個波段，可以用來完成eLTE的載波頻點，也就是可以做企業(yè)端的應(yīng)用了。

基于同樣的考量，eLTE-IoT正是NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)的一種變通方式。這樣就可以進入工廠，成為智能制造的物聯(lián)網(wǎng)基石。重要的是，eLTE-IoT有著更加低廉的成本，因此eLTE-IoT率先進入工業(yè)領(lǐng)域。

eLTE-IoT自身突出的特征(功耗小、終端多、距離長)，因此成為工業(yè)園區(qū)的最佳5G先頭陣地之一。eLTE-IoT作為非授權(quán)頻道，20萬帶寬，功率很小，不超過200mw功率。因此園區(qū)建立這種基站，也相互不影響

目前eLTE-IoT已經(jīng)開始逐漸進入工廠，成為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)最佳的傳遞手段。它將有效地替代RFID、設(shè)備聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，成為智能工廠物聯(lián)網(wǎng)的新歡。

NB-IoT的技術(shù)發(fā)展史：

NB-IoT的特點

NB-IoT具有以下四大特點：

一、廣覆蓋。相比現(xiàn)有的GSM、寬帶LTE等網(wǎng)絡(luò)覆蓋增強了20dB，信號的傳輸覆蓋范圍更大(GSM基站目前理想狀況下能覆蓋35km)，能覆蓋到深層地下GSM網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋到的地方。其原理主要依靠：1、縮小帶寬，提升功率譜密度;2、重復(fù)發(fā)送，獲得時間分集增益。

二、大連接。相比現(xiàn)有無線技術(shù)，同一基站下增多了50-100倍的接入數(shù)，每小區(qū)可以達到50K連接，真是實現(xiàn)萬物互聯(lián)所必須的海量連接。其原理在于：1、基于時延不敏感的特點，采用話務(wù)模型，保存更多接入設(shè)備的上下文，在休眠態(tài)和激活態(tài)之間切換;2、窄帶物聯(lián)網(wǎng)的上行調(diào)度顆粒小，資源利用率更高;3、減少空口信令交互，提升頻譜密度。

三、低功耗。終端在99%的時間內(nèi)均處在休眠態(tài)，并集成多種節(jié)電技術(shù)，待機時間可達10年。1、PSM低功耗模式，即在idle空閑態(tài)下增加PSM態(tài) ，相當(dāng)于關(guān)機，由定時器控制呼醒，耗能更低;2、eDRX擴展的非連續(xù)接收省電模式，采用更長的尋呼周期，eDRX是DRX耗電量的1/16。

四、低成本。硬件可剪裁，軟件按需簡化，確保了NB-IoT的成本低廉，NB-IoT通信單模塊成本不足5美元。

NB-IoT因其適用的場景，還具有低速率和低移動性的特點。1、低速率。多點上行速率僅為56kbps，理想下行速率為21.25kbps;2、低移動性。僅支持終端設(shè)備在30km/h的移動速率下實現(xiàn)小區(qū)切換，遠低于4G支持250km/h的速率(高鐵專網(wǎng)可達450km/h)。

NB-IoT解決方案總體架構(gòu)

下圖展示了NB-IoT解決方案的總體架構(gòu)：

NB-IoT發(fā)展現(xiàn)狀

下圖展示了NB-IoT生態(tài)圈的概況：

NB-IoT目前試商用以及商用舉例：

1、華為/中國聯(lián)通的NB-IoT智能停車解決方案：基于華為NB-IoT模塊推出的這套智能停車系統(tǒng)將能實現(xiàn)預(yù)定、轉(zhuǎn)租停車位等功能，低功耗和高穿透能力使得這個方案更具可靠性。目前該停車系統(tǒng)已經(jīng)在上海迪士尼試商用。

2、2017年7月13日，ofo小黃車與中國電信、華為共同宣布，三家聯(lián)合研發(fā)的NB-IoT“物聯(lián)網(wǎng)智能鎖”全面啟動商用。

3、中興通訊/中國移動的智能井蓋：該方案通過全方位監(jiān)管井蓋狀態(tài)，在井蓋被打開、移位等情況下，可實現(xiàn)及時警告。

NB-IoT芯片開發(fā)方面：

1、華為作為國內(nèi)最大的NB-IoT芯片原廠，推出了Boudica 120/Hi2110物聯(lián)網(wǎng)芯片，搭載Huawei LiteOS嵌入式物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng).

2、美國高通公司推出了型號為MDM9206的物聯(lián)網(wǎng)芯片，支持Cat-M1和Cat-NB1標(biāo)準(zhǔn)的全球所有頻段，具備GSM/NB-IoT/eMTC多模支持，還支持GPS、格納洛斯、北斗、伽利略全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位。

3、中興微電子研發(fā)了RoseFinch 7100(又名“朱雀”)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)芯片，專為低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計，在睡眠功耗、截止電壓和外圍借口數(shù)量等和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用關(guān)聯(lián)的核心指標(biāo)上都在業(yè)界處于領(lǐng)先水平。

4、英特爾推出的XMM 7X15系列物聯(lián)網(wǎng)芯片。