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5G时代的三个兄弟:LTE、LTE-U、NB-IOT

2019-01-11 09:25 硬件十万个为什么
关键词:5GLTENB-IoTLTE-U

导读:5G时代的诱惑,犹如隔壁家厨房的气味,间歇性地飘过,刺激着大家的神经。

5G时代的诱惑,犹如隔壁家厨房的气味,间歇性地飘过,刺激着大家的神经。然而对于工业而言,这个气味的信号实在是太微弱了。在2020年以前,5G的大规模应用,大家都不抱希望,没有设备制造商会认为5G能够迅速布置下去。即使是相关标准进展神速,6~9月份的标准的冻结期才刚刚起步,下一步建立基站、兼容机制(将来的华为、中兴必须相互兼容),还有很长时间。

工业老虎机贝斯特相对是区域网,因此有突破的可能性。然而在4G时代,大家被高通芯片和标准逼疯了,而在工业领域终于找到苦主了。如可以找到可以绕开高通,又不必死等5G时代,NB-IoT窄带老虎机贝斯特率先出招。

5G时代的三个兄弟

5G有三个标准,分别是LTE(授权频道)、LTE-U(非授权频道)和NB-IoT(授权频道)。


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什么是LTE

LTE,属于授权频道。这是最大的肥肉,当然是电信运营商的菜。标准主要是电信运营商在做,华为也在推。由于授权频道基本是排它的,比如给了电力微波,其他人就不能用了。这个是运营商的垄断资源,只能通过运营商来操作。

我们平时经常听到“5G”,全称是“5th generation mobile networks(第五代移动通信系统)”,但它并不是一个完全和4G、乃至更之前版本通信技术完全区隔的一个产物,而是说明移动通信技术即将再次发生一次足以用“换代”来概括的性能跃升。

那么LTE-A究竟是什么意思呢?其英文全名为“Long Term Evolution Advanced”,实际商业就是此将通信标准从3G导向4G的LTE的进阶版。相比于之前的LTE技术,LTE-A发展出了非授权判断、载波聚合、高阶MIMO等一系列更加先进的通信技术,可以为用户带来更好的移动通信体验。

以现在我们在4G所使用的LTE技术为例,它就跟3G时代的数种技术:HSPA、WCDMA、CDMA-2000、TD-SCDMA,有着分不开的关系。LTE-A跟5G同样也是如此,更准确地说——LTE-A实际将会成为5G的一部分。


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作为移动通信技术即将进入的下一个阶段的标志,5G的核心改变有3点:更快的速度、同时容纳更多用户的能力、更低的网络时间延迟。

听起来很“老生常谈”,但如果从应用场景角度来看,你或许更能理解5G的重要性。它不再仅限于手机、平板这一类传统的移动通讯设备,而是要渗透到老虎机贝斯特及各种行业领域, 有效满足工业、老虎机贝斯特、交通等垂直行业的业务需求,实现真正的“万物互联”。

总而言之,未来使用者所感受到的网络,将不再有有线、无线之分,5G就是网络,网络就是5G。

所以如果从移动通信对经济社会影响的角度来看,5G有望使移动通信技术成为一种新的“通用性基础技术”。

5G背后继续“发光发热”的LTE-A


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要成为全新的“通用性基础技术”,5G自身也需要大量的改变,其中相当关键的就是5G新空口技术。后者的核心组成是一种基于正交分频多工(OFDM)的新无线标准,能够使用1GHz~100GHz无线电频率进行通信。相比之下,目前使用的LTE/LTE-A技术的通信无线电频率范围为1GHz~6GHz。

两者无线电频率范围相差如此之大,与应用场景设定有直接关系。通过添加全新的6GHz~100GHz毫米波段频率,5G能够拥有更高的理论传输速度,同时拥有宽度更大的通信频段、进而拥有更大的用户容量。


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LTE-A对于5G时代来说是“关键的”

但这种变化同样有“代价”:即便有Massive MIMO这样的新技术去提高频段效率,但新添加的毫米波波段的其信号覆盖范围十分有限。根据部分学术性的研究,其覆盖半径仅能达到200m左右,而目前4G主要使用的2.6GHz的覆盖半径实际上能够达到2000m左右,这也就意味着如果真的要完全用毫米波段来覆盖未来的5G网络,所需要的基站数量将会达到惊人的100倍。

所以在3GPP R15的规划中,给出的5G组网方式其实有4种,其中3种中LTE基站都将扮演重要的角色。更重要的是,LTE并不会因为5G的来临而止步不前,它自身的“升级打怪”同样还在继续。

高通骁龙X20 Modem调制解调器,LTE再升级


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那么作为4G中坚技术,LTE又应该往哪个方向进行升级呢?前不久,高通就在其一年一度的高通骁龙技术峰会上给出了自己的答案:提速。这一点集中体现在高通这次发布的下一代手机移动平台骁龙845身上,它就搭载了目前高通最新一代的商用化基带调制解调器——骁龙X20 Modem。

骁龙X20 Modem实际上也是高通的第二代千兆级LTE调制解调器,官方对雷锋网表示,它是“迄今为止支持最先进无线特性组合的LTE调制解调器”。

虽然只是基于现有的LTE技术和频段,骁龙X20 Modem目前已经能够稳定地维持1.2Gbps的下行网络速度。


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因为骁龙X20 Modem最多能够支持5个载波,同时在4x4 MIMO技术的帮助下实现12通道同时工作,从而实现LTE Category 18下载速度。同时因为全新的频谱使用灵活组合,骁龙X20 Modem只需要10MHz许可频谱就能实现千兆级LTE,这大大降低了运营商的门槛。

在本次骁龙技术峰会上,高通技术人员向雷锋网表示:“因为大部分还是基于现有LTE技术,所以目前已经有27个国家的45个运营商,已经或者即将对自己的LTE网络升级,进而支持全新速度的LTE网络。”

从LTE到5G再到未来,都有高通的身影


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LTE技术的进展,同样也在为未来5G时代通信技术的进展铺路。以本次实现1.2Gbps下行速度的骁龙X20为例,其全新的5载波、12信道灵活工作方式未来同样可以作用于5G modem之上。

什么是LTE-U

LTE-U(unlicensed)非授权频道,注意这可是大家最熟悉的WiFi杀手。WiFi的路由器,一般只有30~50米;一般路由器到了100米,就只有信号,不能通讯了。而LET-U可以达到300~500米(类似3G时代曾经推过的“城域网”)。ISM(工业、科学、老虎机贝斯特)这三个领域可以随便用,主要频段包括从5K、13.56M一直到2.4G和5.8G等多个频段。


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为什么需要LTE-U

标准的LTE技术只能部署在授权频谱,不能直接部署在非授权频谱。随着LTE技术和应用的逐步成熟,授权频谱中的数据流量越来越饱和,有必要考虑将流量从授权频谱分流一部分到非授权频谱。经过运营商、设备商和芯片厂商等的共同努力,目前可以将LTE流量分流到非授权频谱的主流技术是:LTE-U、LAA(Licensed Assisted Access)、LWA和MulteFire。


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图 聚合授权频谱和非授权频谱的主流技术

2 LTE-U的优势

最先开发出来的是LTE-U技术,LTE-U的全称是LTE in Unlicensed spectrum,即非授权频谱上的LTE。该技术将LTE部署到非授权频谱,并采用标准LTE空口协议完成通信。

采用LTE-U技术,就可以利用集中调度、干扰协调、HARQ重传、CA载波聚合等技术,可以获得更好的鲁棒性和频谱效率,提供更大的覆盖范围和更好的用户体验。LTE-U可以将授权频段作为主载波,终端跟基站可以在授权频段上建立无线资源控制连接,通过载波感知获取当前空闲的非授权频段资源,实现授权频段和非授权频段的载波聚合,从而有效提升系统的性能和吞吐量,解决室内数据流量的增长需求和频谱匮乏问题。

LTE-U和LTE/LTE-A的差别只是工作在不同的频段,可以使用现有的LTE部署,不需要对网络结构进行改动,只需要对基站进行升级,可以极大降低运营商的投资成本。因为对于运营商来说,在未授权的频谱上部署LTE,就可以在无需耗费数十亿美元竞购授权频谱的情况下增加网络容量。另外,容量的增加、更流畅的管理,为用户提供的更好体验,也可以为运营商在增加服务收入和降低客户流失率两方面带来经济利益。

3 LTE-U与WIFI的共存问题

在公网中,LTE-U主要应用在2.4GHz和5GHz这两种频段,和现有的WIFI网络工作在同一个频段。

由于一些国家的监管部门要求LTE-U技术需要包括一项防止LTE过多干扰WIFI的LBT功能(Listen Before Talk),而LTE-U本身并不需要强制实现LBT技术,因此最早在美国、中国等监管部门没有强制要求LBT的国家发展起来。


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图 LAA支持的LBT技术

对于参与有关LTE讨论的运营商和厂商来说,主要的挑战就是证明LTE-U能够与WIFI一起在未授权的频段上共存。WIFI会在开始传输前对信道活动进行判断和感知,如果发现信道被占用后就会自动退回,即ListenBefore Talk (LBT),但LTE-U并不支持LBT。

LTE-U使用了一种被称为载波侦听自适应传输(Carrier Sensing Adaptive Transmission, CSAT)的算法,这是信道分时的一种形式。由于CSAT在传输之前不会对信道进行侦听和感应,所以它可能会干扰WIFI的传输。


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图 LTE-U采用的CAST技术

4 LTE-U的发展

LTE-U方案在2013年正式提出,到了2014年,Verizon联合阿尔卡特朗讯、爱立信、高通、三星成立了LTE-U论坛,基于3GPP的R12协议联合开发相关技术文档。也就是说,LTE-U技术并不是由3GPP组织开发和演进,这点不同于LAA,也是LTE-U的一大劣势。


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图 LTE-U和LAA的区别

尽管像Verizon这样的运营商对LTE-U持看好态度,但是在使用未授权频谱的WIFI技术提供商看来,能否与LTE-U协议共存,仍有大量的担忧和疑虑存在。WIFI技术是未授权频谱一个相当大的使用者,WIFI提供商担心LTE将不会采用WIFI使用的LBT(Listen Before Talk)协议来避免干扰。

2015年,爱立信和高通合作演示了LTE-U技术,双方将一段20MHz授权频段单元和一段在5GHz未授权频段上的20M频段单元载波聚合在一起,在空口上实现了300Mbps的下载峰值。

NBIoT是什么

NB-IoT,Narrow Band Internet of Things,窄带老虎机贝斯特,是一种专为万物互联打造的蜂窝网络连接技术。顾名思义,NB-IoT所占用的带宽很窄,只需约180KHz,而且其使用License频段,可采取带内、保护带或独立载波三种部署方式,与现有网络共存,并且能够直接部署在GSM、UMTS或LTE网络,即2/3/4G的网络上,实现现有网络的复用,降低部署成本,实现平滑升级。

移动网络作为全球覆盖范围最大的网络,其接入能力可谓得天独厚,因此相较WiFi、蓝牙、ZigBee等无线连接方式,基于蜂窝网络的NB-IoT连接技术的前景更加被看好,已经逐渐作为开启万物互联时代的钥匙,而被商用到老虎机贝斯特行业中。

呼声最高的NB-IoT,仍然属于授权频道。NB-IoT最大的特点,是传输距离达到惊人的10km,可以覆盖一个小县城。而且可以带无数终端,一个基站可以带20多万个终端。这意味着,管理一个井盖、停车收费,都变得轻松,而且便宜。即使是200万元建立一个基站,方圆10km都可以进行管理。

当然,由于NB-IoT属于授权频道,仍然不太可能在企业里用。所以NB-IoT也只能是先接入核心网(运营商),再进入企业。

5G才能解决工业以太网

相对一般以太网而言,工业数据传递的实时性要求很高。工业以太网有QoS(服务质量协议),因此在传递实时数据的时候,不容易丢包。这是因为QoS支持优先级,能够识别优先发送级别,如自动识别语音,还是邮件。语音的实时性要求很高,丢包会造成噪声;而电视丢包,则会乱码。这些都是不可接受的。实时视频必须要有QoS,而图像往往是带宽消耗最大的内容传输。

4G为什么不能用在工业互联网上,因为没有QoS,除了语音有识别之外,可以说它就是一个标准的IT网络。而5G则可以支持优先级,例如设备状态最优先,而将一般的数据传递优先级放在最后。

所以值得期待的是,5G才是工业互联网的基础。当下40%的情况,基本上是有能力实施的(说100%还是有点夸张)。4G最多只能到450M,而5G 的LTE可达达到450M~800M

更重要的是,选择性大幅度增加。就技术流派而言,4G时代的技术主要是高通,盆满钵满;而在5G时代,华为、思科、西门子等都有各自的技术。这次,工业可以有更多的选择了。

技术不能烂在手里

LTE是运营商标准,不可能被允许进入企业,因此不可能去建立一个iPhone7的基站。但既然5G标准和大规模布置尚待时日,这些已经有些眉目的技术,不可能空转吧。于是技术开始变形和演化,例如LTE就有了改进版,华为就率先推出了所谓企业版LTE技术(eLTE)。

它有两个频段,一个频段是800M(目前分配给联通),还有一个频段900,是调频的。这个波段,可以用来完成eLTE的载波频点,也就是可以做企业端的应用了。

基于同样的考量,eLTE-IoT正是NB-IoT窄带老虎机贝斯特的一种变通方式。这样就可以进入工厂,成为智能制造的老虎机贝斯特基石。重要的是,eLTE-IoT有着更加低廉的成本,因此eLTE-IoT率先进入工业领域。


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eLTE-IoT自身突出的特征(功耗小、终端多、距离长),因此成为工业园区的最佳5G先头阵地之一。eLTE-IoT作为非授权频道,20万带宽,功率很小,不超过200mw功率。因此园区建立这种基站,也相互不影响

目前eLTE-IoT已经开始逐渐进入工厂,成为老虎机贝斯特数据最佳的传递手段。它将有效地替代老虎机贝斯特、设备联网等领域,成为智能工厂老虎机贝斯特的新欢。

NB-IoT的技术发展史:


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NB-IoT的特点

NB-IoT具有以下四大特点:

一、广覆盖。相比现有的GSM、宽带LTE等网络覆盖增强了20dB,信号的传输覆盖范围更大(GSM基站目前理想状况下能覆盖35km),能覆盖到深层地下GSM网络无法覆盖到的地方。其原理主要依靠:1、缩小带宽,提升功率谱密度;2、重复发送,获得时间分集增益。

二、大连接。相比现有无线技术,同一基站下增多了50-100倍的接入数,每小区可以达到50K连接,真是实现万物互联所必须的海量连接。其原理在于:1、基于时延不敏感的特点,采用话务模型,保存更多接入设备的上下文,在休眠态和激活态之间切换;2、窄带老虎机贝斯特的上行调度颗粒小,资源利用率更高;3、减少空口信令交互,提升频谱密度。

三、低功耗。终端在99%的时间内均处在休眠态,并集成多种节电技术,待机时间可达10年。1、PSM低功耗模式,即在idle空闲态下增加PSM态 ,相当于关机,由定时器控制呼醒,耗能更低;2、eDRX扩展的非连续接收省电模式,采用更长的寻呼周期,eDRX是DRX耗电量的1/16。

四、低成本。硬件可剪裁,软件按需简化,确保了NB-IoT的成本低廉,NB-IoT通信单模块成本不足5美元。

NB-IoT因其适用的场景,还具有低速率和低移动性的特点。1、低速率。多点上行速率仅为56kbps,理想下行速率为21.25kbps;2、低移动性。仅支持终端设备在30km/h的移动速率下实现小区切换,远低于4G支持250km/h的速率(高铁专网可达450km/h)。

NB-IoT解决方案总体架构

下图展示了NB-IoT解决方案的总体架构:


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NB-IoT发展现状

下图展示了NB-IoT生态圈的概况:


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NB-IoT目前试商用以及商用举例:

1、华为/中国联通的NB-IoT智能停车解决方案:基于华为NB-IoT模块推出的这套智能停车系统将能实现预定、转租停车位等功能,低功耗和高穿透能力使得这个方案更具可靠性。目前该停车系统已经在上海迪士尼试商用。

2、2017年7月13日,ofo小黄车与中国电信、华为共同宣布,三家联合研发的NB-IoT“老虎机贝斯特智能锁”全面启动商用。

3、中兴通讯/中国移动的智能井盖:该方案通过全方位监管井盖状态,在井盖被打开、移位等情况下,可实现及时警告。

NB-IoT芯片开发方面:

1、华为作为国内最大的NB-IoT芯片原厂,推出了Boudica 120/Hi2110老虎机贝斯特芯片,搭载Huawei LiteOS嵌入式老虎机贝斯特操作系统.

2、美国高通公司推出了型号为MDM9206的老虎机贝斯特芯片,支持Cat-M1和Cat-NB1标准的全球所有频段,具备GSM/NB-IoT/eMTC多模支持,还支持GPS、格纳洛斯、北斗、伽利略全球导航卫星定位。

3、中兴微电子研发了RoseFinch 7100(又名“朱雀”)NB-IoT老虎机贝斯特芯片,专为低功耗老虎机贝斯特设计,在睡眠功耗、截止电压和外围借口数量等和老虎机贝斯特应用关联的核心指标上都在业界处于领先水平。

4、英特尔推出的XMM 7X15系列老虎机贝斯特芯片。