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。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)模應用，大家都不抱希望，沒有設備制造商會認為5G能夠迅速布置下去。即使是相關標準進展神速，6~9月份的標準的凍結期才剛剛起步，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)網相對是區(qū)域網，因此有突破的可能性。然而在4G時代，大家被高通芯片和標準逼瘋了，而在工業(yè)領域終于找到苦主了。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)網率先出招。

5G時代的三個兄弟

5G有三個標準，分別是LTE(授權頻道)、LTE-U(非授權頻道)和NB-IoT(授權頻道)。

什么是LTE

LTE，屬于授權頻道。這是最大的肥肉，當然是電信運營商的菜。標準主要是電信運營商在做，華為也在推。由于授權頻道基本是排它的，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完全區(qū)隔的一個產物，而是說明移動通信技術即將再次發(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)就是此將通信標準從3G導向4G的LTE的進階版。相比于之前的LTE技術，LTE-A發(fā)展出了非授權判斷、載波聚合、高階MIMO等一系列更加先進的通信技術，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技術為例，它就跟3G時代的數種技術：HSPA、WCDMA、CDMA-2000、TD-SCDMA，有著分不開的關系。LTE-A跟5G同樣也是如此，更準確地說——LTE-A實際將會成為5G的一部分。

作為移動通信技術即將進入的下一個階段的標志，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、更低的網絡時間延遲。

聽起來很“老生常談”，但如果從應用場景角度來看，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)的移動通訊設備，而是要滲透到物聯(lián)網及各種行業(yè)領域， 有效滿足工業(yè)、醫(yī)療、交通等垂直行業(yè)的業(yè)務需求，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絡，將不再有有線、無線之分，5G就是網絡，網絡就是5G。

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

5G背后繼續(xù)“發(fā)光發(fā)熱”的LTE-A

要成為全新的“通用性基礎技術”，5G自身也需要大量的改變，其中相當關鍵的就是5G新空口技術。后者的核心組成是一種基于正交分頻多工(OFDM)的新無線標準，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，與應用場景設定有直接關系。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“關鍵的”

但這種變化同樣有“代價”：即便有Massive MIMO這樣的新技術去提高頻段效率，但新添加的毫米波波段的其信號覆蓋范圍十分有限。根據部分學術性的研究，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網絡，所需要的基站數量將會達到驚人的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調制解調器，LTE再升級

那么作為4G中堅技術，LTE又應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制解調器——驍龍X20 Modem。

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

雖然只是基于現(xiàn)有的LTE技術和頻段，驍龍X20 Modem目前已經能夠穩(wěn)定地維持1.2Gbps的下行網絡速度。

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。

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

從LTE到5G再到未來，都有高通的身影

LTE技術的進展，同樣也在為未來5G時代通信技術的進展鋪路。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時代曾經推過的“城域網”)。ISM(工業(yè)、科學、醫(yī)療)這三個領域可以隨便用，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

標準的LTE技術只能部署在授權頻譜，不能直接部署在非授權頻譜。隨著LTE技術和應用的逐步成熟，授權頻譜中的數據流量越來越飽和，有必要考慮將流量從授權頻譜分流一部分到非授權頻譜。經過運營商、設備商和芯片廠商等的共同努力，目前可以將LTE流量分流到非授權頻譜的主流技術是：LTE-U、LAA(Licensed Assisted Access)、LWA和MulteFire。

圖 聚合授權頻譜和非授權頻譜的主流技術

2 LTE-U的優(yōu)勢

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

采用LTE-U技術，就可以利用集中調度、干擾協(xié)調、HARQ重傳、CA載波聚合等技術，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可以將授權頻段作為主載波，終端跟基站可以在授權頻段上建立無線資源控制連接，通過載波感知獲取當前空閑的非授權頻段資源，實現(xiàn)授權頻段和非授權頻段的載波聚合，從而有效提升系統(tǒng)的性能和吞吐量，解決室內數據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，不需要對網絡結構進行改動，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，在未授權的頻譜上部署LTE，就可以在無需耗費數十億美元競購授權頻譜的情況下增加網絡容量。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收入和降低客戶流失率兩方面帶來經濟利益。

3 LTE-U與WIFI的共存問題

在公網中，LTE-U主要應用在2.4GHz和5GHz這兩種頻段，和現(xiàn)有的WIFI網絡工作在同一個頻段。

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，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

對于參與有關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，所以它可能會干擾WIFI的傳輸。

圖 LTE-U采用的CAST技術

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)相關技術文檔。也就是說，LTE-U技術并不是由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，但是在使用未授權頻譜的WIFI技術提供商看來，能否與LTE-U協(xié)議共存，仍有大量的擔憂和疑慮存在。WIFI技術是未授權頻譜一個相當大的使用者，WIFI提供商擔心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，雙方將一段20MHz授權頻段單元和一段在5GHz未授權頻段上的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，是一種專為萬物互聯(lián)打造的蜂窩網絡連接技術。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、保護帶或獨立載波三種部署方式，與現(xiàn)有網絡共存，并且能夠直接部署在GSM、UMTS或LTE網絡，即2/3/4G的網絡上，實現(xiàn)現(xiàn)有網絡的復用，降低部署成本，實現(xiàn)平滑升級。

移動網絡作為全球覆蓋范圍最大的網絡，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，基于蜂窩網絡的NB-IoT連接技術的前景更加被看好，已經逐漸作為開啟萬物互聯(lián)時代的鑰匙，而被商用到物聯(lián)網行業(yè)中。

呼聲最高的NB-IoT，仍然屬于授權頻道。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。

當然，由于NB-IoT屬于授權頻道，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(運營商)，再進入企業(yè)。

5G才能解決工業(yè)以太網

相對一般以太網而言，工業(yè)數據傳遞的實時性要求很高。工業(yè)以太網有QoS(服務質量協(xié)議)，因此在傳遞實時數據的時候，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容傳輸。

4G為什么不能用在工業(yè)互聯(lián)網上，因為沒有QoS，除了語音有識別之外，可以說它就是一個標準的IT網絡。而5G則可以支持優(yōu)先級，例如設備狀態(tài)最優(yōu)先，而將一般的數據傳遞優(yōu)先級放在最后。

所以值得期待的是，5G才是工業(yè)互聯(lián)網的基礎。當下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。就技術流派而言，4G時代的技術主要是高通，盆滿缽滿;而在5G時代，華為、思科、西門子等都有各自的技術。這次，工業(yè)可以有更多的選擇了。

技術不能爛在手里

LTE是運營商標準，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標準和大規(guī)模布置尚待時日，這些已經有些眉目的技術，不可能空轉吧。于是技術開始變形和演化，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(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)端的應用了。

基于同樣的考量，eLTE-IoT正是NB-IoT窄帶物聯(lián)網的一種變通方式。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已經開始逐漸進入工廠，成為物聯(lián)網數據最佳的傳遞手段。它將有效地替代RFID、設備聯(lián)網等領域，成為智能工廠物聯(lián)網的新歡。

NB-IoT的技術發(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等網絡覆蓋增強了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網絡無法覆蓋到的地方。其原理主要依靠：1、縮小帶寬，提升功率譜密度;2、重復發(fā)送，獲得時間分集增益。

二、大連接。相比現(xiàn)有無線技術，同一基站下增多了50-100倍的接入數，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，采用話務模型，保存更多接入設備的上下文，在休眠態(tài)和激活態(tài)之間切換;2、窄帶物聯(lián)網的上行調度顆粒小，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%的時間內均處在休眠態(tài)，并集成多種節(jié)電技術，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) ，相當于關機，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(高鐵專網可達450km/h)。

NB-IoT解決方案總體架構

下圖展示了NB-IoT解決方案的總體架構：

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)預定、轉租停車位等功能，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、華為作為國內最大的NB-IoT芯片原廠，推出了Boudica 120/Hi2110物聯(lián)網芯片，搭載Huawei LiteOS嵌入式物聯(lián)網操作系統(tǒng).

2、美國高通公司推出了型號為MDM9206的物聯(lián)網芯片，支持Cat-M1和Cat-NB1標準的全球所有頻段，具備GSM/NB-IoT/eMTC多模支持，還支持GPS、格納洛斯、北斗、伽利略全球導航衛(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)網芯片，專為低功耗物聯(lián)網設計，在睡眠功耗、截止電壓和外圍借口數量等和物聯(lián)網應用關聯(lián)的核心指標上都在業(yè)界處于領先水平。

4、英特爾推出的XMM 7X15系列物聯(lián)網芯片。