最新版《爱立信移动市场报告》预测,到2022年,将有约290亿台联网终端,其中约180亿物联网终端。无处不在的蜂窝网络,非常适合实现价格低廉的物联网连接,物联网设备通过蜂窝网络,让城市变得更为智能。
互补型物联网技术
物联网领域出现了两大细分市场:即关键应用连接和大规模物联网连接。关键物联网连接的特点是要求很强的可靠性和可用性,以及超低的延迟。而大规模物联网的特点是具有海量连接、低数据量、低成本终端和对能耗的严格要求。
这两个领域有大量具有不同连接要求的大量用例。蜂窝网络适用于支持这两个领域,虽然没有单个技术适合于所有潜在情况。为了满足不同潜在大规模物联网应用用例的要求,几个蜂窝物联网技术正在标准化,包括扩展覆盖GSM-IoT、Cat-M1和窄带物联网(NB-IoT)。
根据技术可用性,用例需求和部署场景,这些解决方案可以互补。例如,EC-GSM服务于所有GSM市场的应用,Cat-M1支持广泛的物联网应用,包括内容丰富的应用,而NB-IoT针对超低吞吐量应用进行了简化,并提供极好的覆盖和部署灵活性。运营商是选择一个解决方案,还是结合几个解决方案取决于几个因素,如技术覆盖、网络技术策略和具体的目标市场。
超低端大规模物联网应用
要检查蜂窝网络承载物联网流量的能力,需要了解物联网服务的真实场景及其网络影响因素。我们的场景包括由一系列不同物联网服务组成的流量模型,包括对每个终端消息大小和流量强度的假设,以及在密集城市环境中部署的终端数量。它专注于对吞吐量要求有限的超低端物联网应用,例如计量和监控用例,因为这些应用将成为许多市场中部署的首批大规模物联网服务。
大规模物联网流量场景
每平方公里有1万户家庭的密集城市环境,类似伦敦、北京或纽约的中心地区,被用作大规模物联网服务场景的基础。假设在该地区部署了一系列不同类型的互联终端,包括水、煤气表和电表、自动售货机、租赁自行车位置监控器和汽车中(基于每个家庭一辆汽车,每四个流量一组计算平均值。)监控驾驶员行为的加速度传感器。上图中总结了每个终端的流量特征。(在这种情况下,上行链路流量为主导,下行链路流量用于应用确认(ACK和终端之间的控制平面信令(RRC), 无线接入网络相对较小) 此场景中使用的联网终端的数量代表成熟的大规模物联网场景。在初始部署阶段,终端密度将较低,相应的流量负载也不会那么高。
这些服务代表了现实的大规模物联网用例范围,这些用例预计将部署在城市环境中。
这些服务的部署环境和流量模型不同:远程控制仪表可能面临室内覆盖挑战,而安装在自行车上的终端通常位于室外。仪表流量可能每天集中传输一次,而其他终端可能需要每10分钟传输一次。
大规模物联网终端的数据流量很小,一个服务的典型数据包大约为100-150个字节,其中考虑了终端ID的有效载荷、时间戳和报告数据值。
此外,每个数据包都有大约65个字节的IP开销和更高层报头;媒体访问控制(MAC)层开销为15个字节,移动网络上行链路每个事件的标准控制信令为59个字节。总之,每个事件产生大约250-300个字节,由物联网终端传输。
上页图中显示了产生的流量需求。它清晰表明,尽管终端的密度非常高,每个终端的流量很低,每单位面积的流量限制为每平方公里几千比特/每秒(kbps), 而移动宽带业务在密集城市地区为每平方公里接近千兆比特/每秒(Gbps)。
部署NB-IoT载波,实现大规模物联网服务场景
NB-IoT适用于超低端物联网应用。基站可以与终端通信的下行/上行最高瞬时数据速率为227 / 250kbps,而每个终端的持续最大吞吐量为21 / 63kbps,足以支持城市情景中的服务。虽然其容量低于移动宽带,但系统级仿真显示,一个180 kHz 的NB-IoT载波可以承载数十kbps——具体取决于载波配置。假设单个NB-IoT载波在3个扇区站点部署,城市环境典型的站点间距离为500米,可实现每平方公里数百kbps的区域容量。这比我们密集的城市情景中大规模物联网服务流量的需求大得多。
下图说明了在我们的城市情景中,大规模物联网累积流量与单个NB-IoT载波的容量之间的关系。所有大规模物联网服务的总流量总计占总可用容量的6%,这表明在需要另一个NB-IoT运营商之前,可以支持在所考虑的情况下将大规模物联网流量增加15倍。此外,Cat-M1与NB-IoT相比支持更高的数据速率和容量。
除业务所需的容量外,覆盖挑战性位置中的终端至关重要。因此,NB-IoT和Cat-M1设计提供比GSM和LTE显著更好的覆盖。这种改进的覆盖允许无线电信号穿透附加壁垒或红外反射(IRR)金属化玻璃窗,可以到达部署在室内深处或地下室(典型的仪表位置)的终端。
创造商机
蜂窝网络可以处理大量大规模物联网终端,对网络容量的影响最小。我们的方案显示,单一NB-IoT载波(部署在保护频带或带内,占用10 MHz LTE载波的2%)明显超出了所考虑的大规模物联网服务的需求。这些发现意味着NB-IoT的初步部署可满足潜在的更高数据需求和流量强度,也能够支持其他类型的服务。
通常,运营商可能不怎么升级现有网络以支持物联网业务,但是该领域的潜在价值巨大。可以从单个基站为成千上万的物联网终端提供连接是重要的推动力量,可以带来新商机。
物联网展望
随着新兴应用和商业模式的涌现,以及标准化和终端成本的下降,互联终端的数量不断增长。
预测到2022年,将会有290亿互联终端,其中物联网终端将达到181亿。
2018年,手机数量预计将超过物联网终端,其中包括互联汽车、机器、电表、可穿戴终端和其他消费电子产品。2016年至2022年,在新用例的推动下,物联网终端预计将以21%的复合年增长率增长。
