5G時代的三個兄弟：LTE、LTE-U、NB-IOT

　　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、科學、醫療)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的優勢

　　最先開發出來的是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空口協議完成通信。

　　采用LTE-U技術，就可以利用集中調度、干擾協調、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，實現授權頻段和非授權頻段的載波聚合，從而有效提升系統的性能和吞吐量，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，和現有的WIFI網絡工作在同一個頻段。

　　由于一些國家的監管部門要求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LBT技術，因此最早在美國、中國等監管部門沒有強制要求LBT的國家發展起來。

　　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，如果發現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的發展

　　LTE-U方案在2013年正式提出，到了2014年，Verizon聯合阿爾卡特朗訊、愛立信、高通、三星成立了LTE-U論壇，基于3GPP的R12協議聯合開發相關技術文檔。也就是說，LTE-U技術并不是由3GPP組織開發和演進，這點不同于LAA，也是LTE-U的一大劣勢。

　　圖 LTE-U和LAA的區別

　　盡管像Verizon這樣的運營商對LTE-U持看好態度，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，在空口上實現了300Mbps的下載峰值。

　　NBIoT是什么

　　NB-IoT，Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯網，是一種專為萬物互聯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，實現現有網絡的復用，降低部署成本，實現平滑升級。

　　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時代的鑰匙，而被商用到物聯網行業中。

　　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里用。所以NB-IoT也只能是先接入核心網(運營商)，再進入企業。

　　5G才能解決工業以太網

　　相對一般以太網而言，工業數據傳遞的實時性要求很高。工業以太網有QoS(服務質量協議)，因此在傳遞實時數據的時候，不容易丟包。這是因為QoS支持優先級，能夠識別優先發送級別，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互聯網上，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則可以支持優先級，例如設備狀態最優先，而將一般的數據傳遞優先級放在最后。

　　所以值得期待的是，5G才是工業互聯網的基礎。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，因此不可能去建立一個iPhone7的基站。但既然5G標準和大規模布置尚待時日，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版LTE技術(eLTE)。

　　它有兩個頻段，一個頻段是800M(目前分配給聯通)，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，也就是可以做企業端的應用了。

　　基于同樣的考量，eLTE-IoT正是NB-IoT窄帶物聯網的一種變通方式。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)，因此成為工業園區的最佳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，成為物聯網數據最佳的傳遞手段。它將有效地替代RFID、設備聯網等領域，成為智能工廠物聯網的新歡。

　　NB-IoT的技術發展史：

　　NB-IoT的特點

　　NB-IoT具有以下四大特點：

　　一、廣覆蓋。相比現有的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、重復發送，獲得時間分集增益。

　　二、大連接。相比現有無線技術，同一基站下增多了50-100倍的接入數，每小區可以達到50K連接，真是實現萬物互聯所必須的海量連接。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，在休眠態和激活態之間切換;2、窄帶物聯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，并集成多種節電技術，待機時間可達10年。1、PSM低功耗模式，即在idle空閑態下增加PSM態 ，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的移動速率下實現小區切換，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發展現狀

　　下圖展示了NB-IoT生態圈的概況：

　　NB-IoT目前試商用以及商用舉例：

　　1、華為/中國聯通的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將能實現預定、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，三家聯合研發的NB-IoT“物聯網智能鎖”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管井蓋狀態，在井蓋被打開、移位等情況下，可實現及時警告。

　　NB-IoT芯片開發方面：

　　1、華為作為國內最大的NB-IoT芯片原廠，推出了Boudica 120/Hi2110物聯網芯片，搭載Huawei LiteOS嵌入式物聯網操作系統.

　　2、美國高通公司推出了型號為MDM9206的物聯網芯片，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、伽利略全球導航衛星定位。

　　3、中興微電子研發了RoseFinch 7100(又名“朱雀”)NB-IoT物聯網芯片，專為低功耗物聯網設計，在睡眠功耗、截止電壓和外圍借口數量等和物聯網應用關聯的核心指標上都在業界處于領先水平。

　　4、英特爾推出的XMM 7X15系列物聯網芯片。