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5G蜂窝物联网关键技术分析
资料介绍
讨论了蜂窝物联网(C-IoT)的技术现状,针对增强机器类通信和窄带物联网技术标准,提出了2种现网快速部署方案,并进一步指出了C-IoT面向第5代移动通信系统(5G)的演进路径,包括网络功能虚拟化、软件定义网络、移动边缘计算和大数据分析等关键技术以及面临的安全风险.对关键技术以及解决方案进行了详细分析,结果表明,5G C-IoT可有效扩展C-IoT业务能力.
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（完整内容请下载后查看）2018 年 10 月
北 京 邮 电 大 学 学 报
Oct. 2018
第 41 卷 第 5 期
Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications
Vol. 41 No. 5
文章编号:1007-5321(2018)05-0020-06
DOI:10. 13190 / j. jbupt. 2018-192
5G 窝物联网关键技术分析
易芝玲, 崔春风, 韩双锋, 潘成康, 陈亚迷
(中国移动通信研究院, 北京 100053)
摘要: 讨论了蜂窝物联网(C-IoT)的技术现状,针对增强机器类通信和窄带物联网技术标准,提出了 2 种现网快速
部署方案,并进一步指出了 C-IoT 面向第 5 代移动通信系统(5G) 的演进路径,包括网络功能虚拟化、软件定义网
络、移动边缘计算和大数据分析等关键技术以及面临的安全风险. 对关键技术以及解决方案进行了详细分析,结果
表明,5G C-IoT 可有效扩展 C-IoT 业务能力.
关
键
词: 蜂窝物联网; 网络功能虚拟化; 软件定义网络; 移动边缘计算; 大数据分析
中图分类号: TN929ꢀ 53 文献标志码: A
Analysis of Key Technologies of 5G-Oriented Cellular
Internet of Things
YI Zhi-ling, CUI Chun-feng, HAN Shuang-feng, PAN Cheng-kang, CHEN Ya-mi
(China Mobile Communication Research Institute, Beijing 100053, China)
Abstract: The technical status of cellular Internet of Things (C-IoT) was discussed. Two C-IoT deploy-
ment schemes were proposed in terms of enhanced machine-type communication and narrowband IoT tech-
nical standards, which can be readily deployed in the current commercial networks. And an evolutionary
roadmap to the fifth generation of mobile communications system (5G) for C-IoT was further proposed.
The roadmap fully took into account the key enabling technologies, such as the network function virtual-
ization, the software defined network, the mobile edge computing and the big data analytics, as well as
security risks introduced by 5G. The technology challenges and potential solutions were analyzed in de-
tail, and it was shown that 5G C-IoT can significantly enhance C-IoT's service capability.
Key words: cellular internet of things; network function virtualization; software defined network; mobile
edge computing; big data analytics
蜂窝物联网(C-IoT, cellular Internet of things)
是以蜂窝网络为主要接入手段的低功率广域物联
网,是物联网[1] 十年发展后的重要路径[2] ,包括已
经商用的 2G/ 3G/ 4G 物联网,以及正在商用部署的
增强 机 器 类 通 信 ( eMTC, enhanced machine-type
communication) 和窄带物联网(NB-IoT, narrowband
IoT).
准的冻结,5G 即将进入商用. 5G 充分考虑了通信
计算融合趋势,引入了软件定义网络(SDN, software
defined network) 和网络功能虚拟化(NFV, network
function virtualization ) 概 念, 支 持 移 动 边 缘 计 算
(MEC, mobile edge computing) 和网络切片技术,网
络能力更为出色,为 C-IoT 进一步演进和发展提供
了技术方向与基础. 笔者在分析 C-IoT 现网部署方
案的基础上,详细讨论基于 5G 网络架构,如何将
随着第 5 代移动通信系统(5G) 网络第 1 版标
收稿日期: 2018-08-11
作者简介万:方易数芝玲据(1957—), 女, “千人计划”专家, E-mail: icl@ chinamobile. com.
第 5 期
易芝玲等: 5G 蜂窝物联网关键技术分析
21
NFV、SDN、MEC 等关键技术融合到 C-IoT 体系架构
中,构建 5G C-IoT.
1 C-IoT 技术现状
C-IoT 技术体系架构与传统物联网四层体系架
构一致,包括终端、网络层、平台层和应用层,如图 1
所示. 终端指的是集成相应传感器具有无线接入蜂
窝网功能的各类异构物联网设备,包括车载设备、机
器人、无人机、医用设备、监视器、工业设备、可穿戴
设备、家庭设备以及网关设备等;网络包括 2G/ 3G/
4G/ 5G 等蜂窝网以及其他与蜂窝网互联互通的接
入网;平台包括蜂窝网运营商平台以及其他如互联
网公司平台、企业私有平台、政府平台等各种物联网
服务平台;应用涵盖智能交通、智慧医疗、智能制造、
智慧城市、智慧家庭、智能电网等垂直领域,包括共
享单车、自动驾驶、远程抄表、智能路灯、远程诊断、
物流跟踪等服务.
图 2 C-IoT 网络架构(3GPP R13)
C-IoT 数据从终端到服务器的传输有 IP 数据、
Non-IP 数据和短消息(SMS, short messaging service)
3 种方式. IP 数据与 LTE 数据流传输路径与协议一
致. Non-IP 数据可以通过控制面或用户面 2 种路径
传输. NB-IoT 数据优选非接入层控制面路径,通过
MME 到新定义的服务能力开放功能(SCEF, service
capability exposure function) 网 元 传 输, 或 者 通 过
MME 到 SGW 以隧道方式传输. C-IoT 还支持 SMS
模式传递数据,这需要 C-IoT 核心网与 2G/ 3G 的
SMS 中心或电路域移动交换中心互联. 另外,eMTC
语音可以回落到电路域传输,或者以 VoLTE 方式在
IP 多媒体子系统传输.
C-IoT 在降低终端功耗上做了很多优化. C-IoT
定义了节能模式,允许终端关闭接收机进入睡眠模
式,双方通过定时器保持状态同步,定时器时长最大
支持 310 h. 为了降低接入信令开销,增加了介于连
接态与空闲态之间的挂起状态. 挂起状态下,eNB
和终端存储相关上下文信息,以便从挂起态快速恢
复到连接态. 核心网还采用限速机制降低或避免接
入和流量拥塞. NB-IoT 基本版删减了切换和语音
功能.
图 1 C-IoT 体系架构
eMTC 和 NB-IoT 技术标准与产业已经成熟,是
当前 C-IoT 商用重点. 图 2 给出了 C-IoT 网络架构,
描述了 C-IoT 终端、基站、核心网以及服务器之间的
逻辑关系(网络拓扑)[2] . 对于终端,需要集成具备
eMTC 和 NB-IoT 功能的通信模组以及用户身份卡.
标准化的通信模组以及嵌入式用户身份卡有助于降
低终端成本、体积和功耗,成为当前 C-IoT 商用焦
点. 在无线接入网侧,仅需对长期演进( LTE, long
term evolution)基站进行软件升级即可支持 eMTC 和
NB-IoT. 在核心网侧,移动管理实体(MME, mobility
management entity)、 归属用户服务器 ( HSS, home
subscriber server)、 服 务 网 关 ( SGW, serving gate-
way)、分组数据网关(PGW, packet data gateway) 等
网元功能与 LTE 网元功能略有差异. C-IoT 逻辑上
定义了物联网专用核心网(DCN, dedicated core net-
work),将 MME、SGW 和 PGW 中的物联网相关功能
兼并成一个单元,即 C-SGN. DCN 可以通过升级现
C-IoT 规模商用,除了上述增强的低功耗接入
能力,还需要构建具备生态整合能力的服务平台.
这种平台应具备异构终端多制式统一接入能力,保
持稳定性、可扩展性和灵活性的运营能力,以应对终
端数和数据量的不断增长以及新技术和协议的引
入. C-IoT 平台通常包含应用组件、通信组件、识别
组件、感知组件和计算组件等,向下功能主要是各类
异构终端管理与数据管理,包括终端设备状态管理
以及设备添加和移除等操作,统一定义数据流类型
和数据模板,多种网络接入协议适配;向上功能主要
是定义开放的应用程序接口( API, application pro-
gramming interface),便于用户在平台即服务和软件
即服务层对接,搭建 Web 和 APP 等应用生成环境.
此外,大数据存储与分析以及机器学习正成为平台
新功能.
[3]
万方数据
网核心网或者构建新的核心网来实现
.
目前,物联网平台大多支持消息队列遥测传输
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