LTE工業(yè)無線互聯(lián)專網(wǎng)窄帶方案

1、基于免授權(quán)頻譜的LTE 工業(yè)無線互聯(lián)專網(wǎng)窄帶方案目錄 HYPERLINK l _TOC_250029 概述1 HYPERLINK l _TOC_250028 需求分析3 HYPERLINK l _TOC_250028 解決方案10 HYPERLINK l _TOC_250028 成功案例16基于免授權(quán)頻譜的 LTE 工業(yè)無線互聯(lián)專網(wǎng)窄帶方案概述物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是個很大的范疇，任何物與物的聯(lián)接都可以納入物聯(lián)網(wǎng)的概念。從速率的維度其大概可以分為三大類：低速率（100kbps），主要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括 LPWA、ZigBee、藍(lán)牙等，其典型業(yè)務(wù)為抄表、傳感監(jiān)測、智能停車等場 景中速率（10Mbps）：即目前主流

2、的 3G、4G 技術(shù)和 WiFi技術(shù)，其典型業(yè)務(wù)為視頻監(jiān)控、車聯(lián)網(wǎng)、智慧醫(yī)療等其中，RFID（射頻身份識別），ZigBee（IEEE 802.15.4X）是上個世紀(jì) 90 年的物聯(lián)技術(shù)，屬于上述的“低速率100kbps”，且覆蓋距離短（一般 10 米100 米），主要用于室內(nèi)物聯(lián)（如物流，智能家居）。eLTE-IoT 是一種LPWA（Low Power Wide Area）技術(shù)，屬于上述的“低速率100kbps”應(yīng)用場景。LPWA 技術(shù)是近幾年出現(xiàn)的新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，主要技術(shù)特點是低速率、低功耗、遠(yuǎn)距離 54 覆蓋、海量連接，類似的技術(shù)有 NB-IoT、SigFox、LoRa。其中， NB-Io

3、T 是 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)定義的基于 license 頻譜的 LPWA 技術(shù)，適合運營商或有 license 頻譜的客戶部署；sigFox、LoRa、eLTE- IoT 是基于免授權(quán)頻譜的 LPWA 技術(shù)，適合無法獲取頻譜的企業(yè)客戶使用。此外，3GPP 標(biāo)準(zhǔn)除了NB-IoT 還定義了eMTC 和 EC-GSM 物聯(lián)技術(shù)，其中 EC-GSM 是基于 GSM 系統(tǒng)演進(jìn)的 IOT 物聯(lián)技術(shù)；eMTC 是基于 LTE 演進(jìn)的 IOT 物聯(lián)技術(shù)，且 eMTC 是 LTE 寬帶系統(tǒng)的一個特性，最小系統(tǒng)帶寬是 1.4MHZ；而 NB IOT 支持窄帶系統(tǒng)帶寬200KHZ。背景3GPP 標(biāo)準(zhǔn)定義了基于授權(quán)頻譜的蜂

4、窩 IoT 技術(shù)，包括 NB-IoT，EC-GSM 和 eMTC，具體的演進(jìn)路標(biāo)如下：圖 1 NB-IoT、eMTC 及 EC-GSM 演進(jìn)路線對應(yīng)的終端類型包括：R12 定義了 cat-0（MTC）,R13 定義了 cat-M1(eMTC)，以及 cat-NB1(NB-IoT)。 55 實施目標(biāo)圖 2 終端類型及性能因為企業(yè)用戶普遍沒有 3GPP 授權(quán)頻譜，而非 3GPP 物聯(lián)方案又普遍 QoS 較難保證；本 eLTE-IoT 解決方案，基于免授權(quán)頻譜引入高性能 4G/5G 蜂窩無線技術(shù)，提升工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)性能， 匹配工業(yè)互聯(lián)業(yè)務(wù)訴求，加快行業(yè)數(shù)字化進(jìn)程，助力工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)升級，推進(jìn)加快中國智能

5、制造 2025 宏偉目標(biāo)的進(jìn)程。適用范圍eLTE-IoT 蜂窩無線專網(wǎng)解決方案主要適用于以下領(lǐng)域（見圖 3）：圖 3 eLTE-IoT 蜂窩無線專網(wǎng)解決方案適用領(lǐng)域eLTE-IoT 技術(shù)可滿足對低功耗、長待機(jī)、深覆蓋、大容量有所要求的低速率業(yè)務(wù)，更適合靜態(tài)業(yè)務(wù)、對時延低敏感、非 56 連續(xù)移動、弱實時傳輸數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)場景。1、自主異常報告業(yè)務(wù)類型：如煙霧報警探測器、設(shè)備工作異常等，上行極小數(shù)據(jù)量(十字節(jié)量級)，周期多以年、月為單位。2、自主周期報告業(yè)務(wù)類型：如公共事業(yè)的遠(yuǎn)程抄表、環(huán)境監(jiān)測等，上行較小數(shù)據(jù)量(百字節(jié)量級)，周期多以天、小時為單位。3、遠(yuǎn)程控制指令業(yè)務(wù)類型：如設(shè)備遠(yuǎn)程開啟/關(guān)閉、設(shè)備

6、觸發(fā)發(fā)送上行報告，下行極小數(shù)據(jù)量(十字節(jié)量級)，周期多以天、小時為單位。4、軟件遠(yuǎn)程更新業(yè)務(wù)類型：如軟件補(bǔ)丁/更新，上行下行較大數(shù)據(jù)量需求(千字節(jié)量級)， 周期多以月、年為單位。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中的位置eLTE-IoT 無線專網(wǎng)解決方案除了用于智慧城市之外，在工業(yè)園區(qū)，針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)內(nèi)的工廠內(nèi)網(wǎng)場景，通 過為傳感器提供物聯(lián)網(wǎng)連接，進(jìn)行信息采集，實現(xiàn)工人、機(jī)器、物料的跟蹤與監(jiān)控，最終支撐生產(chǎn)自動化、無人工廠、無人貨 架和無人碼頭等的落地。通過無線組網(wǎng)，避免了布線的麻煩，特別是解決了機(jī)器、人員、資產(chǎn)等的移動跟蹤問題，提升了工業(yè)領(lǐng)域的實時管理能力。 57 需求分析圖 4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互

7、聯(lián)示意圖智能倉儲庫存管理：MES 系統(tǒng)將物料、載具、棧板等的標(biāo)碼與 eLTE- IoT 模塊匹配，根據(jù) eLTE-IoT 上報信息完成庫存管理、物料查找、盤點等業(yè)務(wù)自動出入庫：借助物聯(lián)網(wǎng)提供的資產(chǎn)跟蹤功能，管理平臺根據(jù)物品上報的精確位置信息的變更，自動完成物料出入庫流程。智造工廠生產(chǎn)可視化生產(chǎn)可視化的典型應(yīng)用：可視化產(chǎn)線：結(jié)合3D 建模，全場景呈現(xiàn)生產(chǎn)線實際狀態(tài)， 實現(xiàn)設(shè)備信息、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等實時呈現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)：實時監(jiān)測 I/O、能耗等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)和節(jié)能降耗遠(yuǎn)程診斷：通過遠(yuǎn)程視頻回傳，實現(xiàn)現(xiàn)場疑難問題專家 58 遠(yuǎn)程定位，提升效率為實現(xiàn)上述功能，需要把物聯(lián)網(wǎng) IoT 模組嵌入現(xiàn)場設(shè)備內(nèi)部或

8、對接控制器；設(shè)備的I/O、能耗等信息上傳，最終能實時監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)；低功耗物聯(lián)技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)物料和設(shè)備、甚至生產(chǎn)人員的海量聯(lián)接和監(jiān)控。智慧路燈智慧路燈的基礎(chǔ)應(yīng)用是智能照明，即利用物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對路燈的遠(yuǎn)程控制，如路燈的開關(guān)控制和調(diào)光控制。除此之外，能 夠?qū)﹄妷骸㈦娏?、功率因?shù)、亮度、亮燈率、溫度進(jìn)行監(jiān)控， 在用戶計算機(jī)上自動獲得路燈的各種參數(shù)狀態(tài)，實現(xiàn)自動巡檢， 可以判別出路燈的故障狀況、老化程度、亮燈狀況等。除了智能照明外，充分利用燈桿資源，部署攝像頭、基站、廣告牌等設(shè)備，從而實現(xiàn)了城市監(jiān)控、公共傳媒等功能，為城 區(qū)居民，從業(yè)者和商家提供服務(wù)，產(chǎn)生更大的社會和經(jīng)濟(jì)價值。智慧消防智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系

9、統(tǒng)采用采用物聯(lián)網(wǎng)和多傳感器信息融合技術(shù)，實現(xiàn)關(guān)鍵消防設(shè)施的實時監(jiān)測，起到保證關(guān)鍵消防設(shè)備完好率以及火災(zāi)隱患探測與預(yù)警的作用。物聯(lián)感知層通過傳感器判斷煙霧濃度及消防栓水壓來確認(rèn)是否觸發(fā)告警，一旦觸發(fā)，數(shù)據(jù)流通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸至消防云平臺，平臺根據(jù)業(yè)務(wù)需求以 TTS 語音或微信的形式推送給相關(guān)責(zé)任人，并根據(jù)需要推送消防接處警平臺進(jìn)行聯(lián)動。智慧水務(wù)智慧水務(wù)是通過數(shù)采儀、無線網(wǎng)絡(luò)、水質(zhì)水壓表等在線監(jiān) 59 測設(shè)備實時感知城區(qū)供排水系統(tǒng)運行狀態(tài)和水文信息，采用可視化的方式有機(jī)整合水務(wù)管理部門與供排水設(shè)施，實時監(jiān)測水庫河道信息，并可將收集的水務(wù)信息進(jìn)行及時分析與處理，并做出相應(yīng)的處理結(jié)果輔助決策建議。智慧水務(wù)

10、提供智能抄表、水位監(jiān)測等應(yīng)用。智能抄表傳統(tǒng)的人工抄表費時費力、誤差大、效率低，造成電網(wǎng)利潤流失等缺點，智能抄表可用于實時數(shù)據(jù)采集、故障判斷、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取Ｊ褂?eLTE-IoT 物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)無線回傳方式替代人工抄表和其他短距離回傳方式，在降低人力成本的同時，通過實時高效的數(shù)據(jù)采集，可以更合理的實現(xiàn)能源分配，提高能源使用效率。水位監(jiān)測通過 eLTE-IoT 物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實時監(jiān)測動態(tài)水位變化，保存歷史記錄，實時曲線顯示，歷史曲線，歷史報表，支持水資源調(diào)配決策，實現(xiàn)以水源取水、輸水、供水、用水、耗水和排水等水資源開發(fā)利用主要環(huán)節(jié)的監(jiān)測和水資源信息的交換與共享。解決方案方案介紹eLTE-IoT 解決方案整體網(wǎng)

11、絡(luò)架構(gòu)包含四個部分：終端接入 層、網(wǎng)絡(luò)接入層、業(yè)務(wù)引擎、第三方應(yīng)用平臺，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙缦拢?60 圖 5 eLTE-IoT 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁I(yè)務(wù)引擎 Service Engine（eSE6201）包括三大功能，即接入認(rèn)證管理、操作維護(hù)管理和應(yīng)用接口管理三大功能。其中接入認(rèn)證管理功能模塊主要用于基站的接入控制、認(rèn)證和鑒權(quán)， 信令和數(shù)據(jù)處理，操作維護(hù)等功能。應(yīng)用接口管理主要負(fù)責(zé)提供與上層物聯(lián)網(wǎng)平臺或者行業(yè)應(yīng)用之間的接口。 Service Engine 對外可提供基于標(biāo)準(zhǔn)的 IoT 接口（MQTT/IP 轉(zhuǎn)發(fā)）對接上層物聯(lián)網(wǎng)平臺，起到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、IP 代理的功能。操作維護(hù)管理指的是對于下轄的 AirNode、CP

12、E 進(jìn)行管理的能力。eLTE-IoT 室外型基站eAN3710A 外接高增益天線，支持抱桿安裝。AirNode 支持有線方式和 ServiceEngine 直連，也可通過外置 3G/4G 無線回傳模塊（第三方提供）通過無線網(wǎng)絡(luò)回傳， 或 eLTE CPE 專網(wǎng)無線回傳。終端接入層包含了兩種形態(tài)：模組以及 CPE。eLTE-IoT CPE（eA300-8a）是窄帶 CPE，最大支持的上行吞吐率為 10kbps，下行 10kbps，用于通過 RJ45 接口或者串口 61 （RS485）對接低速率的集中器或電力框表。eLTE-IoT 模組（eM300）數(shù)據(jù)模塊主要提供給行業(yè)客戶進(jìn)行終端的二次開發(fā)。模

13、組提供串口及 AT 命令集，支持被集成到不同類型的終端中以接入 eLTE-IoT 網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋏LTE-IoT 基于 3GPPNB-IOT 技術(shù)，并增加適配免授權(quán)頻譜法規(guī)約束的新特性。其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議棧如下：NovelUu u-S1UELiteCoreAPP ServereNB (AirNode)Sensor 圖 6 eLTE-IoT 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)UELiteCoreeNBL1L2IPTCPu-S1 APNovelL1PHYL2SACIPMACTCPRLCu-S1 APPHYSACMACRLCNovelRRCRRCuuu-S1圖 7 eLTE-IoT 協(xié)議棧表 1 eLTE-IoT 網(wǎng)

14、元功能網(wǎng)元功能接口UE空口廣播、接入/釋放、數(shù)據(jù)傳輸、小區(qū)更新等Uu接入/釋放、TAU、數(shù)據(jù)傳輸NoveleNB空口廣播、接入/釋放、數(shù)據(jù)傳輸、小區(qū)更新等UuS1 連接建立、釋放u-S1LiteCore（業(yè)務(wù)引擎）S1 連接建立、釋放u-S1接入/釋放、TAU、數(shù)據(jù)傳輸Novel 62 SAC 層為業(yè)務(wù)適配層，以實現(xiàn)靈活配置物理層資源，適配不同速率和覆蓋的應(yīng)用場景。eLTE-IoT 的關(guān)鍵技術(shù)如表 2 所示：表 2 eLTE-IoT 關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)備注3GPP NB-IOT 物理層基礎(chǔ)技術(shù)采樣率： 1.92MHz上行/下行： OFDM子載波: 上行 3.75kHz， 下行 15kHz O

15、FDM 符號：Normal/Extended CP調(diào)制編碼：3GPP LTE 標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制編碼時隙劃分：0.5ms/2ms完全重用 3GPP NB- IOT 的芯片硬件（目前 基 于 海 思 芯 片Boudica V120）法規(guī)和頻譜適配增強(qiáng)技術(shù)跳頻 FH-OFDMUL 競爭式數(shù)據(jù)發(fā)送SLOT ALOHA TDD 幀結(jié)構(gòu)Duty cycle 控制跳頻同時具備提升覆蓋和抗干擾能力； SLOT ALOHA 同時具備提升系統(tǒng)連接數(shù)的作用長距覆蓋10Km跳頻頻率分集，時間分集，子幀間循環(huán)移位， 時域重復(fù)增強(qiáng)信噪比，蜂窩技術(shù)的無線鏈路技術(shù)（卷積碼和Turbo 碼，BPSK/QPSK 相位調(diào)制，HARQ/AR

16、Q 傳輸控制）海量鏈接50K多個窄帶 channel自適應(yīng)速率適配低功耗10 年P(guān)SM 低功耗模式；eDRX 低功耗 Paging 喚醒模式同 3GPP NB IoT可靠鏈接&抗干擾強(qiáng) FEC+兩級重傳(HARQ+ARQ)，小包快傳，UL 功控功能設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)時代將有數(shù)百億物體接入網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)的接入技術(shù)有近距離無線接入技術(shù)和移動蜂窩網(wǎng)技術(shù)兩類，這兩類技術(shù)都有其優(yōu)勢與不足。如 WiFi、藍(lán)牙、ZigBee 等近距離無線接入技術(shù)在特定空間范圍下?lián)碛蟹€(wěn)定性高、接入速度快等優(yōu)勢，但其覆蓋能力有限，對回傳網(wǎng)絡(luò)依賴嚴(yán)重，又因為抗干擾能力不足以及機(jī)制設(shè)計等因素，使得終端功耗較大，無法長時間使用。而移動蜂窩網(wǎng)技

17、術(shù)，雖然可以滿足大范圍或者移動性的應(yīng)用需求，但其最大的問題是系統(tǒng)容量的限制，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的接入與公眾用戶的接入無法完全隔離，在容量上相互制約，后續(xù)難以 63 獨立應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)市場的迅猛發(fā)展，并且其是依托移動核心網(wǎng)進(jìn) 行終端節(jié)點的管理，對號碼資源消耗量過大。同時，無論是 2G、3G 還是 4G 的物聯(lián)網(wǎng)終端仍然存在模塊成本高與電池使用壽命短的問題。事實上，物與物的通信并不像人與人的通信一樣總是 要追求高速率帶寬的方式，大量設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)后僅需少量的數(shù) 據(jù)傳輸或數(shù)據(jù)傳輸頻率很低；也不像人與人的通信要頻繁進(jìn)行 充電，很多設(shè)備因其所處環(huán)境的特殊性和數(shù)量巨大，對支撐其 通信的功耗需求較低，例如大量的水表抄表、

18、煙霧報警、路燈 控制、水文監(jiān)測、智能停車、環(huán)境監(jiān)測等，對于這些傳感裝置 的聯(lián)網(wǎng)要求選擇一個低帶寬、低功耗且大范圍覆蓋的網(wǎng)絡(luò)是其 最有效的解決方案。LPWA(Low Power Wide Area，低功耗廣域技術(shù))是一種能適 配 M2M 的業(yè)務(wù)，具有流量小、連接數(shù)量大等特性的新型無線接入技術(shù)，可形成一張廣覆蓋、低速率、低功耗和低成本的無線 接入網(wǎng)絡(luò)，目前 LPWA 主流技術(shù)是以 3GPP 為代表的 NB-IoT 技術(shù)。華為 eLTE-IoT 解決方案基于 3GPP NB-IoT 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用靈活易部署的輕量化設(shè)備，支持標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議與企業(yè)上層應(yīng)用平 臺進(jìn)行對接，并基于 1GHz 以下的 ISM

19、 免授權(quán)頻譜進(jìn)行了法規(guī)適配，無需授權(quán)頻譜即可快速部署廣域物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。主要技術(shù)特點 如下。長距覆蓋eLTE-IoT 通過窄帶頻域占用以適配法規(guī)要求，通過提升功率譜密度來提升覆蓋，同時將待發(fā)送的數(shù)據(jù)調(diào)制后在多個時域內(nèi)進(jìn)行重復(fù)發(fā)送，在接收機(jī)側(cè)會將重復(fù)的信號進(jìn)行累積從而獲 64 得更高的信噪比，從而提升靈敏度和覆蓋范圍。最遠(yuǎn)可實現(xiàn)10Km 的覆蓋能力。海量連接因每個終端的物聯(lián)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包并不是很多大，所以 eLTE- IoT 提供更小的資源分配粒度，特別是上行，每個信道30 kHz， 這樣單位帶寬內(nèi)可以有更多的上行信道，支持并發(fā)，而且為了提供海量聯(lián)接， 允許多個用戶復(fù)用一個信道， 并使用 Slot ALO

20、HA 機(jī)制時分復(fù)用，大大提高信道利用效率和接入容量，最大可支持每小區(qū) 5 萬連接接入。低功耗終端發(fā)送完數(shù)據(jù)后，就進(jìn)入 PSM 低功耗休眠態(tài)，待機(jī)電流uA 級。對于 1 天 1 次，或半小時 1 次的物聯(lián)業(yè)務(wù)，PSM 模式極大的降低了功耗，最長可支持 10 年的電池壽命。如果終端進(jìn)入休眠后，可能會有下行的業(yè)務(wù)下發(fā)，此時通過尋呼機(jī)制喚醒終端， 同時為了降低功耗，采用 eDRX 機(jī)制，即終端在給定的窗口內(nèi)檢測尋呼消息，該窗口接收后進(jìn)入 PSM 休眠態(tài)，然后直到下次尋呼接收窗口到來。這種方式相比以前一直保持能偵聽尋呼paging 的狀態(tài)，加入了一個 PSM 狀態(tài)，使得終端有更多的時間處于低功耗模式，從

21、而達(dá)到省電的目的?？煽窟B接無線信道在傳播過程中會受到系統(tǒng)內(nèi)，系統(tǒng)外的各類干擾， 所以FEC（前向糾錯編碼）技術(shù)具備超強(qiáng)的糾錯能力，將收干擾影響的信號糾正過來，從而提供可靠的鏈接。本系統(tǒng)的 FEC 技術(shù)采用 3GPP 的 Turbo 編碼技術(shù)，糾錯能力強(qiáng)，抗干擾效果好。 65 對于超出 FEC 能力范圍，發(fā)生輸出錯誤時，系統(tǒng)將采用 HARQ 以及 ARQ 機(jī)制進(jìn)行重傳。eLTE-IoT 支持上行物理層快速反饋特性， 可在一個上行傳輸時隙完成后對上行信道數(shù)據(jù)傳輸是否正確進(jìn) 行反饋。通過快速反饋可確?？湛诘膩G包率滿足可靠性要求。 但由于重傳會帶來時延的增加，eLTE-IoT 可通過配置上行信道是否支

22、持 HARQ 來適配不同的業(yè)務(wù)可靠性訴求，達(dá)到時延與丟包率的權(quán)衡。該特性的配置可針對每個信道組（上行虛擬信道組 合）進(jìn)行單獨配置。安全性eLTE-IoT 繼承了 LTE 系統(tǒng)的端到端加密算法，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)進(jìn)行增強(qiáng)。在免 SIM 卡的情況下，空口側(cè)通過通信模塊內(nèi)的專用存儲來實現(xiàn)端到端鑒權(quán)、認(rèn)證和加密，在基站與業(yè)務(wù)引擎之間的傳輸也有 TCP+SSL 的加密保護(hù)機(jī)制，同時支持加密算法的客戶化定制，保障易受攻擊的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)安全通信行業(yè)適配性eLTE-IoT 不僅支持上報類業(yè)務(wù)，還支持查詢類、控制類業(yè)務(wù)，TDD 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計為行業(yè)應(yīng)用提供更好的業(yè)務(wù)響應(yīng)，更好適配行業(yè)需求，而現(xiàn)有的其它私有技術(shù)以上行業(yè)務(wù)

23、為主，且速率和傳輸效率的缺失，使其在應(yīng)用場景（容量、速率、上下行并發(fā)業(yè)務(wù)等）受限，無法滿足各行業(yè)規(guī)模使用的需求。提供 MQTT 等外部接口，用于跟各行業(yè)的應(yīng)用服務(wù)對接。關(guān)鍵技術(shù)抗干擾技術(shù)窄帶頻譜 66 在無線領(lǐng)域有多種抗干擾技術(shù)，而窄帶跳頻被多數(shù)廠商公認(rèn)為最行之有效的抗干擾技術(shù)。窄帶信號的使用不僅可以降低對網(wǎng)絡(luò)中其他系統(tǒng)的影響， 同時降低了在頻域上被干擾的概率，如下圖所示：從上圖可以看出，當(dāng)窄帶干擾信號在任意頻率數(shù)出現(xiàn)的概 率相等時，干擾信號落在窄帶信號內(nèi)的機(jī)會將要小于寬帶信號。跳頻跳頻，通過在多個信道間進(jìn)行隨機(jī)選擇信道進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送， 通過跳頻技術(shù)可以解決突發(fā)的隨機(jī)干擾，獲得抗干擾增益。eLT

24、E-IoT 系統(tǒng)包含了上行跳頻以及下行跳頻兩大特性。系統(tǒng)將時域資源劃分為多個時間窗，終端在每個發(fā)送機(jī)會窗里，都根據(jù)偽隨機(jī)的跳頻機(jī)制，在系統(tǒng)所配置的信道范圍內(nèi)， 選取一個信道來發(fā)送，從而實現(xiàn)上行跳頻；通過跳頻，數(shù)據(jù)發(fā)送時使用的頻率資源不斷發(fā)生變化，避 免在某個頻率存在干擾時被持續(xù)干擾，出現(xiàn)連續(xù)數(shù)傳失??；同 時在不同的頻率信道上發(fā)送，在接收端可以獲得頻率分集增益， 利于提升覆蓋。 67 eFECFEC（前向糾錯編碼）技術(shù)具備超強(qiáng)的糾錯能力，在無線傳輸過程中，由于干擾存在可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)生比特位翻轉(zhuǎn)，通過FEC 技術(shù)可以對收干擾影響的數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正，從而提供可靠的鏈接。本系統(tǒng)的 FEC 技術(shù)采用 3GP

25、P 的 trubo 編碼技術(shù)，糾錯能力強(qiáng)，抗干擾效果好。兩級重傳技術(shù)適配物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)上行業(yè)務(wù)為主的特性，eLTE-IoT 支持上行物理層 HARQ，確保通信底層每個數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，對于物理層除傳錯誤的數(shù)據(jù)包進(jìn)行再次重傳，確保正確率。eLTE-IoT 同時支持上下行信道的 ARQ 特性，即一個完整應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸完成后發(fā)送狀態(tài)指示，標(biāo)示每個分片是否傳輸正確， 傳輸失敗的數(shù)據(jù)將進(jìn)行重傳，進(jìn)一步確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，降低 68 由于干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤的比例。eLTE-IoT 支持對上下行信道是否開啟 ARQ 特性進(jìn)行配置，滿足不同業(yè)務(wù)可靠性要求。低解調(diào)門限eLTE-IoT 引入重復(fù)+合并解調(diào)技術(shù)，降低了信號解

26、調(diào)的信噪比要求，理論上有用信號可以比噪聲低 10dB 以上，即干擾信號可以比有用信號的功率大 10 倍，可以解決由于干擾導(dǎo)致的底噪抬升問題。同時重復(fù)與合并引入，在時間上離散了干擾信號，突發(fā)的干擾信號僅影響一個或者部分重復(fù)分片，通過合并仍可解調(diào)出正確信號，極大的提升了抗突發(fā)干擾能力。小包快傳 69 為了保證終端發(fā)送的業(yè)務(wù)包在無線傳輸過程中的可靠性， 一般都會進(jìn)行糾錯編碼，并且針對傳錯的包都會進(jìn)行重傳；如果無線鏈路中發(fā)送的包很長，即使其中只錯了一兩個比特，還是要重傳整個包，從而使系統(tǒng)做了很多無效工作。所以本系統(tǒng)采用小包快傳機(jī)制，即將將無線鏈路發(fā)送的包長控制在較小的范圍，一般是幾十字節(jié)，然后針對每個

27、小包， 基站快速反饋其是否成功接收（一般幾毫秒內(nèi)就可反饋），如果失敗，則終端重傳；否則繼續(xù)發(fā)送。小包快傳機(jī)制，控制了發(fā)包長度，減少數(shù)據(jù)包發(fā)送過程中的被干擾的概率，同是快速反饋接收結(jié)果，從而提升了上行的傳輸效率，縮短了終端的發(fā)送時間，也進(jìn)而降低了終端功耗。長距覆蓋窄帶 power boosting頻域信道窄，適配法規(guī)要求，同時提升功率譜密度從而提升覆蓋，相對底噪獲得更好的工作信噪比，結(jié)合低解調(diào)門限， 進(jìn)而獲得更大的 MCL；結(jié)合 OFDM 技術(shù)，提升系統(tǒng)頻譜效率，并且具有抗多徑干擾的能力。時域重復(fù)將待發(fā)送的數(shù)據(jù)調(diào)制后進(jìn)行多次重復(fù)，在接收機(jī)側(cè)，會將重復(fù)的信號進(jìn)行累積從而獲得更高的信噪比，從而提升靈

28、敏度和覆蓋范圍。 70 海量鏈接OFDM 窄帶信道eLTE-IoT 提供更小的資源分配粒度，定義了窄帶信道，這樣單位帶寬內(nèi)可以有更多的上行信道，支持并發(fā)，而且為了提供海量鏈接，允許多個用戶復(fù)用一個信道；引入 OFDM 技術(shù)，在相同的頻譜上通過正交的方式獲得更多的載波資源，更高效率的利用了頻率資源，提供更多信道。Slot ALOHAeLTE-IoT 終端采用競爭接入的方式發(fā)起上行業(yè)務(wù)，這樣相比基站調(diào)度的方式，可以進(jìn)一步減少下行調(diào)度指令的開銷和復(fù)雜度，減少時延，適合 IOT 業(yè)務(wù)。（另外，F(xiàn)CC 法規(guī)不允許中心調(diào)度模式）。當(dāng)終端有上行數(shù)據(jù)要發(fā)時，隨機(jī)獲取上行發(fā)送機(jī)會；各終端之間的競爭機(jī)制是 Slo

29、t-ALOHA，比完全隨機(jī)的 ALOHA 系統(tǒng)頻譜效率提升一倍，最終轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)容量的增加。 71 對于一個基站下的多個用戶，且多個用戶隨機(jī)發(fā)起上行業(yè) 務(wù)；如果多個用戶在同一個時頻資源上發(fā)送數(shù)據(jù)時，就會沖突， 導(dǎo)致基站無法正常解調(diào)數(shù)據(jù)，且導(dǎo)致系統(tǒng)資源浪費；為了降低 多個 UE 隨機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時的碰撞沖突概率，本系統(tǒng)采用 slot ALOHA 機(jī)制，即基于同步的競爭接入，可提升上行系統(tǒng)效率。采用 slot ALOHA 機(jī)制，終端所競爭的在時域上的發(fā)送機(jī)會窗，都是以一定的時間粒度為單位的，對于一個給定的上行信道，該時間粒度是固定的，不同的上行信道可以配置不同的時間粒度。當(dāng)終端有很多數(shù)據(jù)要發(fā)，一次競爭最

30、多只能占用一個時間粒度，后續(xù)數(shù)據(jù)還需繼續(xù)競爭；且每次競爭的時間窗的起始都是一個完整的時間粒度的起始；該起始的時間點由系統(tǒng)的同步信道提供。本系統(tǒng)上行信道支持兩種反饋/退避方式：UL confirm 模式如果終端所選取的上行信道是 confirm 信道，即基站針對 72 物理層的每個數(shù)據(jù)包都會反饋 ACK/NACK 給終端時；如果前一個上行包反饋 ACK（即當(dāng)前沒有用戶與之競爭），則終端可以繼續(xù)發(fā)送下一個包，反之，如果前一個包反饋 NACK（即可能發(fā)生了沖突），則要退避一段時間后，再繼續(xù)發(fā)送；UL Unconfirm 模式如果終端所選取的上行信道是 Unconfirm 信道，即基站針對物理層的每個

31、數(shù)據(jù)包都不會反饋 ACK/NACK 給終端時；因沒有反饋，無法判斷是否發(fā)送碰撞，所以終端在發(fā)送每個上行數(shù)據(jù)包之前，都要隨機(jī)退避，以避免多個用戶同時發(fā)起導(dǎo)致沖突。低功耗PSM 低功耗模式終端發(fā)送完數(shù)據(jù)后，就進(jìn)入 PSM 低功耗休眠態(tài)，待機(jī)電流uA 級。對于 1 天 1 次，或半小時 1 次的物聯(lián)業(yè)務(wù)模型，PSM 模式極大的降低了功耗。eDRX 低功耗Paging 喚醒模式如果終端進(jìn)入休眠后，可能會有下行的業(yè)務(wù)下發(fā)，此時通過paging 機(jī)制喚醒終端，同時為了降低功耗，采用eDRX 機(jī)制， 即終端在給定的窗口內(nèi)檢測 paging 消息，該窗口接收后進(jìn)入 73 PSM 休眠態(tài)，然后直到下次paing

32、 接收窗口到來。這種方式相比以前一直保持能偵聽 paging 的狀態(tài)，加入了一個 PSM 狀態(tài)，使得終端有更多的時間處于低功耗模式，從而達(dá)到省電的目的。安全及可靠性安全性(III)Non-Acesss StratumLiteCore(II)Transport Stratum(I)UE(IV)Application StratumBSApplication ServerUser Application在上述典型的安全架構(gòu)中，針對物聯(lián)網(wǎng) IoT 終端成本低、處理能力弱，且每個終端的信息量有限的特點，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)主要提供接口III,接口 II 的安全；解決 UE 入網(wǎng)鑒權(quán)、E2E 信息安全，以及基站的

33、入網(wǎng)鑒權(quán)和基站與 Litecore 之間的信息安全；Network access security (I)：空口安全，由于大部分安全由高層保證，空口安全優(yōu)先級較低。Network domain security (II)：u-S1 接口安全，經(jīng)由有線和無線回傳公共網(wǎng)絡(luò)，安全主要由回傳網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制保證，如 SSL/TCP。Network Non-Access Stratum security (III)：UE 和LiteCore 之間的安全通道，尤其防護(hù) Novel 信令攻擊。是 eLTE-IoT 解決方案主要的安全防護(hù)通道。Application domain security (IV)：應(yīng)用

34、層安全，在 74 本解決方案中不涉及。eLTE-IoT 業(yè)務(wù)面安全亮點特性：免 SIM 卡安全機(jī)制，即在不使用硬 SIM 卡的方式下，仍然支持安全機(jī)制，（支持更低成本，更低功耗）電信級的安全機(jī)制，包括用戶身份雙向鑒權(quán)，用戶數(shù)據(jù)E2E 加密及完整性保護(hù)安全機(jī)制所使用的根密鑰，支持由客戶寫入（每個終端都使用獨立的根密鑰），即客戶可以從根本上控制每個 IOT 鏈接的安全能力硬件化的安全核，內(nèi)置于海思芯片內(nèi)，完成密鑰寫入/ 存儲，以及加密/解密操作，確保信息安全安全算法：信令和數(shù)據(jù)同時加密，端到端安全（終端側(cè)信息加密，直到核心網(wǎng)側(cè)才進(jìn)行解密，中間的無線網(wǎng)絡(luò)以及傳輸過程中都是加密后的暗文），128-EE

35、A2 (3GPP TS38.401)完整性算法：信令和數(shù)據(jù)同時保護(hù)，端到端完整性保護(hù)，128-EIA2 (3GPP TS33.401)可靠性基站可靠性:支持全面故障檢測功能，包括硬件、軟件、天線、傳輸、小區(qū)。支持故障隔離和自愈功能，確保局部故障不影響系統(tǒng)中的其他部分。此外，還支持降規(guī)格建立小區(qū)，將故障對業(yè)務(wù)的影響降至最低限度。 75 核心網(wǎng)可靠性eLTE-IoT 核心網(wǎng)具有以下軟、硬件可靠性：分布式設(shè)計：采用分布式的硬件結(jié)構(gòu)，通過功能的模塊化設(shè)計實現(xiàn)分布式處理，各模塊功能相對獨立，并分別由不同的處理機(jī)負(fù)責(zé)控制，一個處理機(jī)的故障不會影響整個系統(tǒng)的正常運行。冗余設(shè)計：硬件廣泛采用主備用、負(fù)荷分擔(dān)、冗余配置 等可靠性設(shè)計方法，確保了硬件系統(tǒng)的可靠性；關(guān)鍵部件均采 用多處理機(jī)冗余技術(shù)，采用主備進(jìn)程運行方式。在正常情況下， 主用處理機(jī)控制模塊的運行，備用處理機(jī)則實時與主用處理機(jī) 保持同步；一旦主用處理機(jī)故障，備用處理機(jī)將立即投入運行 接替主用處理機(jī)控制模塊，從而保證系統(tǒng)的業(yè)務(wù)不中斷。業(yè)務(wù) 模塊與接口模塊采用負(fù)荷分擔(dān)的設(shè)計方式，兩塊或多塊模塊在 正常工作時，均承擔(dān)相同的處理功能，而當(dāng)