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
華為技術(shù)有限公司
網(wǎng)絡(luò)改造技術(shù)篇/成熟技術(shù)/工廠內(nèi)網(wǎng)改造
1 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（<1Mbps），主要網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)為GSM/GPRS/CDMA和LTE MTC(R12, R13 Machine Type Communication，3GPP中M2M被稱為MTC)，典型業(yè)務(wù)為可穿戴、智能家居等應(yīng)用
? 高速率（>10Mbps）：即目前主流的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(diǎn)是低速率、低功耗、遠(yuǎn)距離覆蓋、海量連接，類似的技術(shù)有NB-IoT、SigFox、LoRa。其中，NB-IoT是3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義的基于license頻譜的LPWA技術(shù)，適合運(yùn)營商或有l(wèi)icense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。
1.2 背景
3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義了基于授權(quán)頻譜的蜂窩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)。
圖2 終端類型及性能
1.3 實(shí)施目標(biāo)
因?yàn)槠髽I(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)加快中國智能制造2025宏偉目標(biāo)的進(jìn)程。
1.4 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、非連續(xù)移動、弱實(shí)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。
4.%2 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(shí)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(shí)時管理能力。
圖4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意圖
2 需求分析
2.1 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(diǎn)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。
2.2 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(shí)際狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等實(shí)時呈現(xiàn)
? 預(yù)防性維護(hù)：實(shí)時監(jiān)測I/O、能耗等數(shù)據(jù)，實(shí)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(shí)現(xiàn)現(xiàn)場疑難問題專家遠(yuǎn)程定位，提升效率
為實(shí)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?qū)涌刂破鳎辉O(shè)備的I/O、能耗等信息上傳，最終能實(shí)時監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)；低功耗物聯(lián)技術(shù)，實(shí)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。
2.3 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(shí)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娏鳌⒐β室驍?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(shí)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(shí)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。
2.4 智慧消防
智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)采用采用物聯(lián)網(wǎng)和多傳感器信息融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵消防設(shè)施的實(shí)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。
2.5 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)測設(shè)備實(shí)時感知城區(qū)供排水系統(tǒng)運(yùn)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(shí)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)提供智能抄表、水位監(jiān)測等應(yīng)用。
1）智能抄表
傳統(tǒng)的人工抄表費(fèi)時費(fèi)力、誤差大、效率低，造成電網(wǎng)利潤流失等缺點(diǎn)，智能抄表可用于實(shí)時數(shù)據(jù)采集、故障判斷、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取Ｊ褂胑LTE-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(shí)時高效的數(shù)據(jù)采集，可以更合理的實(shí)現(xiàn)能源分配，提高能源使用效率。
2）水位監(jiān)測
通過eLTE-IoT物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時監(jiān)測動態(tài)水位變化，保存歷史記錄，實(shí)時曲線顯示，歷史曲線，歷史報表，支持水資源調(diào)配決策，實(shí)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。
3 解決方案
3.1 方案介紹
eLTE-IoT解決方案整體網(wǎng)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?/p>
圖5 eLTE-IoT網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>
業(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、CPE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Service Engine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（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)。
3.2 系統(tǒng)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>
eLTE-IoT基于3GPP NB-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：
圖7 eLTE-IoT協(xié)議棧
表1 eLTE-IoT網(wǎng)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 | Novel | |
eNB | 空口廣播、接入/釋放、數(shù)據(jù)傳輸、小區(qū)更新等 | Uu |
S1連接建立、釋放 | u-S1 | |
LiteCore（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 |
SAC層為業(yè)務(wù)適配層，以實(shí)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 OFDM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-OFDM UL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/ARQ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 | PSM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 |
3.3 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?yàn)榭垢蓴_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)難以獨(dú)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(diǎn)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(shí)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、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(diǎn)如下。
1）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)行累積從而獲得更高的信噪比，從而提升靈敏度和覆蓋范圍。最遠(yuǎn)可實(shí)現(xiàn)10Km的覆蓋能力。
2）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 ALOHA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。
3）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，從而達(dá)到省電的目的。
4）可靠連接
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。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。通過快速反饋可確保空口的丟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(dú)配置。
5）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(shí)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
6）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)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。
3.4 關(guān)鍵技術(shù)
3.4.1 抗干擾技術(shù)
1）窄帶頻譜
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。
2）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。
eLTE-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(shí)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)傳失敗；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。
3）eFEC
FEC（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3GPP的trubo編碼技術(shù)，糾錯能力強(qiáng)，抗干擾效果好。
4）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。
5）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。
6）小包快傳
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。
3.4.1.1 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，從而提升靈敏度和覆蓋范圍。
3.4.1.2 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 ALOHA
eLTE-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Slot-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。
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(fèi)；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(diǎn)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。
3.4.1.3 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PSM休眠態(tài)，然后直到下次paing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。
3.5 安全及可靠性
3.5.1 安全性
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(diǎn)，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)用層安全，在本解決方案中不涉及。
eLTE-IoT業(yè)務(wù)面安全亮點(diǎn)特性：
1) 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）
2) 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)
3) 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(dú)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
4) 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
5) 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-EEA2 (3GPP TS38.401)
6) 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)
3.5.2 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。
? 核心網(wǎng)可靠性
eLTE-IoT核心網(wǎng)具有以下軟、硬件可靠性：
1）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(shí)現(xiàn)分布式處理，各模塊功能相對獨(dú)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(yùn)行。
2）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(yùn)行方式。在正常情況下，主用處理機(jī)控制模塊的運(yùn)行，備用處理機(jī)則實(shí)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(yùn)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)其中一個模塊出現(xiàn)故障時，在保證一定性能指標(biāo)（如呼損）的前提下，由其它模塊完成故障模塊的處理任務(wù)，不影響系統(tǒng)正常工作。IP接口支持物理備份，確保與IP承載網(wǎng)之間的IP路由的可靠性。
3）供電可靠性:采用分布式供電方案，冗余備份的雙供電系統(tǒng)，具有防雷、斷電保護(hù)、電壓和電流的過高過低保護(hù)等功能。若系統(tǒng)掉電，系統(tǒng)支持整機(jī)掉電重啟時間小于5分鐘。機(jī)框的電源模塊采用1＋1備份的冗余設(shè)計，確保在一個電源模塊出現(xiàn)故障時，不影響系統(tǒng)的正常工作。
4）容錯能力:通過對關(guān)鍵軟件資源定時檢測、實(shí)時任務(wù)監(jiān)控、存儲保護(hù)、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、操作日志信息保存等手段，可有效地防止小軟件故障對系統(tǒng)所造成的沖擊，提高軟件系統(tǒng)的容錯能力（即軟件錯誤情況下的自愈能力）。
5）故障監(jiān)視及處理:核心網(wǎng)具備自動檢測與診斷系統(tǒng)軟硬件故障的功能，可對故障硬件實(shí)施自動隔離、倒換、重新啟動、重新加載等處理。
6）支持熱補(bǔ)丁:在設(shè)備的運(yùn)行過程中，支持對主機(jī)軟件打熱補(bǔ)丁的功能，可以在不影響系統(tǒng)業(yè)務(wù)的情況下實(shí)現(xiàn)對主機(jī)軟件的動態(tài)在線升級，有利于提高通信服務(wù)質(zhì)量。
3.5.3 系統(tǒng)可靠性指標(biāo):
指標(biāo)名稱 | 指標(biāo)值 | |
典型配置系統(tǒng)可用度 | ≥99.999% | |
系統(tǒng)平均故障間隔時間MTBF | ≥24年（滿配置） ≥42年（單框） | |
系統(tǒng)平均故障修復(fù)時間MTTR | ≤1小時（不含準(zhǔn)備時間） | |
冗余備份機(jī)制 | 1+1備份 |
3.6 解決方案亮點(diǎn)
3.6.1 雙向認(rèn)證，更安全
eLTE-IoT解決方案，通過如下關(guān)鍵技術(shù)手段確保具備更高的安全性：
? 雙向鑒權(quán)：終端與業(yè)務(wù)引擎/核心網(wǎng)之間雙向鑒權(quán)，任何一方未通過鑒權(quán)則拒絕接入。防止偽基站等方式騙取用戶信息。
? 先進(jìn)算法：支持AES加密算法，支持?jǐn)?shù)據(jù)和信令端到端加密，保障全流程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全。
? 創(chuàng)新協(xié)議：專為企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)定制的輕量級Novel協(xié)議，更好滿足UE與eSE之間安全通信的同時，提升通信效率。
3.6.2 覆蓋距離更遠(yuǎn)
同等配置和安裝條件下，eLTE-IoT實(shí)測的覆蓋距離是競爭方案的1.2倍，有利于在工業(yè)園區(qū)、車間內(nèi)部面臨建筑物和設(shè)備遮擋的情況下，仍獲得良好的覆蓋。
3.6.3 容量更大
單站能支持高達(dá)50000個鏈接，能同時接入各種類型的終端，有效降低工業(yè)園區(qū)、智慧城市的物聯(lián)網(wǎng)建網(wǎng)成本。
3.6.4 支持永久在線與低時延二種工作模式
其他技術(shù)如LoRa等方案，只支持高時延的低功耗模式。
而eLTE-IoT除支持低功耗模式外，還支持永久在線工作模式。 永久在線工作模式適合有交流供電，但要求低時延以便快速響應(yīng)的場景，例如開關(guān)控制。
4 成功案例
eLTE-IoT網(wǎng)絡(luò)解決方案已成功服務(wù)于山東省淄博市高青智慧城市項(xiàng)目，用于一跳遠(yuǎn)程抄表和城市防澇監(jiān)控等。并助力高青獲得2017中國智慧城市示范城市獎。
直接收益：
? 700多村頭機(jī)械表智能化改造，節(jié)省成本60萬元/年
? 抄表頻率由每月縮短至每小時，及時發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)漏損
? 水資源、水環(huán)境、水安全可視化管理，防洪排澇提前預(yù)警
