1物联网的市场现状
物联网实现了机器与机器、机器与人之间的通信,其基于行业终端,通过传感数据采集、移动通信等技术,满足人们对工作流程监控、指挥调度、远程数据采集及诊断等方面的信息化需求。以电力抄表为例,通过在电表箱内安装物联网终端可采集居民日常的用电量并通过移动通信网络远程传输至电力公司,对比传统的人工抄表,其减少了人力成本的投入并提高了抄表的效率和及时性,因而物联网提升了社会各个行业的生产效能和信息服务水平。目前,物联网在各行业内的多个领域中规模应用,如教育、医疗、安防、家居、农业、交通、建筑等等,如下图所示。
综合分析各个行业,物联网终端接入移动通信网络的数据传输主要分为如下三种类型:
(1)数据采集类:以远程抄表(水、电、煤气)为代表,终端仅需在上报数据时才会通过移动网络连接位于Internet内的远程后台,一天连接如两三次或者更少,每次传输数百到数千字节,即终端的通信速率仅为几百bps到数千bps。
(2)实时交互类:以智能可穿戴产品、车载终端为例,如车载终端在特定的时间段内(如车辆行驶过程中)定期上报(如每间隔5分钟)卫星位置、车辆运行参数等数据;同时不定时地接收后台的立即定位、车辆控制等远程指令。实时交互类终端的数据传输速率一般为数kbps到数十kbps。
(3)视频应用类:以视频监控终端为代表,通过3G、4G移动网络承载视频流,如LTE终端等,传输速率一般在数百kbps到数Mbps之间(根据视频质量不同)。
据统计,超过80%的物联网终端属于数据采集类和实时交互类,即有小数据量的通信需求,其中绝大多数接入GSM网络(如中国移动的GPRS网络);物联网终端内集成2G移动通信模块并插入SIM卡,通过GPRS网络与后台交互数据。
2物联网发展中面临的问题
随着物联网终端的多样化、物联网业务应用的丰富化,以移动通信网络为纯管道的传统物联网体系架构面临着如下新的问题:
(1)在接入侧,很多物联网终端在工作时由于没有外接电源,仅靠终端内的电池供电,耗电快、充电频繁,给用户的使用带来不便,如智能可穿戴手表等终端。
(2)在网络侧,物联网终端经常由于内置的SIM卡欠费或SIM卡损坏而不能正常工作,行业客户不能提前感知该问题,现场派工去定位解决问题的成本高。
(3)在应用侧,各个行业的物联网业务有很多共性的需求,如位置服务、短信交互、服务器硬件资源申请、大数据分析等等,但由于没有可调用的能力接口,各类物联网应用都需要独立开发,造成了不必要的成本投入。
综上,在物联网的发展过程中提出了低功耗、可靠的网络连接和可调用的能力资源等需求,而蜂窝物联网的出现正是为了迎合这些需求。
3蜂窝物联网的关键技术及电信运营商的策略分析
3.1蜂窝物联网的优势
蜂窝物联网以如窄带物联网(NB-IOT)、增强机器类通信(eMTC)等为代表,以窄带物联网为例,其是一种基于窄带通信的技术方案,叠加于现有的移动通信网络上,为每个物联网终端用户分配如5kHz或者更小的带宽,以满足小数据量(数kbps)传输的需求。对比2G移动网络下的单个用户占用kHz粒度的频谱资源,业界认为蜂窝物联网有支持海量连接、覆盖广、终端低功耗等方面的技术优势。
窄带物联网采用了芯片级的省电模式和扩展的非连续接两项技术,如下图所示,在没有数据发送的时候,终端芯片进入PSM(PowerSavingMode)即深度睡眠工作模式,同时延长传统的非连续接收周期,从而将大大降低了终端的功耗。
3.2物联网终端的通信需求及2G网络的现状
现有的2G网络除了为物联网终端提供服务外,目前还主要为移动手机用户提供语音和上网服务。随着4G的普及,使用4G高速上网的手机用户数快速增长,如目前仅中国移动的4G用户已超过了4亿,手机的GPRS上网功能将逐步被淘汰;随着VoLTE(VoiceOverLTE网络)技术的不断成熟以及支持VoLTE手机的普及,GSM语音网络也将逐步被LTE网络所替代。因而,未来的GSM网络将很可能演变为单纯为物联网终端提供GPRS上网服务的网络。
以中国移动的GPRS网络为例,单扇区一般分配8个载频,每个载频配有8个信道,一个扇区共64个信道,除去4个信令信道,共有60个业务信道以承载GPRS数据;每个业务信道按照支持10个并发用户来计算,则一个扇区可支持个物联网终端用户并发在线。对于数据采集类终端,其每天平均通信的频次非常低(如电力抄表终端,每天仅需要采集用一次用电量即可),按照在线比1:50(即在线联网的终端占比为百分之二)估算,那么一个扇区可为3万个物联网终端提供通信服务,一个2G基站(三扇区)可支持近10万个物联网终端的系统容量。以某经济发达省份为例,其2G基站数量已超过了3万个,因而仅在该省范围内便可服务于数十亿量的数据采集类的物联网终端用户。
对于实时交互类的物联网终端,其位置一般是连续移动变化的,如以车载终端为例,其移动的速度等同于车辆的行驶速度(一般数十公里/小时),因而每隔几分钟便会由一个新的小区(基站)为其提供上网服务;交互类的物联网终端在静止时(如车辆停止工作时),类同于数据采集类终端,与GPRS网络交互的频次会很低(因为车辆位置、工作状态等没有更新的数据需要上传了)。目前实时交互类终端的数量远远未到2G网络基站可支持的最大并发用户量,如车联网等在国内很多地方还处于实验阶段;又如以某经济发达省份的车载类终端产品为例,发展到现在全省也只有百万级别的用户量。
综上分析,2G网络(包含频段资源)未来将向专为物联网终端提供通信服务的方向演进,其空闲的频段资源可与蜂窝物联网共用。
3.3电信运营商的策略研究
在实际应用中,物联网终端基本都是在移动信号好的地方工作,包括城市的室内环境;同时2G网络可满足未来一段时间内的物联网用户数快速增长的接入需求,因而在近期内蜂窝物联网最吸引产业链的