“物超人”歷史性節(jié)點(diǎn)背后，經(jīng)歷了哪些移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變遷？

作者：趙小飛

近日，工信部發(fā)布的最新數(shù)據(jù)顯示，截至8月底，三家基礎(chǔ)電信企業(yè)發(fā)展移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)終端用戶16.98億戶，超過移動(dòng)電話用戶16.78億戶，我國正式進(jìn)入“物超人”時(shí)代。

根據(jù)工信部定義，移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)是以蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)為載體，通過多網(wǎng)協(xié)同實(shí)現(xiàn)泛在連接、萬物互聯(lián)的數(shù)字信息基礎(chǔ)設(shè)施。那么移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)形成超過移動(dòng)電話用戶的超大鏈接規(guī)模，其背后支撐的通信網(wǎng)絡(luò)顯得尤為重要，移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)從零增長到超過16億，也是移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)不斷變遷的過程。

既然移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)以蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)為載體，那么它就無法繞開3GPP的作用。3GPP作為全球影響力最大的電信標(biāo)準(zhǔn)化組織，承擔(dān)了移動(dòng)通信國際標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，早已成為全球移動(dòng)通信發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，尤其是移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的全球標(biāo)準(zhǔn)制定，離不開3GPP這一組織的工作。因此，3GPP針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化工作的歷程，基本涵蓋了移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變遷。筆者選取幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，回顧3GPP對(duì)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的支持。

1、初次擁抱物聯(lián)網(wǎng)

早在2005年，物聯(lián)網(wǎng)在很多場合以M2M（機(jī)器對(duì)機(jī)器通信）的名稱出現(xiàn)，這一概念已被廣泛接受。3GPP在那個(gè)時(shí)候已啟動(dòng)了MTC（Machine Type Communication）的研究工作，即開始了《Study on Facilitating Machine to Machine Communication in 3GPP Systems》的研究項(xiàng)目。

根據(jù)3GPP的工作流程，針對(duì)一項(xiàng)新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作分為研究項(xiàng)目和工作項(xiàng)目兩個(gè)階段，研究項(xiàng)目階段進(jìn)行可行性研究，對(duì)業(yè)務(wù)需求、解決方案可行性進(jìn)行評(píng)估，最終輸出技術(shù)報(bào)告；工作項(xiàng)目階段就開始了標(biāo)準(zhǔn)的制定，根據(jù)研究項(xiàng)目階段的結(jié)論，形成相應(yīng)技術(shù)規(guī)范，輸出標(biāo)準(zhǔn)。

該版本針對(duì)M2M通信在物流、健康醫(yī)療、遠(yuǎn)程管理、無線支付、無線抄表等方面的需求進(jìn)行研究，支持通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)接入大量物聯(lián)網(wǎng)終端。

2、針對(duì)終端的分類

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的支持，除了接入網(wǎng)的架構(gòu)、核心網(wǎng)支持等網(wǎng)絡(luò)側(cè)的規(guī)范外，終端也需要有專門的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，才能實(shí)現(xiàn)有效通信。伴隨著4G LTE標(biāo)準(zhǔn)的制定，3GPP對(duì)于終端的規(guī)范也在持續(xù)推進(jìn)，最為典型的是通過上下行速率對(duì)終端進(jìn)行分類，適應(yīng)了各種類別物聯(lián)網(wǎng)終端的接入特點(diǎn)，這一分類在后續(xù)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中產(chǎn)生了重大影響。

3GPP在R8版本中就包含了對(duì)用戶終端接入能力的標(biāo)準(zhǔn)化工作，定義了Cat.1-Cat.5的等級(jí)，體現(xiàn)在TS 36.306規(guī)范中。3GPP在后續(xù)版本中持續(xù)研究和更新，如在R10中定義了Cat.6-Cat.8，在R11中定義了Cat.9-10。

從Cat.4開始以及以上級(jí)別的終端主要針對(duì)手機(jī)終端，這些級(jí)別需要更高速率，而Cat.4以下級(jí)別更適合物聯(lián)網(wǎng)，尤其是Cat.1的定義，對(duì)后續(xù)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響，目前國內(nèi)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)中速率主要是Cat.1的終端。3GPP在R12版進(jìn)一步降低終端等級(jí)，首次定義的Cat.0的終端等級(jí)，工作帶寬為20 MHz，上下行速率僅為1Mbps。

3、LPWAN標(biāo)準(zhǔn)橫空出世

從2013年開始，低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWAN）進(jìn)入人們視線中，低速率、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)場景需求越來越多，Sigfox、LoRa等非蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開始成為業(yè)界寵兒，大范圍攻城略地。3GPP陣營現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不能滿足LPWAN場景需求，面對(duì)非蜂窩技術(shù)的彎道超車，3GPP陣營專家們快速響應(yīng)，針對(duì)LPWAN的需求，開始制定新的標(biāo)準(zhǔn)，并于2016年R13版本中凍結(jié)了基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的LPWAN標(biāo)準(zhǔn)，而且一次性發(fā)布了3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即eMTC、EC-GSM和NB-IoT，其中eMTC是基于4G LTE網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)，EC-GSM是基于2G GSM網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，而NB-IoT則是相對(duì)獨(dú)立的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

3GPP這三大LPWAN標(biāo)準(zhǔn)的問世，在業(yè)界產(chǎn)生了巨大反響，成為移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的一大亮點(diǎn)，似乎承載了蜂窩通信運(yùn)營商在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的未來。當(dāng)然，這三類技術(shù)后來的命運(yùn)差別很大，尤其是EC-GSM問世后不久就慘遭拋棄，NB-IoT和eMTC則分別受到了全球不同國家地區(qū)和運(yùn)營商的青睞，直至今天形成了明顯的市場格局。

4、5G和后5G時(shí)代的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

隨著5G的商用，業(yè)界將目光聚焦于5G支持的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上。從5G最初提出的三大場景來看，eMBB更多是為支持移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)需求而生，而uRLLC和mMTC則更多是為物與物通信提供技術(shù)支持，近年來5G的發(fā)展也印證了這一初衷。

當(dāng)然，5G三大場景是高度凝練的總結(jié)，沿著以往物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展路徑，業(yè)界仍然關(guān)注5G標(biāo)準(zhǔn)體系中重點(diǎn)支持物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)方向。3GPP在設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)研究方向時(shí)，充分考慮到物聯(lián)網(wǎng)場景和需求發(fā)展的趨勢，已啟動(dòng)了多個(gè)重點(diǎn)方向的研究，筆者認(rèn)為最為典型的是兩個(gè)方面：

一方面是RedCap的標(biāo)準(zhǔn)化工作。RedCap全稱是Reduced Capability，即“降低能力”，是在5G R17階段確定的專門方向，相對(duì)于eMBB和uRLLC，它可以說是輕量級(jí)的5G，但相比NB-IoT這類低功耗廣域網(wǎng)，其性能高一些。今年6月，R17已完成凍結(jié)，首個(gè)RedCap標(biāo)準(zhǔn)問世，業(yè)界開始依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)其商用化進(jìn)程，我們看到一些芯片廠商開始了首款RedCap芯片的研發(fā)。長遠(yuǎn)來看，RedCap具備了4G物聯(lián)網(wǎng)的大部分功能，能夠在一張網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)終端的通信接入。

另一方面是無源物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。3GPP R18版本已將無源物聯(lián)網(wǎng)納入研究項(xiàng)目中，多個(gè)代表也開始了無源物聯(lián)網(wǎng)前期研究工作。在3GPP全會(huì)上，多家企業(yè)代表認(rèn)為，無源物聯(lián)網(wǎng)將形成千億級(jí)連接規(guī)模，當(dāng)前大量行業(yè)已明確了需求。在非3GPP陣營大力投入和發(fā)展新型無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，滿足大量場景需求的同時(shí)，若3GPP陣營對(duì)其不重視，尤其是當(dāng)前3GPP現(xiàn)有技術(shù)無法支撐無源物聯(lián)網(wǎng)需求，則未來這一領(lǐng)域的市場空間將被非3GPP陣營占據(jù)，因此3GPP對(duì)無源物聯(lián)網(wǎng)的研究應(yīng)該加速。

當(dāng)然，3GPP還推出了針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)等方向的課題，這些也構(gòu)成了移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系的重要組成部分。正是由于十多年來3GPP陣營的努力，才構(gòu)成了完善的技術(shù)體系，支持目前數(shù)十億移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)終端的接入，并持續(xù)形成支持百億甚至千億接入的能力。

3GPP針對(duì)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)推出了大量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，雖然每一類技術(shù)都有其針對(duì)群體和特有功能，但它們有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即簡單化，尤其是和針對(duì)人與人通信的蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)往往是對(duì)其進(jìn)行裁剪，去掉很多非必要功能。例如，業(yè)界一致認(rèn)為，LTE Cat.1就是“低配版”的4G，可以復(fù)用4G現(xiàn)網(wǎng)，但其終端比傳統(tǒng)4G簡單得多。這一簡單化的特點(diǎn)，源于移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)大部分場景的幾個(gè)重要需求：

一是設(shè)備低成本的需求。盡管大量設(shè)備接入帶來巨大價(jià)值，但是，海量連接設(shè)備代表著用戶承擔(dān)巨額成本，必須要降低到客戶能夠承受的水平。多個(gè)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用半雙工模式、降低設(shè)備接收帶寬、降低設(shè)備速率，從而降低計(jì)算、存儲(chǔ)、射頻等器件的使用，大幅降低了成本。

二是設(shè)備低功耗的需求。大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不可能每天、每個(gè)月為其充電，這樣不僅不方便，而且維護(hù)成本上升。一些設(shè)備需要長期保持運(yùn)行狀態(tài)，一旦電池耗盡，通信中斷，可能會(huì)導(dǎo)致重大損失，因此超長的電池使用時(shí)間，就顯得尤為重要，有些甚至需要無限期免維護(hù)。目前正在推進(jìn)的無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究，就是為了徹底解決功耗問題。

三是增強(qiáng)覆蓋的需求。對(duì)于大部分物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，覆蓋非常重要，因此覆蓋增強(qiáng)是近年來移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新的一個(gè)重要方向，NB-IoT就是最典型的代表。

就網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營來說，移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)同樣需要類似于人與人通信的廣覆蓋網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地接入，因此移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)也具有規(guī)模經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。面對(duì)眾多移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)路線，產(chǎn)業(yè)界不可能全面接受，需要在其中選擇適合自身的技術(shù)路線。

工信部數(shù)據(jù)顯示，截至2022年8月底，我國NB-IoT、4G、5G基站總數(shù)分別達(dá)到75.5萬個(gè)、593.7萬個(gè)、210.2萬個(gè)。這一寬窄結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系，支撐了當(dāng)前超16億的物聯(lián)網(wǎng)終端接入。不過，這一物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系也是經(jīng)過多年探索，最終選擇專門的技術(shù)路線形成的。

以LPWAN的選擇為例，2016年3GPP R13凍結(jié)的eMTC、EC-GSM和NB-IoT三類技術(shù)，全球各家運(yùn)營商就面臨著技術(shù)路線的選擇。雖然這些物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的投資相對(duì)于傳統(tǒng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)成本低，但也是一筆不小的支出，很少有廠商能夠同時(shí)承擔(dān)兩張網(wǎng)絡(luò)的成本。在過去幾年實(shí)踐中，主流運(yùn)營商做出了選擇，國內(nèi)三家運(yùn)營商選擇了NB-IoT技術(shù)作為低速率物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)路線，而美國運(yùn)營商則選擇eMTC網(wǎng)絡(luò)，歐洲出現(xiàn)分化，NB-IoT和eMTC都有一些擁護(hù)者，如沃達(dá)豐以NB-IoT為主。

技術(shù)選擇的時(shí)間節(jié)點(diǎn)也是一個(gè)關(guān)鍵決策點(diǎn)。以Cat.1為例，早在2016年左右，海外和國內(nèi)一些運(yùn)營商就在探索推動(dòng)Cat.1的落地，但是彼時(shí)2G網(wǎng)絡(luò)依然占據(jù)主流，Cat.1的成本還比較高，難以撼動(dòng)當(dāng)時(shí)的格局。而隨著2G退網(wǎng)呼聲越來越高，尤其是2020年工信部25號(hào)文中正式提出推動(dòng)2G遷移專網(wǎng)的背景下，Cat.1迎來了快速發(fā)展的時(shí)機(jī)，直至目前，Cat.1已成為國內(nèi)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的主力之一。

在筆者看來，物超人歷史性時(shí)刻的到來，與過去幾年移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展以及產(chǎn)業(yè)界對(duì)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)路線選擇密切相關(guān)。人與人連接的總數(shù)有明顯的天花板，物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)暫時(shí)沒有看到天花板。我們今天正在研究的移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以及業(yè)界對(duì)技術(shù)路線的選擇，在未來幾年后可能就成為物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)十倍甚至百倍于人與人連接的關(guān)鍵。