“物超人”歷史性節(jié)點背后，經歷了哪些移動物聯(lián)網技術的變遷？

作者：趙小飛

近日，工信部發(fā)布的最新數(shù)據顯示，截至8月底，三家基礎電信企業(yè)發(fā)展移動物聯(lián)網終端用戶16.98億戶，超過移動電話用戶16.78億戶，我國正式進入“物超人”時代。

根據工信部定義，移動物聯(lián)網是以蜂窩移動通信技術和網絡為載體，通過多網協(xié)同實現(xiàn)泛在連接、萬物互聯(lián)的數(shù)字信息基礎設施。那么移動物聯(lián)網形成超過移動電話用戶的超大鏈接規(guī)模，其背后支撐的通信網絡顯得尤為重要，移動物聯(lián)網用戶數(shù)從零增長到超過16億，也是移動物聯(lián)網通信技術不斷變遷的過程。

既然移動物聯(lián)網以蜂窩移動通信技術和網絡為載體，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準化組織，承擔了移動通信國際標準的制定工作，早已成為全球移動通信發(fā)展的風向標。移動物聯(lián)網技術的發(fā)展，尤其是移動物聯(lián)網的全球標準制定，離不開3GPP這一組織的工作。因此，3GPP針對物聯(lián)網標準化工作的歷程，基本涵蓋了移動物聯(lián)網技術的變遷。筆者選取幾個關鍵節(jié)點，回顧3GPP對移動物聯(lián)網的支持。

1、初次擁抱物聯(lián)網

早在2005年，物聯(lián)網在很多場合以M2M（機器對機器通信）的名稱出現(xiàn)，這一概念已被廣泛接受。3GPP在那個時候已啟動了MTC（Machine Type Communication）的研究工作，即開始了《Study on Facilitating Machine to Machine Communication in 3GPP Systems》的研究項目。

根據3GPP的工作流程，針對一項新的技術標準化工作分為研究項目和工作項目兩個階段，研究項目階段進行可行性研究，對業(yè)務需求、解決方案可行性進行評估，最終輸出技術報告；工作項目階段就開始了標準的制定，根據研究項目階段的結論，形成相應技術規(guī)范，輸出標準。

該版本針對M2M通信在物流、健康醫(yī)療、遠程管理、無線支付、無線抄表等方面的需求進行研究，支持通過蜂窩網絡接入大量物聯(lián)網終端。

2、針對終端的分類

對于物聯(lián)網的支持，除了接入網的架構、核心網支持等網絡側的規(guī)范外，終端也需要有專門的標準規(guī)范，才能實現(xiàn)有效通信。伴隨著4G LTE標準的制定，3GPP對于終端的規(guī)范也在持續(xù)推進，最為典型的是通過上下行速率對終端進行分類，適應了各種類別物聯(lián)網終端的接入特點，這一分類在后續(xù)物聯(lián)網發(fā)展中產生了重大影響。

3GPP在R8版本中就包含了對用戶終端接入能力的標準化工作，定義了Cat.1-Cat.5的等級，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開始以及以上級別的終端主要針對手機終端，這些級別需要更高速率，而Cat.4以下級別更適合物聯(lián)網，尤其是Cat.1的定義，對后續(xù)物聯(lián)網的發(fā)展產生了重要影響，目前國內移動物聯(lián)網中速率主要是Cat.1的終端。3GPP在R12版進一步降低終端等級，首次定義的Cat.0的終端等級，工作帶寬為20 MHz，上下行速率僅為1Mbps。

3、LPWAN標準橫空出世

從2013年開始，低功耗廣域網絡（LPWAN）進入人們視線中，低速率、低功耗的物聯(lián)網場景需求越來越多，Sigfox、LoRa等非蜂窩物聯(lián)網技術開始成為業(yè)界寵兒，大范圍攻城略地。3GPP陣營現(xiàn)有的物聯(lián)網技術不能滿足LPWAN場景需求，面對非蜂窩技術的彎道超車，3GPP陣營專家們快速響應，針對LPWAN的需求，開始制定新的標準，并于2016年R13版本中凍結了基于蜂窩網絡的LPWAN標準，而且一次性發(fā)布了3個標準，即eMTC、EC-GSM和NB-IoT，其中eMTC是基于4G LTE網絡的演進，EC-GSM是基于2G GSM網絡演進，而NB-IoT則是相對獨立的物聯(lián)網標準。

3GPP這三大LPWAN標準的問世，在業(yè)界產生了巨大反響，成為移動通信產業(yè)的一大亮點，似乎承載了蜂窩通信運營商在物聯(lián)網領域的未來。當然，這三類技術后來的命運差別很大，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時代的物聯(lián)網技術

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

當然，5G三大場景是高度凝練的總結，沿著以往物聯(lián)網的發(fā)展路徑，業(yè)界仍然關注5G標準體系中重點支持物聯(lián)網的技術方向。3GPP在設立標準研究方向時，充分考慮到物聯(lián)網場景和需求發(fā)展的趨勢，已啟動了多個重點方向的研究，筆者認為最為典型的是兩個方面：

一方面是RedCap的標準化工作。RedCap全稱是Reduced Capability，即“降低能力”，是在5G R17階段確定的專門方向，相對于eMBB和uRLLC，它可以說是輕量級的5G，但相比NB-IoT這類低功耗廣域網，其性能高一些。今年6月，R17已完成凍結，首個RedCap標準問世，業(yè)界開始依據標準推動其商用化進程，我們看到一些芯片廠商開始了首款RedCap芯片的研發(fā)。長遠來看，RedCap具備了4G物聯(lián)網的大部分功能，能夠在一張網絡中實現(xiàn)不同等級終端的通信接入。

另一方面是無源物聯(lián)網的標準化工作。3GPP R18版本已將無源物聯(lián)網納入研究項目中，多個代表也開始了無源物聯(lián)網前期研究工作。在3GPP全會上，多家企業(yè)代表認為，無源物聯(lián)網將形成千億級連接規(guī)模，當前大量行業(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)網技術，滿足大量場景需求的同時，若3GPP陣營對其不重視，尤其是當前3GPP現(xiàn)有技術無法支撐無源物聯(lián)網需求，則未來這一領域的市場空間將被非3GPP陣營占據，因此3GPP對無源物聯(lián)網的研究應該加速。

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

3GPP針對移動物聯(lián)網推出了大量技術標準，雖然每一類技術都有其針對群體和特有功能，但它們有一個共同的特點，即簡單化，尤其是和針對人與人通信的蜂窩網絡相比，移動物聯(lián)網技術往往是對其進行裁剪，去掉很多非必要功能。例如，業(yè)界一致認為，LTE Cat.1就是“低配版”的4G，可以復用4G現(xiàn)網，但其終端比傳統(tǒng)4G簡單得多。這一簡單化的特點，源于移動物聯(lián)網大部分場景的幾個重要需求：

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

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

三是增強覆蓋的需求。對于大部分物聯(lián)網應用，覆蓋非常重要，因此覆蓋增強是近年來移動物聯(lián)網技術創(chuàng)新的一個重要方向，NB-IoT就是最典型的代表。

就網絡運營來說，移動物聯(lián)網同樣需要類似于人與人通信的廣覆蓋網絡，實現(xiàn)隨時隨地接入，因此移動物聯(lián)網網絡也具有規(guī)模經濟的特點。面對眾多移動物聯(lián)網技術路線，產業(yè)界不可能全面接受，需要在其中選擇適合自身的技術路線。

工信部數(shù)據顯示，截至2022年8月底，我國NB-IoT、4G、5G基站總數(shù)分別達到75.5萬個、593.7萬個、210.2萬個。這一寬窄結合的物聯(lián)網網絡體系，支撐了當前超16億的物聯(lián)網終端接入。不過，這一物聯(lián)網網絡體系也是經過多年探索，最終選擇專門的技術路線形成的。

以LPWAN的選擇為例，2016年3GPP R13凍結的eMTC、EC-GSM和NB-IoT三類技術，全球各家運營商就面臨著技術路線的選擇。雖然這些物聯(lián)網網絡的投資相對于傳統(tǒng)移動通信網絡成本低，但也是一筆不小的支出，很少有廠商能夠同時承擔兩張網絡的成本。在過去幾年實踐中，主流運營商做出了選擇，國內三家運營商選擇了NB-IoT技術作為低速率物聯(lián)網網絡的技術路線，而美國運營商則選擇eMTC網絡，歐洲出現(xiàn)分化，NB-IoT和eMTC都有一些擁護者，如沃達豐以NB-IoT為主。

技術選擇的時間節(jié)點也是一個關鍵決策點。以Cat.1為例，早在2016年左右，海外和國內一些運營商就在探索推動Cat.1的落地，但是彼時2G網絡依然占據主流，Cat.1的成本還比較高，難以撼動當時的格局。而隨著2G退網呼聲越來越高，尤其是2020年工信部25號文中正式提出推動2G遷移專網的背景下，Cat.1迎來了快速發(fā)展的時機，直至目前，Cat.1已成為國內移動物聯(lián)網的主力之一。

在筆者看來，物超人歷史性時刻的到來，與過去幾年移動物聯(lián)網標準發(fā)展以及產業(yè)界對移動物聯(lián)網技術路線選擇密切相關。人與人連接的總數(shù)有明顯的天花板，物聯(lián)網連接數(shù)暫時沒有看到天花板。我們今天正在研究的移動物聯(lián)網技術，以及業(yè)界對技術路線的選擇，在未來幾年后可能就成為物聯(lián)網連接數(shù)十倍甚至百倍于人與人連接的關鍵。