物联网的承诺：下一个重大应用

　　移动宽带网络及相关技术的不断演进对满足不断增长的连接和带宽需求来说至关重要。同样重要的是引入相应的功能和机制来通过网络创收，以维持持续投资。考虑当前已部署的业务，从营收角度来说基于 LTE 的移动宽带消费市场正在趋于成熟和饱和。行业将在 2020 年部署 5G 技术，因此必须开发新的应用、用例和市场才能为此做好准备。物联网 （IoT） 正在发展成为主要增长点，适时地迎合了这一需求。IoT 目前正在成为现实，主要运营商报告称他们的网络中有数以百万计的连接设备。专有低功耗长距离 （LPWA） 协议率先提供 IoT 连接，同时 3gpp 也与各种方案角逐，力求使 Release 13 成为 IoT 业界标准协议。快速兴起的 IoT 生态系统已经有了相关解决方案以构建电池使用寿命超过 10 年的低成本 IoT 端节点。

　　预计未来 3 至 5 年里将大量部署 IoT 网络和服务。为了从这些 IoT 网络中创收，无论已有的还是新的运营商都需要成功应对三个问题。第一，运营商要接受专有和标准 IoT 连接的存在，并准备混合 IoT 网络。第二，专注于连接还不足以使 IoT 网络实现营收。需要通过全面的数据分析来处理从数以百万计的连接设备中收集到的数据，以推动新的应用和用例开发。IoT 网络安全性与可靠性是对物联网商业化和更广泛普及起决定作用的第三个重要问题。支持多种无线电协议、实现云与连接设备间的智能数据收集/传播、确保采用最新安全链路的可编程高灵活度 IoT 网关或集线器是解决这些问题的关键。

　　IoT 需要低功耗长距离通信、不对称异步低数据速率连接，以及超长电池使用寿命（大于 10 年）的低成本端节点。IoT 连接和设备的属性可能随终端市场或应用的不同而变化。5G 行业论坛将 IoT 的应用领域划分为两个大类：低能耗大规模机器通信和低时延关键任务机器类型通信。机器到机器通信被视为是这两个应用领域中不可或缺的组成部分。低能耗大规模机器通信的实例之一是包含连网传感器和致动器的网络，这种网络能够为医疗、航运、农业、食品、水与能源管理、智能住宅与建筑等行业实现显著的生产力和效率提升。连网的可穿戴设备是这种应用案例的重要组成部分，旨在改善我们生活的方方面面。设备成本、电池使用寿命、部署简便性以及高效异步通信是低能耗大规模机器类型通信的关键要求。每 IoT 节点的典型数据速率为 100Kbps。

　　低时延机器通信包括：工业 IoT、汽车、智能电网、交通安全以及应急响应服务。可靠性、弹性和低时延是该领域的重要组成部分。典型数据速率为：100Kbps-1Mbps。工业 IoT 将让移动宽带网络涵盖多个垂直市场，为运营商开创新的高收益渠道。

　　如今存在多种用于 IoT 部署的专用低功耗广域网技术，例如 LoRa、SigFox、Ingenu、Starfish 和 Weightless。这些技术使用公共频段。汽车领域，专用短程通信 （DSRC）（美国）和协同智能传输系统 （ITS）（其他地方）成为新兴汽车无线电连接（Vehicle to Everything （V2X））解决方案。这主要针对安全应用。DSRC 采用 75MHz 带宽，5.9GHz 授权频谱中的 7 个 10MHz 通道。LTE 提供很好的框架，可协调专用技术和零散的标准，以实现规模、易于部署和维护等优点。LTE-M（针对机器到机器通信进行的 LTE 扩展，是 3gpp RAN Release 12 的一部分）、窄带 LTE （NB-LTE）（3gpp RAN Release 13 的一部分）以及扩展覆盖范围 GSM （EC-GSM）（GEREAN Release 13 的一部分）都属于使用授权频谱的标准化技术。

　　

　　图1：描述 IoT 网关在 IoT 网络中作用的概念图

　　如图 1 所示，灵活可编程 IoT 网关或集线器分布在网络中，可起到关键作用。为支持混合技术，IoT 网关需要支持多种无线电协议，这要取决于安装地点或服务类型。为协调已有专用技术和不断发展的标准，需要实现系统灵活性和敏捷性，这正是构建生态系统的规模经济以加强产品营收的关键所在。在这些网关中不仅有必要实现云与连接设备间的智能数据收集与传播，而且要执行边缘计算功能。在很多 IoT 应用案例中，数据可能与位置有关，而且只在短时间内有意义。很多情况受到应用时延的制约，必须使用分布式数据处理。边缘计算和本地存储可能是 IoT 网关满足低时延要求的关键。网关中还需要相应的系统功能来保护到连接设备和云的链路。

　　除了解决关键系统问题以外，IoT 网关还可作为测试平台，针对 IoT 的最新应用方式和用例运行试验项目。无需等待最佳解决方案或完整生态系统的形成，运营商可使用测试平台与供应链密切合作以定义系统要求。经过明确定义的合理试验案例研究以及相关业务结论有助于为最佳解决方案的形成和网络演进提供指导，从而将 IoT 的潜在营收实现最大化。具备充足计算的 IoT 网关还可促进建立开源行业标准应用开发框架和开发社区。此外，对宽带 LTE 无线电的支持能强化有些应用方式下——例如用智能手机控制智能住宅或车辆和乘客移动宽带连接——的综合服务水平。

　　

　　图2：赛灵思 Zynq UltraScale+ MPSoC All Programmable 平台作为集成 IoT 网关

　　全可编程 FPGA 和 SoC 提供很好的解决方案来满足 IoT 网关和 IoT 测试平台的严格要求，凭借固有的灵活性针对不断演进的标准进行调整，执行边缘计算，并保护链路，以根据需求例化不同的无线电资源。图 2 展示了灵活可编程 IoT 网关的概念方框图，利用赛灵思 16nm Zynq UltraScale+？ MPSoC 平台构建。赛灵思 Zynq UltraScale+ 平台具有运行频率达 1.5GHz 的四核 ARM？ Cortex-A53，一个双核 ARM Cortex-R5 实时处理单元，集成外设与连接内核，以及内置的高级保密性、安全性和可靠性功能。它具有丰富的可编程架构来容纳多种无线电技术以及回程和本地存储连接。赛灵思基带、无线电、基础 DSP 以及连接 IP 可与丰富的 ARM 软件生态系统一起使用，以构建灵活、可扩展的 IoT 网关应用开发框架。凭借固有灵活性和可编程性，FPGA 架构可方便地升级到无线电系统，且不受集成处理器上的应用协议栈制约。在此种平台上实现标准化、促进建立开源行业标准应用开发框架以及运行试验案例研究都是启动新型 IoT 服务的开发与部署工作的重要步骤。