物联网会将数十亿台设备连接至互联网

在不久的将来，物联网会将数十亿台设备连接至互联网。根据来自于 Harbour Research 的信息，2014 年IoT 设备出货量估计达到 20 亿，2020 年其出货量预计将超过 70 亿。只有在具有低成本的通信网络和无线设备可用的情况下，这一点才能够实现。通过应用 Bluetooth?、ZigBee、Wi-Fi 或蜂窝网络等无线技术，几乎全球任何地区的任何物体都能够快速、可靠地连接至互联网。当前最新的蜂窝技术，LTE?M 和 NB?IoT 将对物联网的成功普及产生至关重要的作用。

多数应用采用了在免授权频段中运行的局域网技术。与此相反，依赖于移动性或全球性接入的应用主要利用了卫星技术及第二代和第三代蜂窝移动无线技术。此处仅列举几个典型实例：车队管理、集装箱跟踪、咖啡自动售货机或 ATM 服务、个人健康监测。在大多数情况下，这些应用所产生的数据流量较少，通常仅需 SMS 服务即可实现传输。目前约 60 % 的蜂窝 IoT 设备采用了第二代移动通信技术，例如GPRS。在未来几年内，尤其随着人们对更高的数据率和长期网络可用性的需求日益增长，第三代移动通信技术将逐渐占据重要地位。采用 LTE 的第四代移动通信迄今为止所发挥的作用不甚明显。

因为 LTE 主要针对移动宽带市场进行了优化，所以 IoT 对4G 技术需求很少。此外，与 GSM 调制解调器相比，LTE 调制解调器的成本仍然相对较高。然而，LTE 的某些特征使其愈发引人注目。全球可接入性就是其中一个特征。据全球移动通信系统协会 (GSMA) 所提供的信息，至 2015 年 9 月，422 家运营商已在 146 个国家/地区提供了商业 LTE 服务。LTE 的长期可用性是另一个使其充满吸引力的原因。越来越多的蜂窝运营商宣布，他们将不再支持第二代移动网络。因此，人们必须转换至最新技术。为了更适应于 M2M 市场，在成本和功耗方面进行了优化的首个LTE芯片组已可用。LTE 在频谱效率、时延和数据吞吐量方面提供了其他技术优势。

在对 3GPP 标准进行定义的早期阶段，人们已经认识到了针对 IoT 市场优化解决方案的必要性，所以针对机器类型通信 (MTC) 的具体改进层出不穷。例如，委员会已在 Rel.10/11 中定义了一些特征以防止海量 IoT 设备导致移动网络过载。网络运营商需要时刻做好充分准备，以应对数千台设备同时连接至网络。这种情况可能会出现在突发事件之后，例如，停电后电网恢复。人们已引入了过载机制和减少信令流量的选项来处理这类事件。许多 IoT 应用(例如，传感器网络)很少发送数据且不需要精确到秒的操作。在接入期间，这些设备可向网络报告其已准备接受更长的延时(延时容忍接入)。Rel.10 中包含这样一种流程，该流程允许网络在开始时拒绝这些设备的连接请求，从而延迟连接(延长等待时间)。 Rel.11，可借助于分级接入控制接入蜂窝通信网络。在这种情况下，只有分配到当前网络许可级别的设备方可建立连接。网络会传输位映射bitmap(EAB 限制位映射)，bitmap确定了哪些级别具有接入许可(图 1)。　　

　　图 1

Rel.10 和 11 中引入的这些流程在不影响移动宽带服务的情况下可确保目前和未来的 IoT 应用和设备在蜂窝通信网络内可靠且稳定地运行。

目前，唯一缺少的是为低数据流量、低功耗和低成本的 IoT 设备而进行优化的解决方案。委员会已开始在 Rel.12 中制定此类解决方案。然而，人们很快发现没有一个单一且简单的解决方案适用于所有的应用场景。集装箱跟踪、垃圾桶管理、智能仪表、农业传感器以及运动和个人健康追踪器等应用的对技术的要求非常多样化。因此，Rel.12 主要侧重于低功耗和低成本调制解调器。得出的结果为节能模式 (PSM)，其对于电池供电型设备和新的LTE 0类设备来说尤为重要，其复杂度应当仅有 1 类调制解调器的一半。

节能模式 (PSM)

PSM 流程会在数据链路终止后或在定期跟踪区域跟新 (TAU) 过程完成后开始。首先，设备将进入正常的空闲模式，在该模式下定期切换至接收模式，以便接收消息。所以，设备可通过寻呼保持可用状态。在定时器 T3324 到达设定时间后，进入 PSM。在该模式下，设备可随时发送消息，因为其在网络上保持注册状态。然而，由于前端已关闭，所以即使通过寻呼设备也不可用。因此，PSM 只适用于很少向设备发送数据，且数据量极少的传感器网络。该流程不适用于需要传感器快速作出响应或对响应时间要求很高的应用。采用 PSM 的应用必须容忍该行为且必须为空闲模式和节能模式设计最佳定时器值。端到端的测试对于将应用行为匹配至网络行为来说是必不可少的。　

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低成本的 0 类LTE设备