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万物联网需要的是一个“结构”
作者:Sam Lucero
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手机/通信/网络设备展厅
手机, 调制解调器, 网管控制器, 光传输系统, 程控交换机, ...
机器对机器 (M2M),物联网 (IoT),以及囊括更广阔范畴的万物联网 (IoE) 的概念是现今科技工业所关注的焦点。互联网连接已迅速从固定位置进展到移动用户。现在,网络连通正通过无数的方式,例如不同的传感器,电器和设备,延伸至我们周遭的环境。

直到现在,现有的科技转变至今IoE仍是特设适配,而并非属于必备合适应用的框架。 IHS公司认为,IoE有潜力成为从一系列点子应用转化成一个普遍化的资源。因此,为了实现这个潜力,需要以下科技和市场发展来建设一个IoE“结构”:

 为了让终端用户使用,互联网连接必需变得更简单和耐用。例如,一个使用在关键性任务和工业应用的连通性结构,是应具有超低延迟服务。

 连接技术需要有更多的可扩展性,尤其是为高性能应用方面,扩大数据传输速率。视频监控,车载信息娱乐系统和移动计算都是很好的高性能应用例子。还有,就是将可支持网络的电器的数字扩大至数亿,以及缩小正用电池供电和使用中电器的功耗运作。

 市场需经历从M2M应用到互相连接的IoE性能的转变。

 最终,一个IoE结构将是一组为终端用户服务的科技技术。

本文的其余部分将以上述四点扩展内容,并以IHS科技的观点来解说IoE结构。正当本文重点讨论着LTE的不断扩大的作用范围之际,我们会提到短距离无线技术 (SRW) 在IoE中扮演的重要角色。IoE代表着广泛、多样性的用例,而短距离无线技术将能在某种情况下发挥最佳并帮助补充LTE。

特别是无线网络 (Wi-Fi) 和蓝牙 (Bluetooth) 正为LTE扩展它们同一方向的性能,我们会在接下来讲述。在一般情况下,IHS公司相信一个普遍化的万物联网结构将需要成熟,互操作性和可扩展性的全球无线标准-例如LTE, Wi-Fi和蓝牙,而并非那些专有或只能使用在某方面 (特定垂直) 的技术。

更简单,但更强大

简化连接意味着减轻开发者通信基础设施部署的负担。蜂窝技术本质上能把这一点做到一个普遍,日益增加,可靠且无所不在的托管服务。当然,速率越来越快的有线宽带互联网连接也在企业和家庭用户有着重要的角色。此外,局域联网 (LAN) 技术,无论是各式各样,无线和有线的,都能将互联网连接延伸至整个本地环境。

然而,要在蜂窝技术里建立起IoE结构的机会,是建立于当蜂窝技术已实施了两件事。首先,此技术必须增加其性能的范围,以应付更宽阵列的用例。其次,就是它必须其技能以便能天衣无缝地与SRW技术互通,这样就能让服务供应商提供一个异构连接,且主要是透明化的连接服务给于开发者和终端用户。

正当全球第三代合作伙伴计划 (3GPP) 标准持续性的发布了新版本,这意味着手机产业正在演变LTE技术。LTE由最初第八版, 和其接班者,高阶版LTE早期的第十版推出至今,已为瞄准移动宽带服务的智能手机优化其版本。本文将重点为即将发布的第12和13版,介绍部分新LTE的高阶功能,但为了简洁文章,我们将使用通用术语“LTE”。这些新发展将把LTE扩大以应对IoE构造建立时的时机,其中包括:

汇集性

 网络汇聚: 随着第13版的发布,LTE将获得合并LTE和Wi-Fi连接的能力以提供服务。LTE网络将控制Wi-Fi资源,从而提供优化的管理和移动性,而Wi-Fi网络将经由LTE链路增加可用总数据吞吐量。

 频谱聚合: 另外,以聚合的LTE和Wi-Fi,LTE-U(非授权)将启动LTE在5GHz的未授权频谱的传输,其将用于LTE小细胞部署。在3GPP中被称为辅助授权接入 (LAA) 的LTE-U,已被标准化且为第13版的一部分。

覆盖范围的扩展

 继电器和多跳网孔 (Mesh) 网络: 随着第12版里的LTE Direct的发起,紧接着的LTE版本将能扩大其设备对设备(D2D)的功能。其中包括D2D,一对多,和设备对网络的中继通信模式。连同第14版的发布,LTE应可支持更苛刻的车对车 (V2V) 通信,如“排列或组团式的车队 (platooning) ”。这些直接沟通模式都可在网络覆盖范围内和外发生,也将增加有用连接的可用性。

 覆盖范围的增强: 第13版也将推出LTE-M,一个针对传感器和其他机器类型通信(MTC)资源,且低功耗,低数据速率的技术。LTE-M是LTE类别1 (Cat-1) 和LTE类别0(Cat-0)的演进。其关键能力就是能加强覆盖范围的技术,使LTE-M设备能在较恶劣环境里,例如,位于地下室里的智能电表或者是埋在短距离地下的污水泵,对外沟通。

新的服务类型

 超低延迟性: 在与2G和3G技术比较之下,LTE本身有较低的延迟性,LTE-ULL的约1毫秒终端到终端延迟,能让蜂窝技术应对新阶级的关键性任务应用,如闭环工业自动化设备控制(并非简单的机器状态监测),自动旅行车和无人驾驶飞行器(UAV)控制。

 检测: LTE将启用优于当前解决方案的地理围栏和蓝牙信标的D2D近端意识。其LTE设备和服务检测的优点包括:范围增加,更健全的保密机制,和更有效的电池利用率。

 广播: LTE广播最初是第9版并且将在未来的版本里扩展。LTE广播通过卸载单播传输送里的高带宽(视频)通信,以更有效地使用频谱。未来的版本将提供额外的好处,如:增加带宽,把传输距离增加到15公里,单播和广播之间的动态转换,在小细胞的情况下使用LTE-U(非授权)的5 GHz频谱频谱,以及在移动和固定屏幕汇集视频服务。

 一键通:关键任务一键通(LTE-MCPTT) 将是跟随第13版发布的一个相对小众的技术。这将提供首要用户或器材一个非常健全的D2D和一对多的通信,且这些设备将能在覆盖范围内和外通信。更重要的,虽然MCPTT可能是一个小众的使用用例,但LTE-MCPTT也会影响广泛的LTE生态系统设备和技术。
上面描述的技术可增加用于蜂窝连接应用程序的网络和频谱类型的多样性。同样重要的是,他们扩大了蜂窝用例,从传统的“尽力交付型,轴辐式”,至更高水平的服务质量 (QoS) 和更广泛的连接拓扑结构。这些都是普遍化连接结构必备的要素。

正当本文通过持续性LTE版本的复述,关注了蜂窝技术的演变,值得一提的是无线网络连接和蓝牙也获得了类似的改进。例如,IEEE 802.11p(DSRC)提供了目前启动V2V连接的方式。无线网络感知将补充以LTE为基础的近端感知服务。蓝牙信标添加一个类似近端感知能力的蓝牙。IEEE 802.11ad将增加Wi-Fi的带宽来优化视频内容的分布。最后,Wi-Fi直连和智能蓝牙分别启动新的D2D和网状网络拓扑结构。

虽然LTE被扩大到更广泛的用例和场景,LTE和SRW技术之间的关系并不总是零和。Wi-Fi和蓝牙可以帮助补充蜂窝技术来启用一个IoE的结构。

放大和缩小

除了上述的新功能,LTE的演进是为满足M2M和物联网的应用。LTE-M(机器类通信)描述了增强的性能,使LTE既可让每个基站支持更大连接容量,以及支持需要更低功耗和低成本的应用。实际上,LTE-M是在扩展可能连接的数量,并降低功耗和成本。这两个属性重要得可以让LTE成为一个实用且能替代当前大多以SRW技术为基础的机械连接技术。

在连接的基础设施方面,LTE第11版通过提供过载控制以带来有效处理大规模固有的物联网连接。当太多的设备尝试连接到网络, 过载控制提供了使用扩展访问限制(EAB)来限制访问延迟容忍设备。这类似于计量入口匝道进入高速公路的车辆。

在设备上,或用户设备(UE)连接的一侧,LTE-M将带来许多重要,已增强的功能。为了在一些用例上以降低功率消耗,LTE第12版提供了一个省电模式(PSM)。第13版应该以一个目标,就是让一个以两个AA电池供电的设备维持5至10年, 来大大的提高PSM功能。该PSM功能主要集中在设备发起的数据(例如智能计量)的用例。具体来说,第13版包括了例如所建议的更长睡眠周期特征(有用于设备端应用)和低到零移动应用的更有效的信号发送。

除了降低能耗,减少设备调制解调器成本是 Cat-0 and LTE-M一个关键的目标。通过降低带宽和数据速率的能力,cat-0和LTE-M察觉降低复杂性,是降低成本的一个关键要求。而在Cat-0(第12版)已初步朝着这方向进行。通过限制最大传输块大小, Cat-0把最大下载速率降低为1 Mbps。此外,Cat-0在第10版里,提供了降低接收RF链的选项,既从三到四选项降低到一个。此外,Cat-0引入了一个可选的半双工传输模式。通过这些修改,IHS估计,Cat-0模块成本可以降低到目前的3G模块成本,或每设备大约20美元。

随着版本13和LTE-M,应该降低更多的成本。LTE-M数据率仍高达1 Mbps,但只有支持1.4 MHz频段。LTE-M将保留选择单天线选择和半双工传输方式。IHS预计在2017年, LTE-M模块将提供价位相当于2G模块提供的,或每装置约7美元。

在上面描述的功耗和成本都减少是可观的,当然,使LTE在使用M2M和物联网时实用的替代现有2G和3G调制解调器,同时还提供了改进和超越2G/3G的增强的功能,如之前讨论的增强覆盖范围和降低功耗。手机行业也正在调查以更进一步缩小功耗和成本节约。例如,最近3GPP倡议为物联网的RAN标准提出了一个新的“干净”的设计方法,这也将成为第13版的一部分。

该倡议应该影响了全球标准化,更可靠的(许可频谱为基础)各种极窄带宽(UNB),目前都在市场上的低功率的广域网(LPWAN)技术,如LoRaWAN, SIGFOX,和Weightless-N。和LTE-M相比,本质上它会限制数据速率为每秒数百位,同时消耗更少的功率和提供进一步的成本降低。然而,它应该尽可能与部署的LTE RAN基础设施共存,以影响正在移动行业里进行的投资资本。

3GPP现正在评估多种被提议的技术,以选择其中一个成为新的标准。虽然还未知道移动运营商将何时把该技术商业化的部署,IHS公司认为,3GPP将在2015年第三季度的某个时候万中选一。

同时与上述描述的LTE发展,Wi-Fi和蓝牙都获得了新的能力,使他们越来越适用在IoE应用。例如,Wi-Fi将在2016 介绍IEEE 802.11ah。在接入点支持大量设备和节电功能,从而延长设备的电池使用寿命,802.11ah的标准是针对物联网传感器连接,使用sub-GHz频段和让D2D中继电器射程更远,进而使本地设备分组以减少竞争干扰到接入点。

同样,智能蓝牙瞄准的是个人区域网络(PAN)的IoE应用,在特定的设备连接到用户的智能手机,如健身追踪器。智能蓝牙能减少电池消耗,使纽扣式电池供电的设备在更换电池前能够操作长达一年。同样的,智能蓝牙增加了潜在传输范围,从标准传统蓝牙范围的30英尺增加到200英尺,如置在单独PAN范围之外的家庭连接设备的用例。

从M2M到IoE

IoE结构的其中之一个关键作用是促使一个独立点应用的M2M顺利转接至相互联系着的IoT和IoE应用。这一点将会通过通用性和标准的服务层的中间件框架来实现。历来,用户和企业的采纳员们都把M2M应用部署为一个仓库;它的本质是一个“内部网络的物联网”,既是一个包含了所有功能的已部署应用。“内部网络的物联网”的应用通常在范围和功能方面都较为有限,因为它是完全依赖于用户或公司的采用者的计划,部署和管理。

真正的IoT或IoE的应用能有效地利用异质操作者们配置的一系列广泛的设备,数据源和应用的能力和功能。例如,一个中转应用程序可以为乘客提供一个实时更新的公车时刻表。这个应用可以用由政府通过以蜂窝结构为基础的信息通信链路采集实际的巴士位置和状态而开放的数据库,由Twitter或Waze社交媒体所公布的交通状况,和气象公司的气象数据,来“混搭”。关键是这一套被启用和丰富的数据,并非任何公司都能将其聚集起来,或者是任何应用程序开发人所能编写的。

M2M应用平台(MAP)的厂商,例如PTC,还有物联网平台(IoTP)的厂商,例如Xively都已经开始启用这种互联互通。标准化的服务层将使这种互联更加普遍,然而,也促进了“网络效应”的好处 – 既是越多的设备,数据源和应用连接, 将使互联互通在每一个人里越有价值。在市场规范化服务层中两个关键的例子是OneM2M和AllJoyn。

OneM2M是由七个地区标准的开发组织(ARIB,ATIS,CCSA,ETSI,TIA,TTA和TTC)一起合作,以及民营企业和领衔工业的合伙组成。OneM2M专注于数据源,器件与器件之间互连性的范围,和应用程序。从高阶来看,它提供了与上述中转应用例子一模一样的功能。发表于2015年2月的OM2M 0.8,是ETSI SmartM2M规范的一项实施方案。以一个更广泛的工业讯息输入,OM2M 1.0将会在2015的下半年里发布。另外,Eclipse 基金会已开始提供以标准为基础的开放中间件资源。

AllJoyn是由AllSeen联盟管理的开源软件框架, 是一个属于Linux基金会的一部分的工业协会,还有超过100家会员企业其中也包括消费类电子产品制造商,家电制造商,汽车公司,物联网云服务提供商,企业技术公司,半导体制造商,服务提供商,零售商和软件开发人员。AllJoyn能够使器件检测附近不论是各种类型的传输层或底层操作系统的设备,并安全地直接连接它们。AllJoyn的传输层例子为Wi-Fi,以太网 (Ethernet) ,或电力线。

标准的服务层,如OneM2M和AllJoyn,将有助于分解装置之间,数据源,和应用程序之间的功能仓库。革新性的开发商将有更大范围的能力,共同混搭新,有趣的,有用,而且又不会局限于在自己配给和管理的基础架构,数据源和应用。

结构即服务

IHS在这篇文章中所制造的关键点是, 最终,上述描述的IoE结构将会以一项服务提供给开发商,客户,和企业采纳者。LTE持续性的发布是不足以让蜂窝式技术扩展它的功能。它甚至为IoT提供不了对大规模互连的能力的标准服务层。最终,这些功能都必须从价值链中的最后一个环节提取出来,并且以一个透明封装的功能和能力来提供。

IoE结构作为一项服务(FaaS)模型是重要的,因为即使据有扩展功能, 它仍然对创建IoE应用程序的开发人员来说,是非常具有挑战性且昂贵的项目。即使成本的下降,IHS仍然可以得知IoE 的生态系统有多么的复杂,耗时,而且开发IoE应用程序的高风险,不仅纯粹的从技术发展的角度来看, 而且还得从例如组织程序和变更管理各个领域去看待。

在一个IoE FaaS模型中,服务供应商提供了所有不属于开发商能提供的核心能力或分化的服务功能。这可能也包括了这篇文章中尚未描述的功能,比如云托管,数据分析,还有管理网络安全服务。作为一个实际事态,这也包括了以逐个工程为基础的业务咨询和系统集成服务。一个非常关键的功能将帮助装置,数据源和程序所有者, 通过能够获得利益的开发商斡旋互联来从他们的资产中获利(如前面引用的例子:传输应用程序的开发者)。服务供应商可以让开发人员把时间及资源都专注于那些还未开发领域,从而大大降低了复杂性,营销的时机, 和IoE 开发人员的风险,也不必另起炉灶去创建许多常见的IoE应用程序的基本构建模块。

正当移动电话运营商们首当其冲将作为IoE FaaS之际,他们并不是唯一,可能性的主角。(MVNOs) 虚拟网络运营商们,无论是作为经销移动电话SIM 卡的运营商或是与移动运营商的核心基础设施的互连性,他们都处在强势的地位上,尤其是在服务那些规模较小或规模可能不足以吸引移动电话运营商的开发商们。同样明显的,它们M2M模块供应商,如Sierra Wireless公司和Telit Communications(泰利特通信),都有兴趣开发连通性的交易和有可能成为IoE FaaS供应商的机会,尤其是他们能在自己的模块产品上有着精心完整的服务能力。最后,那些 MAP和IOTP厂商,还有伴随着电子产品分销商和系统集成商们,都有可能在为他们的客户们在提供不少的IoE结构构建模块上发挥到积极作用。

时间轴和结论

这篇文章不少都集中在以即将发布的以LTE,讲述标准LTE核心的技术发展。因此,以下的摘要是IHS 科技对这些LTE所发布的规范及商业化的推介时间表的了解:

• 第12版:最终规范冻结于2015年3月,预计将在2016年商业化。
• 第13版:最终规范预计将冻结于2016年3月,预计将在2017年至2018年商业化。

这将需要显著的生态系统合作,以充分实现的IoE结构,但有了这IoE结构,第三方IoE应用程序开发者将掀起极大创新且具有价值的作品。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2015-5-27)
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