當前物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的大多數(shù)設(shè)備彼此之間，以及這些設(shè)備和與云端的應(yīng)用之間的通信通常采用傳統(tǒng)的機對機（M2M）無線通信技術(shù)。然而要求全球性覆蓋率及移動性的某些應(yīng)用，將會采用蜂窩技術(shù)。當前，主要采用2G和3G網(wǎng)絡(luò)，但未來屬于例如增強機型通信 (eMTC) 和窄帶 IoT (NB-IoT)等新技術(shù)。借助這些技術(shù)，移動運營商可以覆蓋更大的無線 IoT 市場份額。

例如省電模式(PSM)、擴展 不連續(xù)接收周期 (eDRX) 和增強覆蓋 (CE) 等功能，可根據(jù) IoT 應(yīng)用的不同需求，對無線接口進行調(diào)整。為了滿足性能和可用性方面的全部要求，所有通信層（物理層、信令層、IP 層和應(yīng)用層）必須相互協(xié)同地工作。因此，必須增強端到端的應(yīng)用測試功能，以優(yōu)化電源消耗和反應(yīng)時間等指標。

圖 1 M2M 蜂窩連接的增長趨勢圖片來源：Cisco.1

高移動性和廣覆蓋的 IoT 應(yīng)用利用了衛(wèi)星技術(shù)或蜂窩移動無線電技術(shù)。目前，約 86% 的蜂窩 IoT 設(shè)備采用了第二或第三代移動網(wǎng)絡(luò)1。典型應(yīng)用包括船隊管理、集裝箱跟蹤、咖啡自動售賣機、ATM 銀行業(yè)務(wù)和個人健康監(jiān)控等。這些應(yīng)用中的絕大多數(shù)應(yīng)用產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量很小，通常只需要 SMS短信 服務(wù)來傳輸這些數(shù)據(jù)即可。圖 1 給出了 M2M 蜂窩連接的年預期增長率。

第四代移動通信目前尚未在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域成為主流。由于 LTE 的優(yōu)先主要針對移動帶寬市場，因此，IoT 對 4G 技術(shù)的需求很小。此外，相較于 GSM 數(shù)據(jù)卡，典型的 LTE 數(shù)據(jù)卡的成本仍偏高，且 2G/3G 網(wǎng)絡(luò)的全球覆蓋率仍遙遙領(lǐng)先。然而，LTE 的某些方面正在不斷地增強該技術(shù)的吸引力。其中之一即全球覆蓋：根據(jù) GSMA預測，4G LTE 網(wǎng)絡(luò)將在 2015 年末覆蓋超過三分之一的全球人口；至2020年，發(fā)達國家預期達到“完全”覆蓋。

在頻譜利用率、延遲和數(shù)據(jù)吞吐量等方面，LTE 具備額外的技術(shù)優(yōu)勢。LTE 的長期可用性則是另一個考慮因素。第二代網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)運營了25年以上，即使其技術(shù)規(guī)范中引入了某些未來發(fā)展可能性，運營商還是有可能關(guān)閉這些網(wǎng)絡(luò)。因此，該領(lǐng)域正在尋找在成本、功耗和性能等方面比目前的 2G 解決方案更具競爭實力的 LTE 解決方案。

3GPP 組織在IoT方面的進展

3GPP 標準化委員會同樣認識到 IoT 市場對優(yōu)化解決方案的需求，并對機器類通信做了特定的強化處理。例如，該委員會在 Rel. 10/11 中定義了相關(guān)功能，以防止移動網(wǎng)絡(luò)過載。

網(wǎng)絡(luò)運營商必須應(yīng)對數(shù)千個設(shè)備試圖同時接入網(wǎng)絡(luò)的可能性。出現(xiàn)例如電網(wǎng)斷電后電力恢復等突發(fā)性事件時，可能出現(xiàn)這種情況。過載機制和信令流量減小等技術(shù)的引入正是為了處理這類事件的發(fā)生。許多 IoT 應(yīng)用（例如傳感器網(wǎng)絡(luò)）很少發(fā)送數(shù)據(jù)，且更新速率無需精確到秒。這些設(shè)備可能通知網(wǎng)絡(luò)它們可以接受連接建立期間的較長延遲（延遲容忍接入）。

Rel.10 包含有一個流程。該流程允許網(wǎng)絡(luò)先拒絕這些設(shè)備的連接請求，并延遲到稍后的某個時間再處理這些設(shè)備（延長等待時間）。隨著 Rel.11 的推出，可以采用接入等級機制，對蜂窩網(wǎng)絡(luò)的接入進行控制。采用這種技術(shù)時，當且僅當網(wǎng)絡(luò)為某個設(shè)備分配了當前容許的某個等級，該設(shè)備才可以建立（至該網(wǎng)絡(luò)的）連接。網(wǎng)絡(luò)會發(fā)送一種位圖，即擴展訪問限制 (eab) 位圖，并通過該位圖識別允許接入的等級。

對于用來解決低數(shù)據(jù)流量、低功耗和低成本等需求的 IoT 設(shè)備來說，目前仍缺乏優(yōu)化解決方案。該委員會在 Rel.12 中開始關(guān)注這些問題。人們很快會明白，對于各種應(yīng)用，這類問題的解決不存在單一的簡單解決方案。

Rel. 10 和 11 中引入的這些流程可以確保 IoT 應(yīng)用的運行可靠性和穩(wěn)定性，以及蜂窩網(wǎng)絡(luò)中當前和今后的設(shè)備不會對移動寬帶服務(wù)產(chǎn)生危害性影響。

低成本、低功耗設(shè)備

例如集裝箱跟蹤、垃圾箱管理、智能電表、農(nóng)用傳感器以及運動和人身健康跟蹤器等應(yīng)用的需求呈現(xiàn)出極大的差異性。

因此，Rel.12 集中關(guān)注功耗更小的經(jīng)濟型調(diào)制解調(diào)器。定義了省電模式(PSM，對于采用電池供電的設(shè)備來說，尤其重要)和新的 LTE 設(shè)備等級 0 - 其復雜性只有 LTE 1類 調(diào)制解調(diào)器的一半。其原則是犧牲某些功能，以減小硬件復雜性，從而實現(xiàn)低成本設(shè)計和高能效運行。

該 PSM 流程在數(shù)據(jù)鏈路中斷后或周期跟蹤區(qū)更新 (TAU) 過程結(jié)束后啟動（見圖 2）。設(shè)備會先進入空閑模式；此后，周期性地切換到接收模式，以接收消息（不連續(xù)接收）。因此，通過尋呼操作仍然可以訪問該設(shè)備。定時器 T3324 超時后，將進入省電模式。進入該模式后，設(shè)備應(yīng)該保持在網(wǎng)絡(luò)注冊狀態(tài)而始終處于消息發(fā)送就緒狀態(tài)。

圖 2 PSM 和擴展 eDRX.

但是，接收器實際上被關(guān)機，故通過尋呼操作不能訪問到該設(shè)備。因此，PSM 適用于僅向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送少量數(shù)據(jù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)。該模式不適用于要求傳感器給出快速響應(yīng)或者實時性高的應(yīng)用。

使用了 PSM 的應(yīng)用，必須容許這種行為特性，且其設(shè)計過程必須考慮空閑模式和節(jié)電模式最優(yōu)定時器值的選擇。

LTE 等級 0 的引入，其最初意圖是顯著減小 IoT 市場中 LTE 調(diào)制解調(diào)器的成本。為此，通過將所支持的數(shù)據(jù)傳輸率下調(diào)至 1 Mbps 減小調(diào)制解調(diào)器的復雜性。這將處理器和存儲器容量等方面的需求降低至最小程度。制造商還可以棄用全雙式模式（即，同時接收和發(fā)送）和多天線設(shè)計。其結(jié)果是，這類設(shè)備不需要雙工濾波器。LTE 等級 0 是 Rel.13 中引入的 LTE M1等級 的一個過渡性階段。 Release 13.借助M1等級，推出了其它更多成本消減措施，尤其是減小上行和下行鏈路的帶寬、減小數(shù)據(jù)傳輸率和發(fā)射功率等。

與 LTE M1等級 同步推出了名為 NB-IoT 的新標準。該標準的需求模式包括極低功耗、極低成本、樓宇內(nèi)增強型接收效果和利用極小數(shù)據(jù)流量支持大量設(shè)備。NB-IoT 的帶寬僅 180 kHz，可采用未用 LTE 帶內(nèi)資源塊、 相鄰 LTE 載波（保護頻帶）之間的空閑頻譜或獨立頻譜（例如，未用 GSM 載波中的獨立頻譜）進行部署。

借助 NB-IoT，3GPP 創(chuàng)建了一種全新的蜂窩空中接口。該接口完全符合典型機器型通信的要求。表 1 簡要列出了符合不同 IoT 應(yīng)用需求的不同 LTE 終端等級。

其它特點，例如，降低功耗等，也已經(jīng)實現(xiàn)。借助 eDRX 擴展了連接模式或空閑模式中的時隙；

調(diào)制解調(diào)器可以進入接收模式以接收呼叫信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息。DRX 定時器決定該操作的出現(xiàn)頻率。目前，空閑 DRX 定時器的最短時間間隔為 2.56 秒。對于預期每 15 分鐘才接收一次數(shù)據(jù)且延時要求較寬松的設(shè)備來說，該頻度已經(jīng)高了。

PSM 和 eDRX 間的主要差別在于允許設(shè)備駐留在某種掉電模式的時間長度和至接收模式的切換流程。采用 PSM 模式的設(shè)備，必須先進入 Active 模式，以接收（數(shù)據(jù)），再在空閑模式駐留一段特定長度的時間。采用 eDRX 的設(shè)備可以駐留在空閑模式；無需任何信令，即可快速進入接收模式。

例如，某個設(shè)備可能期望收到來自服務(wù)器的、頻度極小的自發(fā)性消息（例如，每天一條），但應(yīng)用要求在不超過 10 分鐘的時間內(nèi)給出應(yīng)答。如果該設(shè)備采用 PSM，則它必須至少以 10 分鐘的間隔時間執(zhí)行離開 PSM 模式、完成一次 TAU，在空閑模式駐留一段短時間等操作。然而，若使用 eDRX，該設(shè)備僅需每 10 分鐘進入接收模式一次：這種方式的功耗更小；產(chǎn)生的信令開銷更低。對于每天僅發(fā)送一次數(shù)據(jù)、且在除此之外的其它時段無需進行通信的傳感器設(shè)備，PSM 的節(jié)電功能可能是最合適的。某些情況下，在連接模式、空閑模式和節(jié)電模式中組合運用例如 eDRX 等的多種節(jié)電功能可能更為明智。

值得指出的是，在 eMTC 和 NB-IoT 中引入了某些覆蓋增強功能，以覆蓋例如安裝在地窖中的智能電表等應(yīng)用。其中的一個原理是冗余傳輸，例如，根據(jù)實際覆蓋條件在一段時間里重復發(fā)送同樣的數(shù)據(jù)。但是，多次發(fā)送相同數(shù)據(jù)顯然會占用更長時間，且最終影響總功耗。如圖 3 所示，設(shè)計所定義的一組參數(shù)會影響設(shè)備電池的使用壽命 - 某些場合下，這些參數(shù)取決于網(wǎng)絡(luò)配置或?qū)嶋H網(wǎng)絡(luò)條件。

圖 3 設(shè)備電池工作壽命的影響參數(shù)

端至端應(yīng)用測試

基于應(yīng)用的通信行為和參數(shù)的相關(guān)假設(shè)，從理論上計算電池的使用壽命是一個良好的起點。

但實際中的應(yīng)用行為可能差異極大且其行為特性還可能隨著實際情況的改變而改變。例如，某個傳感器當且僅當達到某個閾值時才會報告其實際值。但是，只要傳感器的值大于該閾值，傳感器會不斷地給出周期性報告。一般情況下，端至端應(yīng)用的整體性通信行為特性，包括通信觸發(fā)器（客戶端發(fā)起、服務(wù)器發(fā)起、周期性的）、延時要求、網(wǎng)絡(luò)配置、數(shù)據(jù)吞吐率或移動性要求等，都必須予以考慮（見圖 4）

圖 4 需要考慮的端至端因素。

PSM 和 eDRX 的特性呈現(xiàn)稍許差異，但可以幫助實現(xiàn)電池使用壽命方面的要求。設(shè)備和應(yīng)用開發(fā)人員面臨的問題是：如何最高效地利用這些工具。這要求深入地理解功耗的全部影響因素并對其進行分析。首先要考慮設(shè)備上和服務(wù)器側(cè)運行的應(yīng)用，且包括移動網(wǎng)絡(luò)的行為特性和IP 網(wǎng)絡(luò)的特性。

上述因素對諸如 RF性能、電池功耗、協(xié)議行為和應(yīng)用性能等參數(shù)進行評估提供了參考。總體上，該工作首先要基于通信模型選擇不同功能和不同參數(shù)進行詳盡分析；且在良好受控的、仿真及實際的網(wǎng)絡(luò)條件下進行結(jié)果的驗證，驗證結(jié)果對指導該工作非常有用。它不僅檢測模型假設(shè)，而且還揭示非理想網(wǎng)絡(luò)條件的影響作用。還可對網(wǎng)絡(luò)不支持某個功能情形或使用不同定時器的情形進行檢驗。歸根到底，可以更好地理解整個應(yīng)用的行為特性。

獨特的測試解決方案

對于端至端的應(yīng)用，測試、檢驗和優(yōu)化等方面的需求越來越多；且這些需求正在不斷超出純粹的 RF 測試和協(xié)議測試范疇。測試和測量設(shè)備制造商正在解決這類要求。例如，羅德和施瓦茨基于R&S CMW500/290 綜合無線測試平臺和 R&S CMWrun 遠程控制軟件工具提供了一種解決方案。

它允許在一個平臺上實現(xiàn)與不同參數(shù)相關(guān)的詳細測試結(jié)果；這些參數(shù)有例如移動信令流量、IP 數(shù)據(jù)流量或功耗。在實際網(wǎng)絡(luò)中，很難可靠地重現(xiàn)和測試端至端的應(yīng)用需求。但是，該測試平臺可對無線通信系統(tǒng)和IP 數(shù)據(jù)吞吐量同時進行仿真、參數(shù)設(shè)置和分析。

采用程控工具CMWrun可以直接配置測試腳本，且使用者不需要儀表遠程控制方面的任何特定編程知識。對于參數(shù)配置和測試容限等工作，它還提供了全方位的靈活性。該解決方案的一個關(guān)鍵優(yōu)勢在于： 用戶可直觀地對應(yīng)用和來自信令或 IP 活動的通用事件標記進行組合和使用。

例如，在端至端應(yīng)用測試中，同步的多條曲線可以顯示當前流量和 IP 數(shù)據(jù)吞吐量。分析期間，用來指示信令事件或 IP 狀態(tài)更新信息的同步事件標記會顯示在兩個圖上。這確保可以達到更高測試級別，以便用戶查看信令或 IP 事件對當前數(shù)據(jù)流和 IP 吞吐量的影響作用。這有助于理解應(yīng)用參數(shù)之間的依賴關(guān)系以及如何優(yōu)化這些參數(shù)。

首先用戶可以僅僅查看綜合通信行為，例如IP 連接數(shù)量、發(fā)送的消息，或者，通信和信令事件。下一步，它還可讓用戶查看不同活動狀態(tài)、eDRX 或 PSM 狀態(tài)下的功耗水平。進而，它還可用來幫助調(diào)節(jié)eDRX 或 PSM 的相關(guān)參數(shù)，甚至于調(diào)節(jié)應(yīng)用特性。最后指出的是，它可以幫助完成同實際情況的不同場景進行分析。綜上，為了滿足例如電池使用壽命長達 10 年的苛刻型應(yīng)用需求，端到（E2E）端應(yīng)用測試技術(shù)正變得越來越重要。