在不久的將來，物聯網會將數十億臺設備連接至互聯網。根據來自于 Harbour Research 的信息，2014 年IoT 設備出貨量估計達到 20 億，2020 年其出貨量預計將超過 70 億。只有在具有低成本的通信網絡和無線設備可用的情況下，這一點才能夠實現。通過應用 Bluetooth?、ZigBee、Wi-Fi 或蜂窩網絡等無線技術，幾乎全球任何地區的任何物體都能夠快速、可靠地連接至互聯網。當前最新的蜂窩技術，LTE?M 和 NB?IoT 將對物聯網的成功普及產生至關重要的作用。
多數應用采用了在免授權頻段中運行的局域網技術。與此相反，依賴于移動性或全球性接入的應用主要利用了衛星技術及第二代和第三代蜂窩移動無線技術。此處僅列舉幾個典型實例：車隊管理、集裝箱跟蹤、咖啡自動售貨機或 ATM 服務、個人健康監測。在大多數情況下，這些應用所產生的數據流量較少，通常僅需 SMS 服務即可實現傳輸。目前約 60 % 的蜂窩 IoT 設備采用了第二代移動通信技術，例如GPRS。在未來幾年內，尤其隨著人們對更高的數據率和長期網絡可用性的需求日益增長，第三代移動通信技術將逐漸占據重要地位。采用 LTE 的第四代移動通信迄今為止所發揮的作用不甚明顯。
因為 LTE 主要針對移動寬帶市場進行了優化，所以 IoT 對4G 技術需求很少。此外，與 GSM 調制解調器相比，LTE 調制解調器的成本仍然相對較高。然而，LTE 的某些特征使其愈發引人注目。全球可接入性就是其中一個特征。據全球移動通信系統協會 (GSMA) 所提供的信息，至 2015 年 9 月，422 家運營商已在 146 個國家/地區提供了商業 LTE 服務。LTE 的長期可用性是另一個使其充滿吸引力的原因。越來越多的蜂窩運營商宣布，他們將不再支持第二代移動網絡。因此，人們必須轉換至最新技術。為了更適應于 M2M 市場，在成本和功耗方面進行了優化的首個LTE芯片組已可用。LTE 在頻譜效率、時延和數據吞吐量方面提供了其他技術優勢。
在對 3GPP 標準進行定義的早期階段，人們已經認識到了針對 IoT 市場優化解決方案的必要性，所以針對機器類型通信 (MTC) 的具體改進層出不窮。例如，委員會已在 Rel.10/11 中定義了一些特征以防止海量 IoT 設備導致移動網絡過載。網絡運營商需要時刻做好充分準備，以應對數千臺設備同時連接至網絡。這種情況可能會出現在突發事件之后，例如，停電后電網恢復。人們已引入了過載機制和減少信令流量的選項來處理這類事件。許多 IoT 應用(例如，傳感器網絡)很少發送數據且不需要精確到秒的操作。在接入期間，這些設備可向網絡報告其已準備接受更長的延時(延時容忍接入)。Rel.10 中包含這樣一種流程，該流程允許網絡在開始時拒絕這些設備的連接請求，從而延遲連接(延長等待時間)。 Rel.11，可借助于分級接入控制接入蜂窩通信網絡。在這種情況下，只有分配到當前網絡許可級別的設備方可建立連接。網絡會傳輸位映射bitmap(EAB 限制位映射)，bitmap確定了哪些級別具有接入許可(圖 1)。
圖 1
Rel.10 和 11 中引入的這些流程在不影響移動寬帶服務的情況下可確保目前和未來的 IoT 應用和設備在蜂窩通信網絡內可靠且穩定地運行。
目前，唯一缺少的是為低數據流量、低功耗和低成本的 IoT 設備而進行優化的解決方案。委員會已開始在 Rel.12 中制定此類解決方案。然而，人們很快發現沒有一個單一且簡單的解決方案適用于所有的應用場景。集裝箱跟蹤、垃圾桶管理、智能儀表、農業傳感器以及運動和個人健康追蹤器等應用的對技術的要求非常多樣化。因此，Rel.12 主要側重于低功耗和低成本調制解調器。得出的結果為節能模式 (PSM)，其對于電池供電型設備和新的LTE 0類設備來說尤為重要，其復雜度應當僅有 1 類調制解調器的一半。
節能模式 (PSM)
PSM 流程會在數據鏈路終止后或在定期跟蹤區域跟新 (TAU) 過程完成后開始。首先，設備將進入正常的空閑模式，在該模式下定期切換至接收模式，以便接收消息。所以，設備可通過尋呼保持可用狀態。在定時器 T3324 到達設定時間后，進入 PSM。在該模式下，設備可隨時發送消息，因為其在網絡上保持注冊狀態。然而，由于前端已關閉，所以即使通過尋呼設備也不可用。因此，PSM 只適用于很少向設備發送數據，且數據量極少的傳感器網絡。該流程不適用于需要傳感器快速作出響應或對響應時間要求很高的應用。采用 PSM 的應用必須容忍該行為且必須為空閑模式和節能模式設計最佳定時器值。端到端的測試對于將應用行為匹配至網絡行為來說是必不可少的。
圖 2
低成本的 0 類LTE設備
0 類的引入首次允許價格大幅降低的 LTE 調制解調器(適用于 M2M 市場)的嘗試。理想情況下，此類調制解調器的功耗也較低。為了達到這一目標，通過將支持的數據率降至 1 Mbps 以降低調制解調器的復雜性。從而最大限度減少對處理功率和內存的要求。制造商也可摒棄全雙工模式和多天線。因此，設備無需采用雙工濾波器，否則就需要雙工濾波器去防止發射機和接收機之間的干擾。
0 類設備現在仍處于開發中，可能將在 2016 年推出。
1 類(Rel.8) 0 類(Rel.12)
下行鏈路峰值速率10 Mbps1 Mbps
上行鏈路峰值速率5 Mbps1 Mbps
UE RF 鏈路21
雙工模式全雙工半雙工(可選)
UE 接收機帶寬20 MHz20 MHz
UE 最大發射功率23 dBm23 dBm
MIMO 層數11
最高 DL 調制階數64 QAM64 QAM
最高 UL 調制階數16 QAM16 QAM
圖 3
LTE-M 的進一步發展
LTE-M 已經邁出了第一步。Rel.13 包含其他降低成本的措施，尤其是降低上行鏈路和下行鏈路的帶寬，降低數據率以及降低發射功率。
同時也在計劃進一步降低功耗。這將對無法使用 PSM 的應用產生一定影響，因為即使設備自身不傳輸數據，但至少必須在短間隔內保持可用狀態。在這種情況下，調制解調器定期從空閑模式切換至接收模式，以便于獲得尋呼消息和系統狀態信息。DRX 定時器確定模式切換的頻率。目前，最短間隔為 2.56 秒。舉例來說，如果某一設備僅在每 15 分鐘內預計獲得數據，則該頻率相當頻繁。定時器的擴展 (eDRX) 已進行規劃且處于商討階段，有望將電池壽命大幅延長至數年。
必須擴大范圍，以適用于極端接收條件下(例如，地下室中)的智能儀表等應用，或者適用于分布廣泛的設備，例如農業應用。包括多重復性或者對時效和誤差要求不高的各種技術應當改善接收機和發射機之間的功率平衡到 15 dB。范圍也因此得以擴展。
在 Rel.14 中，汽車行業的要求促進了徹底縮短了消費類設備之間在通信方面的延時的研究，例如實現汽車之間的實時通信。
LP-WAN：對 LTE-M 的競爭?
LTE-M 借助其新特征可滿足更多 IoT 應用的需求，有助于眾多用戶從 2G/3G 技術過渡至 LTE。然而，現在人們需要極低成本和低功耗的設備，當前的蜂窩技術似乎不太合適。所以，在過去幾年中，低功耗 WAN 等替代技術在市場中占據了一席之地。在大多數情況下，這些技術針對傳感器網絡進行了優化，適用于數據量極低的傳感器網絡如煙霧探測器或垃圾桶上的填充傳感器。這些技術具有應用范圍廣和采用免授權頻段的優勢。SIGFOX 就是其中一個突出代表。該網絡采用了超窄帶技術，且已在數個國家網絡中投入使用。SIGFOX 已針對極小數據包的偶發傳輸進行了優化，允許在消息發送后一段時間之后進行接收。
另一實例為 LoRa。該項技術的業界代表已組成了 LoRa 聯盟。這些代表根據 Semtech 公司的 LoRa 技術制定了 LoRaWAN 標準以及用于兼容設備認證的額外規范。LoRa 采用了調頻擴頻技術，這種類型的技術與用于雷達應用的技術相似。支持三種類別的設備。類別 A 類似于 SIGFOX，僅允許在消息傳輸后出現的兩個短接收窗口期間進行接收。類別 B 允許通過信標同步的定期接收窗口。類別 C 可隨時接收，但設備正在傳輸的情況除外。LP-WAN 技術的其它實例還包括 Weightless-N 和 RPMA。
SIGFOXLoRaWeightless-NRPMA
頻率868 MHz (ETSI)
915 MHz (FCC)
2400 MHz868 MHz (ETSI)
915 MHz (FCC)868 MHz (ETSI)
915 MHz (FCC)2400 MHz
調制UNBChirp DSSSUNBRPMA
技術推動者SIGFOX、Semtech、NWave、Ingenu
圖 4
GSMA – 超低成本設備
不久前，GSMA 也曾致力于物聯網的發展，今年 GSMA 發起了一場有關 LP-WAN 的倡議。目的是盡快根據授權頻段中的現有蜂窩標準定義 LP-WAN 標準。主要的基礎設施、調制解調器和芯片組制造商紛紛與移動服務供應商進行合作，從而制定出合適的標準。目的是讓這些標準在Rel.13 得到批準并在 2016 年推出商用產品。首批現場試驗已在進行中。
目前，大量有關的技術討論和替代方法的研究都在如火如荼地進行。然而，該委員會已決定應制定一項窄帶 IOT (NB-IoT) 標準。這項標準將允許使用 LTE 載波中的資源塊，相鄰載波間頻譜中的未用資源或者獨立、保留頻譜中的資源。這項標準的要求概要包括極低功耗、極低成本、改進的室內接收性能，以及支持大量數據流量極少的設備。
目前，大量的標準化活動正在執行中，以確保為未來的物聯網提供合適的通信技術。這些活動也將為第五代移動無線通信鋪平道路，在第五代移動無線通信中，極低延時、超長電池壽命且具有大量設備扮演了重要角色。
用于分析功耗和流量特性的 E2E 應用。
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