GSM网络部署蜂窝物联网研究

陈光洪

摘要：物联网是通过网络将事物联系起来，目前发达和成熟的无线接入网络具有大容量和灵活性的特点，可以提供较快数据传输速率，支持种类繁多的应用程序。目前可以通过GSM模块与物联网技术结合，构建GSM网络部署的蜂窝物联网系统。在物联网的支持技术中，基于通信网络的蜂窝网络是较为具有前景的解决方案。

关键词：GSM;物联网;蜂窝网络

中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）02-0113-01

1 通信系统组成

通信系统主要由网络管理系统（NMS）、基站系统（BSS）、网络交换系统（NSS）组成。网络管理系统主要对网络进行控制，基站系统主要是完成无线收发与资源管理，网络交换主要完成数据交换。

2 GSM网络的组成

可以说GSM曾经是技术领先的通信技术，虏获了全球许多用户的芳心，曾经是全球用户数量最多的通信技术。但是对于技术日新月日的二十一世纪来说，也只能说是曾经。目前我们的第四代移动通信具有诸多优点，具有极快的数据通信速率，以及未来的5G通信，更是具有大容量、高速率、低延迟等优点，可以说是最受期待也是最受欢迎的技术之一。但是作为我国最先引入的通信技术，GSM目前还是具有一个十分重要的优点，即基站数量多，我们知道，在2G时代，国家花费巨资建设基站，后续许多3G、4G基站都是再次升级改造，未来5G对基站也提出新的要求，因此可以将GSM应用到通信速率要求低的物联网中。

3 GSM-IoT方案

由于缺乏现有的基础设施和设备，假如新建整个物联网系统需要的成本十分巨大。出于这个原因，我们要充分利用现有资源，考虑使用常规保留的蜂窝基础设施的蜂窝IoT（CIoT）系统。目前主流的两种方案：基于GSM/GPRS平台架构和LTE/LTE-Advanced平台的改进架构。窄带物联网（NB-IoT）被定义为LTE规范改进技术。由于全球移动通信系统（GSM）具有覆盖范围广的巨大优势。本文主要介绍基于GSM网络的蜂窝物联网覆盖的时分随机接入方案。

对于持久连接的CIoT设备因其有限功率导致的即时连接偏好。因此，当成功传输小尺寸数据后立即释放连接，但是这样的连接形式具有大延迟的缺点。当有大量的连接请求集中在CIoT系统上，这种并发访问使得少量随机接入信道（RACH）就会面临巨大压力。RACH上的激烈竞争可能导致随机接入请求的冲突甚至无效，因此，减轻随机接入过程中的即时拥塞以有效地容纳所有CIoT设备是最为关键的。

目前已有许多研究尝试在随机接入过程中减轻RACH的过载问题。例如，禁止接入类（ACB）方案，将一个接入类（AC）分配给CIoT设备，并周期性地向所有AC报告其接入概率。然后，每个设备基于所分配的AC和接入概率信息来限制其随机接入尝试。因此，对于不同CL，可以使用接入概率信息来调整RACH上的瞬时随机接入的负载。基于随机接入触发方案通过触发来严格控制并发接入设备的数量。接入许可时间间隔（AGTI）方案通过确定性地将RACH上的周期性资源分配给每个设备来避免随机接入冲突。

通过利用分配的多个RACH，具有比现有前导码更多的标识符的虚拟前导码可以更好地识别拥挤的RACH中的设备。传统的CIoT系统通常使用窄带控制信道操作，该信道具有有限的容量和冗长的周期。当CIoT设备的数量在网络中非常大时，这严重阻碍了控制信息的交换。因此，传统的CIoT系统的效率在实际的物联网网络中将受到限制。

通常可将CIoT设备视为传感器。CIoT系统仅分配200 kHz带宽用于上行链路和下行链路。考虑到所使用的系统带宽比传统蜂窝网络窄，可以通过使用包括天线，放大器，滤波器和收发器的简单和低性能硬件结构来制造CIoT设备。

4 一种可行的GSM网络的蜂窝物联网应用实例

随着技术的进步，提出基于GSM的万物互联已成为可能。一个物联网实例实现流程（图1）：

（1）设计合适的基础电路，将物联网应用模块与GSM连接。

（2）测试，实现和建立微控制器，传感器和GSM之间的通信。

（3）开发外部传感器使GSM可以准确监控收发指令。

（4）开发一个能够在紧急情况下发送SMS警报消息的系统。

（5）开发一个可以在线监控并在云上存储数据的系统。

可以在基于GSM的物联网系统中使用GSM网络和超大规模集成（VLSI）技术的方法。得到快捷高效的物联网系统。使用GSM模块启动计算机和GSM模块之间的通信。GSM模块需要应用SIM的调制解调器，类似于移动电话。系统设计一个独特的IMEI用于识别，当输入参数超出设定的条件时，GSM模块将向接收方发送消息。由于通过电缆传输数据很麻烦，将ZigBee引入系统，因为它比蓝牙更节能。它还提供更多的节点和更好的网络灵活性。该系统可以通过GPS的集成来增强。这些数据从各自的传感器中提取，并使ZigBee发送到本地服务器。

任何异常的情况下，微控制器向GSM模块发送警报命令。输入TCP IP命令以便能够与云服务进行握手。然后使用API密钥启动“GET”命令，将通过TCP IP协议与AT命令一起发送。数据的长度将与之前检测到的值一起发送。如果数据的传输尚未成功传输，则由于引入的循环，它将再次执行此步骤。

5 结语

GSM是第二代移动电话系统，虽然目前第4代移动通信系统、第五代移动通信系统飞速发展，不断创新，GSM的应用还有许多可以探索，以GSM网络架构的蜂窝物联网具有其獨特的优势。覆盖范围广，可以大范围接入，同时可以通过设计低功耗设备进行偏远地区长时间待机。

Research on GSM Network Deployment of Cellular Internet of Things

CHEN Guang-hong

（Guangdong Southern Telecom Planning Consulting Design Institute Co.， Ltd.， Shenzhen  Guangdong  518038）

Abstract：The Internet of Things connects things through the network. At present， the developed and mature wireless access network has the characteristics of large capacity and flexibility. It can provide fast data transmission rate and support a wide range of applications. At present， the cellular Internet of Things system deployed in the GSM network can be constructed by combining the GSM module with the Internet of Things technology. In the support technology of Internet of Things， cellular network based on communication network is a promising solution.

Key words：GSM; Internet of Things; cellular network