重新思考6G时代的大规模物联网

随着3GPP Release 20工作正式启动，移动通信行业已经进入6G标准化的研究阶段。这一阶段尤为重要，因为早期的架构决策往往会延续数十年。对于大规模物联网而言，6G代表着一个难得的机遇，可以重新评估过去在截然不同的技术条件和市场环境下制定的各种假设。

大规模物联网的演进

LTE-M和NB-IoT是3GPP为大规模物联网设计的两种技术，均在2015年至2017年间推出，旨在满足在广域范围内连接大量低成本、电池供电设备的新兴需求。此后，这些技术在全球范围内实现了规模化部署，已涵盖数十亿台已部署设备，而且每年新增数亿个连接。最新的《爱立信移动市场报告》显示，仅2025年，全球就新增了2.4亿个大规模物联网连接。非地面网络（NTN）的出现也推动了这些物联网技术的市场扩张。

大规模物联网的实际部署情况，已经以当初3GPP在2010年代中期制定原始规范时难以预见的方式发生了演变。设备通信变得更加频繁，交换的数据量比预期更大，并且越来越依赖与应用服务器之间可靠、基于事务的双向通信。固件更新、安全补丁、群组通信，以及与云端应用的更紧密集成，如今都已变得司空见惯，而非例外。

其结果是，许多原本为优化早期大规模物联网用例而引入的机制，如今反而增加了复杂性，却无法带来相匹配的收益。如果6G只是简单地继承所有现有特性，可能会导致低端设备变得过于复杂，同时给控制面网络功能带来额外的负载。本文认为，6G时代的大规模物联网不应只是LTE-M和NB-IoT的简单延伸，而应基于真实部署经验和现代流量行为，朝着更简化、更以实际使用体验为导向的方向演进。

4G和5G时代的大规模物联网：哪些行之有效，哪些不尽如人意

LTE-M和NB-IoT的成功建立在少数几个至今仍然有效的基础设计原则之上：

• 低设备成本和低运营成本，从而支持大规模部署。
• 超长电池寿命，通常以年为单位衡量。
• 强大的端到端安全能力，包括加密和完整性保护。
• 应用与网络之间的交互能力，使应用和网络能够相互影响彼此的行为。

为满足这些要求，3GPP随着时间推移引入了一系列4G和5G特性，包括：

• 扩展空闲态非连续接收（eDRX）
• 使用户设备（UE）能够进入深度休眠的省电模式，包括节电模式（PSM）和
  仅移动发起连接模式（MICO）
• 连接释放辅助机制（RAI）
• 控制面数据传输，即通过非接入层传输数据（Data over Non-Access Stratum，DoNAS）、连接挂起与恢复流程，以及唤醒信令增强功能，包括唤醒信号（WUS）和唤醒接收机（WUR）

上述每个特性在引入时都是针对特定约束条件而设计的。然而，累积的结果是形成了一个碎片化且复杂的特性集，鉴于当前的流量模式和设备能力，越来越难以证明其合理性。对于6G而言，关键问题不是如何保留每一项现有的优化，而是如何在降低整体复杂性的同时保留其优势。

来自大规模物联网真实部署的关键经验

多年来，通过在公用事业、资产跟踪、智慧城市和工业监控等领域的商业部署，我们得出了一系列一致的观察结论。这些经验对于决定在6G时代应保留、优先考虑或淘汰哪些机制至关重要。

1. 控制面和用户面的物联网优化带来的省电效果相当。
   在大规模物联网中引入控制面数据传输的初衷之一是提升能效。当时业界普遍认为，避免建立完整的用户面连接，能够显著降低信令开销和设备功耗。但实际大规模部署表明，控制面和用户面优化在延长电池寿命、减少信令开销方面的效果相近。快速连接挂起与恢复流程等增强机制，以及5G中非激活连接状态的引入，已经将用户面通信的开销降低到很低的水平，使二者在许多用例中的差异变得非常有限。这也对‘控制面数据传输应继续作为未来大规模物联网设计的核心支柱’这一假设提出了挑战。
2. eDRX表现往往优于PSM。
   由核心网配置的下行不可达机制，例如PSM和MICO，可使用户设备进入深度休眠状态，非常适合只主动发起上行通信且对下行可达性没有要求的设备。然而，许多现代大规模物联网用例都需要定期下行通信、确认消息或远程配置。对长eDRX周期的支持使设备无需周期性注册信令即可保持下行流量的可达性。在存在下行通信需求的部署中，与需要定期进行网络交互的省电模式相比，eDRX周期通常能够提供更高的能效，并显著降低信令负载。值得注意的是，即使在最初开发PSM时针对的那种纯上发（仅上行）报告场景中，3小时的eDRX周期也能实现相近的节能效果。
3. 连接态省电特性利用不足。
   大量大规模物联网设备并未使用连接态省电技术，尽管这些技术已经推出多年。因此，设备在连接会话期间仍保持完全活跃状态，造成不必要的能量消耗。在数据交换频繁但持续时间较短的部署场景中，连接态活动期间消耗的能量可能成为整体电池消耗的主要来源。因此，合理使用连接态省电能力，能够对设备电池寿命产生显著影响。
4. 网络能力开放接口可实现应用-网络集成。
   当前的大规模物联网解决方案往往简单地将移动网络视为“比特管道”，导致网络的许多高级能力没有得到充分利用。尽管3GPP标准提供了强大的API，例如向应用通知设备连接事件、触发设备连接、或根据应用的流量模式优化网络行为，但这些功能仍未得到充分利用。主要障碍在于复杂性：要使用这些API，需要深入了解蜂窝通信技术，而大多数物联网应用开发者并不具备这类专业知识。最终结果是，企业物联网解决方案很少能充分发掘网络的全部潜力。让这些能力更易于使用，是实现更高效、可扩展和智能的大规模物联网部署的关键。

用例演进与新的流量模型

早期的大规模物联网流量模型假设每台设备每天只发送少量单向上行消息，对确认或下行交互的需求有限。然而，这一假设已不再适用。现代大规模物联网部署越来越多地需要频繁、可靠的双向通信，包括应用级确认、可预测的周期性流量以及偶尔出现但数据高度密集的会话。

同样重要的是，必须超越“单设备流量”的假设，转而考虑整体行为。虽然单台大规模物联网设备产生的流量微不足道，但当大量设备同步运行时，可能会产生显著且高度集中的网络负载。

我们认为，在3GPP标准化过程中重新思考大规模物联网时，应明确考虑以下具有代表性的实际流量模式：

• 智能抄表 – 智能电表可自主生成周期性报告，或响应后端系统的轮询生成报告。在许多部署中，必须在较窄的时间窗口内从所有电表采集数据，导致高度同步且具有突发性的流量。
• 本地群组或对等通信 – 下一代电网监测和工业自动化越来越依赖邻近区域内设备之间的通信。这类用例产生的流量明显高于早期大规模物联网时代假设的水平，并对上行通信和群组通信能力提出了新的要求。
• 事件驱动的资产跟踪 – 资产追踪设备通常会因为响应温度变化、阈值越界或地理围栏等物理事件而产生流量。这类流量本身不可预测，并且可能在大规模设备群中以突发形式出现。
• 下行命令与执行控制 – 远程控制和配置类用例，如智能路灯、精准农业和微出行，要求确定性的下行时延和可靠的传输。
• 固件和软件更新 – 固件更新虽然不频繁，但在整体数据量中占据主导地位。单次更新活动所产生的瞬时流量，甚至可能超过数月常规报告的累积总流量。

这些流量模式共同表明，6G时代的大规模物联网支持能力必须面向整体行为、突发性和双向通信进行设计，而不能仅面向孤立、低占空比的设备。

6G大规模物联网的现代化机遇

基于真实部署经验和新兴需求，我们建议6G大规模物联网遵循以下六项设计原则。

1. 将所有应用数据载荷引导至用户面。
   随着大规模物联网流量的增加，通过控制面承载应用数据变得越来越低
   效。用户面处理具有更高的可扩展性，能够支持流量管理和策略执行，
   并避免给核心网控制功能带来过高负载。在6G网络中，应用数据载荷应
   完全通过用户面处理，而控制面信令则应回归其主要用途。
2. 将唤醒信令打造成广泛采用的基础能力。
   唤醒信令与超低功耗接收机相结合，可以显著降低空闲态和连接态的功
   耗。设备可以保持在睡眠状态以节省能量，直到需要通信时才唤醒。6G大
   规模物联网应将唤醒信令视为基础能力，而非可有可无的增强功能。
3. 强制要求所有大规模物联网设备支持eDRX周期。
   eDRX周期将下行监听与数据事务解耦，使设备能够在不增加额外信令的
   情况下实现长时间深度休眠。将这一能力作为物联网设备的强制要求，有
   助于简化设备设计，并在不同用例中提供一致的节能效果。
4. 让连接态也成为省电状态。
   如果6G的连接态能够成为一种省电状态，用户设备就可以在更长时间内
   保持连接，从而最大限度减少状态转换带来的控制开销，并降低频繁通信
   场景下的能耗。所有6G大规模物联网设备都应支持并使用这一能力，以尽
   可能降低连接会话期间的电池消耗。
5. 淘汰传统省电模式和释放辅助机制。
   在现代流量条件下，一些早期机制徒增了复杂性，却无法带来明确收益。
   逐步淘汰与周期性注册更新绑定的省电模式，以及传统释放辅助机制，
   将有助于简化设备和网络的实现。
6. 加强应用-网络集成。
   物联网应用与蜂窝网络之间的更紧密集成，有助于提升流量可预测性和
   资源利用效率。经过增强且对开发者友好的网络能力开放API和物联网消
   息处理服务，使应用和网络能够协同工作而非独立运行。

为说明这些建议带来的架构影响，图1总结了每项原则可能对关键6G网络功能产生的影响。

用于大规模物联网的6G核心网络图。它显示了一个6G物联网设备通过6G无线接入网络连接到AMF、SMF、UPF、UDM、NEF、SMSF等核心功能和应用功能，虚线表示控制平面交互，实线表示用户平面数据。

图1：拟议改进措施对6G网络功能的影响

结论

LTE-M和NB-IoT在全球范围内的成功为6G时代的大规模物联网奠定了坚实基础。与此同时，实际部署显示，流量模式和运营现实与早期假设存在显著差异。6G提供了一个独特机会，可以简化大规模物联网设计，消除遗留复杂性，并使网络行为更契合现代物联网用例。通过优先考虑用户面数据传输、唤醒信令、扩展空闲态非连续接收以及更紧密的应用-网络集成，6G大规模物联网将实现更高的效率、可扩展性和长期可持续性。