绪论 物联网的前世今生

物联网技术已经应用在我们的日常生活中很久了，在一个餐馆吃完饭，准备用信用卡结账，侍应生会拿来移动POS机供顾客刷卡，刷卡结算信息就是靠GPRS移动蜂窝网络进行回传的。相比用WiFi热点传输，对于这类涉及金融交易的物联网应用，移动蜂窝网络的优势相当明显，首先是更大范围的移动性，保险公司的业务员可以开着车，拿着POS机等待在公司楼下办理业务。另外就是数据安全性，移动蜂窝网络设计的重要考量因素之一就是对于用户数据的加密鉴权机制，通过这样的安全措施保障，使得用户数据不会被轻易截获。当然还有一些基于WiFi热点的物联网应用，比如无线监控摄像头、智能电饭煲等，这些应用的主要特征是超短距离覆盖范围、热点型，家居应用居多。由此可见，物联网应用并不是新鲜的东西，随着国家信息化战略提出开创万物互联的新时代，越来越多的基于移动蜂窝网络的物联网技术，甚至基于私有协议标准的物联网技术登上历史舞台。

物联网技术的一个重要标签就是低功耗，这也是物联网应用与服务能否成为全球范围内下一个最重要的技术浪潮的关键，因此低功耗广域网络（Low Power Wide Area Network，LPWAN）也成了物联网的代名词。涉及LPWAN的技术标准阵营众多，比如IEEE、ETSI、3GPP、IETF、LoRa Alliance等，当然包括的协议标准更是数不胜数，不仅有物联网那些元老级的技术标准 WiFi、Bluetooth、ZigBee，更有那些物联网技术新贵，比如NB-IoT、eMTC、SigFox、LoRa等。为了了解一个个全新技术的基本原理，最好的办法就是循着这些技术的发展轨迹重新走一遭。

前世

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）是蜂窝物联网（Celluar Internet of Things，CIoT）技术的典型代表，窄带物联网的重要技术特点是广覆盖、低功耗（超长待机）、海量连接、数据可靠性，据说最初源自的需求是水表计量中对于用水量的自动计算，并以无线数据的方式进行回传（见图0-1）。

那么 NB-IoT 这样的新型物联网技术是怎样一步步形成标准的呢？其他的物联网技术还有哪些呢？为了理清蜂窝物联网技术发展的脉络，同时也为了说明目前技术标准共存的现状，我们不得不花一些篇幅从背后的故事说起。

早在2013年，包括运营商、设备制造商、芯片提供商等产业链上下游就对窄带蜂窝物联网产生了前瞻性的兴趣，为窄带物联网起名为LTE-M（LTE for Machine to Machine），名字蕴含的期望是基于LTE产生一种革命性的新空口技术，该技术既能做到终端低成本、低功耗，又能够和LTE网络共同部署。同时，LTE-M从商用角度也提出了广域覆盖和低成本的两大目标。从此以后，窄带物联网的协议标准化之路逐渐加快了步伐。

NB-IoT之路

初期的技术选型中存在两种思路：一种是对于 GSM 网络的演进思路；另一种是华为提出的新空口思路，当时命名为NB-M2M。尽管这两种技术思路都被包含在3GPP GERAN标准化工作组立项之初，但是相比暮气沉沉的GSM技术演进，新空口方案反而引起了更多运营商的兴趣。2014年5月，LTE-M的名字也演变为 Cellular IoT，简称 CIoT，从名称的演变更直观地反映出了技术的定位，同时对于技术的选型态度更加包容。

随着全球金融投资对物联网带来的经济效益集体看涨，在 GERAN最初立项进行标准化的 CIoT 课题得到了越来越多的运营商和设备商的关注，不过，GERAN的影响力相对来说已经日趋式微，2015年4月底，3GPP内部的项目协调小组（Project Coordination Group）在会上做了一项重要决定：CIoT 在GERAN研究立项之后，实质性的标准化阶段转移到RAN进行立项。这也说明3GPP标准化组织顺势而为，通过将CIoT技术的标准化工作转移到更大的平台上，以期收获全球更多产业链的关注，其实这里也释放了一个信号：CIoT已经逐步脱离开老东家GSM的技术思路，走向了更新颖、更创新的技术选型之路。

2015年5月，华为与高通共同宣布了一种融合的解决办法：上行采用FDMA多址的方式，下行采用OFDMA多址方式，融合之后的方案名为窄带蜂窝物联网（Narrow Band Celluar IoT，NB-CIoT），这一融合方案已经基本奠定了窄带物联网的基础架构，这一阶段的某些命名工作也在协议标准上留下了痕迹，例如涉及核心网协议的3GPP 24.301 R13统一将蜂窝物联网技术称作CIoT，并不区分是NB-IoT的接入方式还是非NB-IoT的接入方式。

通信技术的更新换代往往孕育着巨大的商业市场，华为和高通在窄带物联网通信领域的前瞻性投入也吸引其他厂商纷纷跟进，爱立信联合其他几家公司提出了NB-LTE（Narrow Band LTE）的方案，从名称可以直观地看出，NB-LTE最主要的目的是能够使用旧有的LTE实体层部分，并且有相当大的程度能够复用 LTE 网络的上层协议栈，使得运营商在网络建设时能够减少设备升级的成本，在规划布局上也能够沿用原有的蜂窝网络架构，达到快速升级建网的目的。NB-CIoT 与 NB-LTE 最主要的区别在于采样频率以及上行多址接入技术的选型。两种方案各有特点，技术参数对比见表0-1。

2015年9月，经过多轮角逐和激烈讨论，各方最终达成一致，NB-CIoT和NB-LTE两个技术方案进行融合形成了NB-IoT，NB-IoT的名称正式确立。从标准的角度来看，NB-IoT的名称频繁出现在接入网协议中，某种意义上说明各方对于窄带物联网技术的创新与探索主要面向接入网技术。

2016年年底，3GPP规范Release13最终完成冻结，至此NB-IoT从技术标准中彻底完善了系统实现所需的所有细节。当然，随着技术标准版本的不断演进（Release 14，Release 15，…），对应的系统设计也在不断地更新升级。

2017年2月，中国移动在鹰潭建成全国第一个地市级全域覆盖NB-IoT网络，这预示着蜂窝物联网已经开始从标准理念向正式全网商用落地迈出实质性的一步。2G GSM网络从1982年创立研究小组到1995年中国GSM数字电话网正式开通走过了13年的历程，3G移动通信网络从2000年国际电信联盟技术标准的确立到2009年1月国家为三大运营商发放商用牌照用了9年，4G移动通信网络从 2009年ITU 在全世界范围内征集 IMT-Advanced 候选技术开始到2013年12月工信部为三大运营商发放商用牌照只走过了短短4年，按照这个趋势看来，在5G中面向万物互联的通信网络也不会让我们等待太久。

eMTC之路

早在2002年，M2M（Machine to Machine），这一物物通信的雏形概念已经被提出，但碍于通信技术尚未成熟，发展仍属于启蒙阶段，例如自来水、电力公司的自动抄表及数位家庭应用等。随着无线通信技术的快速发展，M2M的应用服务进入快速发展的阶段，在农业、工业、公共安全、城市管理、医疗、大众运输及环境监控上，都可看到 M2M的应用，例如智慧节能、智慧车载、智慧医疗、智慧城市、智慧物流等。3GPP标准组织将M2M称为机器型态通信（Machine Type Communication，MTC），这是一种新兴的通信架构，以机器终端设备为主，具备网络通信能力，可智慧互动地提供各式各样前所未见的应用与服务，例如监控、控制、资料撷取等资讯化的需求。

早在2010年左右，学术界就开始进行了基于物联网需求的MTC技术的相关研究。作为物联网的候选通信技术，LTE很早就进入了业界的视野当中。长期演进系统（Long Term Evolution，LTE）七八年以前在3GPP Release 8 中最早被定义下来之后，就从来没有停止过演进。其发展大概有两个方向：一是不断追求更高的用户体验，通过一系列调制、编码、天线技术的革新，不断提升频谱效率，提供更高的用户吞吐率；另一个方向是 LTE 整个网络和终端的简化，以面向海量部署、低成本、低功耗，从而支持未来物联网市场的技术。3GPP在PS22.368中明确定义了物联网技术MTC的服务要求，明确了MTC提供一种有别于个人通信的全新市场形态，同时提供低价值、低功耗、小数据流量、面向大链接的数据服务，其中也对其技术特征进行了明确要求，就是低移动性、低频次的业务，MTC 设备状态监控，MTC 设备组的流控以及广播信息优化，定时发送数据或者分时计费，提供稳定安全的连接。如图0-2所示，为了满足MTC更低传输速率及更低功耗的需求，3GPP R12在原有面对用户提供更高吞吐能力的终端分类基础上新增Cat0的UE传输等级，用以支持低速率的终端类型，UE工作带宽为20 MHz，支持半双工，最大发射功率为23 dBm；3GPP R13将该技术进一步演进，命名为增强型机器型态通信（enhanced Machine Type Communication，eMTC），意味着这一物联网技术性能上的升级。这一个 e（enhancements）进一步简化终端功能，UE工作带宽为1.4 MHz，支持半双工，UE 可使用更低发射功率（20 dBm）；3GPP R14 阶段也将新增定位功能、SC-PTM下行广播功能、异频测量功能等。LTE eMTC 相比NB-IoT能够提供更高的传输速率，拥有更丰富的应用场景。

协议规定各类型终端能力以及技术参数见表0-2。

在接入网协议中并没有直接以 MTC/eMTC的名称出现，而是以 Low Complexity UE进行代替，R13中进一步明确了两种终端类型与技术标准，分别是Bandwidth Reduced Low Complexity UE和UE in Enhanced Coverage，体现在物理接入带宽和服务覆盖区域的变化。

相比国内产业链对于 NB-IoT的热捧，eMTC 似乎没有受到同样程度的关注，从能搜索到的互联网相关资讯和国内运营商的网络部署进度都能看出一些端倪（见图0-3）。从目前掌握的情况来看，全球物联网络部署中，北美主流运营商更倾向于优先部署 eMTC，而对 NB-IoT 优先级相对不高，这可能源于资其一贯对于建设投资“保守”的风格，也可能是运营商基于提供服务需求角度出发进行的决策考虑。eMTC 技术可以在数据、语音、容量、覆盖等多维度提供完全替代现有2G网络的能力，欧美主流运营商制定的现有2G网络退频重耕的策略，也为eMTC技术奠定了频率资源基础。（注：AT&T宣布2017年1月1 日已正式关闭 2G 网络、Verizon 明确 2G 退网计划，从 2009年开始 NTT DoCoMo、KDDI就陆续宣布中止2G服务，2016年12月Telstra宣布关闭2G网络）

这两种技术在实质上没有什么颠覆性的区别，基带的调制复用技术都是源自正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM），频谱利用率也都基本相似，不过在基本组网带宽，上下行频率选择为频分双工（Frequency Division Duplex，FDD）及时分双工（Time Division Duplex，TDD），吞吐率方面有所区别，这就意味着二者本身并不成为竞争关系，而恰恰是适合不同应用领域的相互补充，NB-IoT适合静态的、低速的、对时延不太敏感“滴水式”的交互类业务，比如用水量、燃气消耗计数上传之类的业务；而 eMTC具备一定的移动性，速率适中，对于实时性有一定需求，比如智能穿戴中对于老年人的异常情况的事件上报、电梯故障维护告警等。3GPP 中的业务应用对eMTC有一段很有趣的描述，因为eMTC具备移动性，那么网络侧可以利用监测到的物联网设备移动情况来判断那些处于静态的物品是否触发了盗窃告警，这恰好基于蜂窝物联网终端移动性定制化的设计解决方案。另外eMTC可以通过VoLTE技术支持语音，这也是eMTC技术的一个有趣的特点。

对于运营商而言，某一物联网技术能够提供更深的覆盖、更大规模的连接数量、更稳定的性能、更少的建设投资及后期维护的成本固然令人欣喜，但是更关键的考量在于运营获取的收入。物联网技术带来的变革，势必对传统的运营模式也带来冲击，也许物联网的运营模式也要借鉴互联网初期的模式，规模效应、跑马圈地才有后续的不断增值发展空间，而这恰恰又是技术发展带给通信人的舞台，也是时代给予的馈赠。

EC-GSM之路

EC-GSM的英文全称是Extended Coverage-GSM，可以从名称上直观看出，这是基于老牌 2G 通信技术向更广范围覆盖延伸的一种物联网技术。EC-GSM主要由一些老牌的通信设备企业所倡导，比如爱立信、诺基亚等，不仅意味着在原有 GSM 运营模式上继续挖潜新的商业价值增长点，在某种意义上，也意味着老牌通信企业对于通信技术尊严的捍卫。

EC-GSM的技术创新在于采取了新的逻辑信道结构，类似NB-IoT采取在时间轴上重传的方式提升覆盖增益，并且结合了CDMA实现多址的方式提升容量。同时还通过诸如系统消息的优化（没有异系统互操作）、扩展DRX时间、完保加密算法的升级等新的技术在终端节电和安全方面进行了强化。该技术的另一个优势在于，它可以对现有的无线通信网络进行软件升级，无需额外的硬件即可实现广域级的物联网覆盖。

eMTC/NB-IoT/EC-GSM三种蜂窝物联网技术参数对比见表0-3。

EC-GSM测试已在法国开展，采用900MHz频段，将设备覆盖提高20dB，这一覆盖提升是相当可观的，可以到达较难覆盖的区域，例如装有多台智能计量表的深层室内地下室，或者已部署传感器进行农业和基础设施监控的偏远地区。另外，不管是基于OFDM调制的物联网技术，还是GSM的覆盖延伸的物联网技术，都可以采用节电模式（Power Saving Mode，PSM），达到降低功耗、省电的作用。

SigFox之路

被称作搅局物联网阵营的“鲶鱼”的SigFox其实是一家公司的名称。早在2012年，SigFox作为一家初创公司，以其超窄带（UNB）技术开始了低功耗广域网络的布局，很快成为全球物联网产业中的明星企业。作为在通信领域中一条强有影响力的“鲶鱼”，SigFox 促进了运营商对低功耗广域网络的重视，让很多主流运营商因此踏上了部署低功耗广域网络之路。超窄带技术（Ultra Narrow Band，UNB）采取窄带BIT/SK调制提供上行100bit/s的极低速率，上行消息每包大小为 12Byte，下行消息每包大小为 8Byte，同时限制主要用来承载配置信息的下行消息一天最多不超过4条这样的方式提供海量设备连接和极低功耗。另外，该技术的协议栈相比传统电信级的协议要简单得多，不需参数配置，没有连接请求以及信令交互，这样的协议栈虽然设计简单，节省芯片成本，但站在 CT 技术的视角，对于提供稳定、安全的物联网接入是否可能存在隐患目前无法得知。

SigFox不是传统电信运营商，而是一家颇带有几分互联网基因的物联网技术公司，不仅提供物联网设备、模组、布网解决方案，同时也提供管理IoT的平台，甚至更有运营物联网的趋势。公司网站首页如图0-4所示。

该公司采取一种更开源的姿态提供给用户基于SigFox模组上的二次开发，这不仅是加强SigFox技术阵营影响力的一种方式，也是一种互联网思维在物联网技术上的延续。按照SigFox公司官方的宣传，目前这一私有物联网技术已经为 32 个国家、5 亿人口提供服务，覆盖达 200 万 km²，相当于 1/5 个欧洲。SigFox的覆盖范围如图0-5所示。

目前，SigFox采用的频率主要包括：欧洲、中东的868MHz（ETSI 300-220），北美的 902MHz（FCC part 15），南美/澳大利亚/新西兰的 920MHz（ANATEL 506，AS/NZS 4268）。这在当地运营商基本属于非授权频谱，不过“900M频段”一直被誉为频谱里的黄金频段，这也在某种程度上助力了SigFox提供广域覆盖，我国这一频段主要作为GSM授权频谱。

LoRa之路

LoRa依然是低功率广域通信网（LPWAN）技术中的一员，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。Semtech 是一家位于美国加州地地道道的硅谷公司，这是一家以专注提供模拟和混合信号半导体产品以及电源解决方案起家的公司，目前却成为倡导低功耗、远距离无线传输LoRa技术的引领者。

2015年3月，LoRa联盟（见图0-6）宣布成立，这是一个开放的、非营利性组织，其目的在于将 LoRa 推向全球，实现 LoRa 技术的商用。该联盟由Semtech 牵头，发起成员还有法国 Actility、中国 AUGTEK 和荷兰皇家电信KPN等企业，到目前为止，联盟成员数量达330多家，其中不乏IBM、思科、法国Orange等重量级厂商。

目前，LoRa网络已经在世界多地进行试点或部署。截至目前LoRa联盟最新公布的数据，已经有17个国家公开宣布建网计划，120多个城市地区有正在运行的 LoRa 网络，如美国、法国、德国、澳大利亚、印度等国家，荷兰、瑞士、韩国等更是部署或计划部署覆盖全国的LoRa网络。

LoRa联盟基于开源MAC协议制定了统一的LoRaWAN标准，LoRaWAN协议有点类似 3GPP 通信协议的风格，对于 LoRa 无线接入网进行了较严格的定义，整体网络架构偏应用部分的实现则相对宽松。

如图0-7所示，在LoRaWAN协议中，对于接入终端有新的命名，即Mote/Node（节点）。节点一般与传感器连接，负责收集传感数据，然后通过LoRaMAC协议传输给 Gateway（网关）。网关通过 WiFi 网络、3/4G 移动通信网络或者以太网作为回传网络，将节点的数据传输给Server（服务器），完成数据从LoRa方式到无线/有线通信网络的转换，其中Gateway并不对数据做处理，只是负责将数据打包封装，然后传输给服务器。LoRa技术更像是一次通信物理层技术与互联网协议高层协议栈的大胆融合。LoRaWAN 物理层接入采取线性扩频，前向纠错编码技术等，通过扩频增益，提升了链路预算。而高层协议栈（见图 0-8）又颠覆了传统电信网络协议中控制与业务分离的设计思维，采取类似 TCP/IP 中控制消息承载在 Payheader 而用户信息承载在 Payload 这样的方式层层封装传输。这样的好处是避免了移动通信网络中繁复的空口接入信令交互，但前提是节点设备具备独立发起业务传输的能力，并不需要受到网络侧完全的调度控制，这在小数据业务流传输、不需要网络侧统一进行资源调度的大连接物联网应用中，未尝不是一种很新颖的去中心化尝试（并不以网络调度为中心）。

目前，LoRaWAN 技术采取上下行同频、节点伪随机跳频、节点自适应进行传输功率调整、“纯 Aloha”（可随时发起业务）的方式进行数据传输，这样的好处是通过避免周期侦听网络消息的方式与网络侧进行同步从而达到极低功耗的目的，但是随着节点数的大量增加，会增大节点之间传输的碰撞概率，也会使得网络传输效率降低，同时不同用途的节点在数据传输中的QoS也难以保证。当然，随着产业的进一步发展，相信这些问题也会得到更有效的解决。

LoRa主要工作在 1GHz以下免授权频段，免授权频段的设备种类相对较多，难免会受到其他无线设备的干扰，但是免授权频段无须申请即可进行网络的建设，网络架构简单，运营成本也低，同时，LoRa的优势在于其专利技术，即使在复杂的环境中依然能保持较高的接收灵敏度，抗干扰能力强，因此，全球范围内的物联网运营新贵依然对LoRa青睐有加。相比NB-IoT技术的严谨性，LoRa更像是互联网思维下快速上线的产物，但是凭借其基于物联网应用的良好理解，定制化的进行技术设计，应用前景不容小觑。

物物通信之路

新兴物联网通信技术中除了蜂窝物联网通信技术之外，还有一个新兴的领域，就是短距离的物物之间直接通信进行数据交互，标准制定中为了与 M2M有所区别，称作Device to Device Communication（D2D）。随着移动互联网应用与服务的普遍提供，基于近场位置的物物通信有很多有趣的应用，比如电影院对于附近路过的影迷传递最新影片的小样；晨跑时路过某家咖啡馆被通知有相熟的朋友也在这里；在没有运营商网络时也可提供对于涉及国家公共安全的公安、消防的即时通信服务，诸如此类等。早期的WiFi、Bluetooth、ZigBee技术都是一种近场低功耗的物物通信技术，但是由于其工作在非授权频谱，需要手工匹配，安全性难以得到保障，同时需要与蜂窝网络并行独立同时工作，这些技术特性会导致容量、质量难以保证，难以提供自动化近场服务，难以应用到公共安全通信领域，难以保障较低功耗等一系列的问题。始于 3GPP R12 中LTE-advanced的D2D技术（注：协议中命名为Sidelink）是一种端到端通信技术，是通过重用宏蜂窝用户资源来实现的。如图0-9所示，D 2 D技术主要包含两个功能，一个是 D2D发现功能，它能够使用户设备之间通过LTE射频空口在近场相互发现；另一个是 D2D 通信功能，它能够使用户设备之间通过 LTE射频空口复用LTE频率直接进行数据传输而避免通过网络进行路由，网络只负责一些资源协调和安全管控。D2D通信的目标距离是提供500m的服务，当然这也取决于网络传播条件和网络的负载情况。

D2D 技术支持小区用户之间直接进行通信，通过重用网络频率资源带来很多优点，可以增加LTE-advanced的频谱利用效率，有效改善无线通信系统频谱资源匮乏的问题，并且可以降低终端发射功率、节能降耗、减小小区负载并保证QoS提供新的服务。无疑，D2D技术来源于蜂窝通信网络技术，但是对于通信运营商的影响是深远的，尽管存在以上的一系列优点，D2D 通过一定程度的网络去中心化无论对于现在的网络运营还是未来的网络规划都将有重大意义的改变。当然，影响改变往往与机遇共存，作为物联网通信的另一个范畴—物物直连通信的先驱—D2D 技术实现了网络轻量化结构，运营商如何提前布局，应对挑战、把握机遇、实现新的收入增长，值得更深入的思考。

今生

3GPP R14支持NB-IoT的定位功能以及移动性，国内最大的共享单车企业ofo已经与华为、中国电信达成NB-IoT战略合作（见图0-10），在全新单车上部署基于NB-IoT的智能锁模块，提供低成本自行车定位的解决方案。

AT&T、Verizon、KPN、西班牙电信等四大洲 9 家主流运营商宣布支持eMTC，这些运营商分布在美国、欧洲、亚洲和澳洲四大洲，eMTC的全球市场版图开始强势扩大。

世界领先物联网连接提供商SigFox近期宣布完成1.5亿欧元E轮融资，用来加快全球网络扩张和迅速实现全球覆盖，同时宣称能够提供免GPS应用超低成本的物联网定位服务。凭借在其网络上注册的 1000 多万个对象和目前涉及26个国家的覆盖面，SigFox正在巩固其在物联网领域的全球领先地位。新一轮融资将让该公司能够在2018年之前将其国际网络扩大到60个国家，并达到财务损益平衡点（见图0-11）。

中兴通讯与 Semtech 在 2017年汉诺威消费电子、信息及通信博览会（CeBIT）现场签署基于LoRa定位技术的合作框架协议，双方决定就LoRa定位领域展开深入合作。基于该MOU协议，两家公司将联合开展LoRa定位应用的研究，以满足各种物联网应用的定位需求。据了解，“LoRa 定位”是Semtech针对LoRa网关芯片最新设计并推出的免终端参与被动定位技术，通过多个LoRa基站接收终端数据信号时获取终端的信号传输时延，对不同基站的距离测算出终端的位置，提供免传感器、零功耗定位能力，定位精度可以达到数十米级别。

随着国家万物互联战略的提出，蜂窝物联网技术的发展进入了黄金时代，从工程实践的角度了解相关重要技术原理，并通过与LTE蜂窝通信技术进行对比的方式把握新系统，新技术的设计思想，不仅在网络优化实践中能够起到一定的帮助作用，同时在系统、芯片设计中能有所启迪，这也是本书的主旨所在。