2.3　物联网标准协议

2.3.1　自组织物联网标准协议

自组织网络是一种将移动通信和计算机网络相结合而形成的新的网络，它采用计算机网络中的分组交换机制来实现网络信息的交换，用户终端是可以移动的便携式终端。在自组织网络中，每个用户终端都兼有路由器和主机两种功能。作为主机，终端需要运行如编辑器、浏览器等各种面向用户的应用程序；作为路由器，终端需要运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表完成数据分组的转发和路由维护工作，因此要求用户终端采用合适的路由协议。自组织网络路由协议需要在尽可能短的时间内查找到准确可用的路由信息，且能适应网络拓扑的快速变化，同时减小引入的额外时延和维护路由的控制信息，降低路由协议的开销，以满足移动终端在计算能力、存储空间及电源等方面的限制。

移动自组织网络能够利用移动终端的路由转发功能，在缺少基础设施的环境下进行通信，从而弥补了无网络通信基础设施可使用的缺陷。自组织网络技术为计算机支持的协同工作系统提供的解决方法主要有以下几个特点。

（1）网络拓扑结构动态变化。在移动自组织网络中，由于用户终端容易受到位置随机性、节点开关机随时性、无线发信装置发送功率的变化性、无线信道间的相互干扰性和地形等综合因素的影响，移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑结构可能会随时发生变化，而且变化的方式和速度不可预测。

（2）自组织无中心网络。自组织网络是一种对等式网络。由于移动自组织网络并没有严格意义上的控制中心，所有节点的地位都是平等的，因此节点能够随时加入和离开网络，且任何节点出现的故障都不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。

（3）多跳网络。由于移动终端的发射功率和覆盖范围有限，当终端要与覆盖范围之外的终端进行通信时，就需要利用中间节点进行数据转发。

（4）无线传输宽带有限。无线信道本身的物理特性决定了移动自组织网络的带宽要低于有线信道，而且移动终端的实际带宽还要远远小于其理论值，这是由竞争共享无线信道时，所产生的碰撞、信道干扰、噪声干扰和信号衰减等因素所导致的。

（5）移动终端的局限性。自组织网络中的移动终端（如笔记本电脑、手机等）虽然具有结构小巧、轻便、操作灵敏、移动性好等优点，但同时具有电量有限、内存小、CPU性能低等限制，使得我们在开发应用程序时，需要考虑这些因素［46］。

如今，随着具有明显自组织特性的网络大量出现，自组织网络由特指无线自组织网络（Ad-Hoc网络）扩展到包含具有自组织特性的P2P网络和IP网络（IP动态路由）。通过与其他技术进行融合，目前在讨论自组织网络的时候还会涉及RFID网络和无线传感器网络等技术。

下文将对目前比较流行的三种自组织网络技术——ZigBee、Mesh和Ad-Hoc，分别进行介绍。

2.3.1.1　ZigBee

ZigBee是一组基于电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）批准通过的IEEE 802.15.4无线标准研制开发的组网、安全和应用软件方面的技术。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，其物理层和数据链路层协议为IEEE 802.15.4协议标准，网络层和安全层由ZigBee联盟制定，应用层的开发应用根据用户的应用需要进行，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

ZigBee是执行基于无线自组网按需平面距离矢量路由协议（Ad-hoc Ondemand Distance Vector routing，AODV）专用网络的路由协议，简化后用于传感器网络。ZigBee路由协议可赋予网络环境解决移动节点连接失败和数据包丢失等问题的能力。当路由器收到一个单点发送的数据包时，这个数据包可以是从其自身的应用程序发出的，也可以是从其他设备那里收到的，则网络传输层根据特定的算法将数据包继续传递下去。这个特定的算法如下。

（1）如果目标节点是与它相邻路由器中的一个，则数据包将被直接传送给目标设备。否则，路由器将要先对路由表进行检索，找到与所要传送的数据包的目标地址符合的路由记录。如果找到符合的活动路由记录，则数据包将按存储记录被发送到下一级地址中去。如果没有发现任何相关的路由记录，则路由器发起路径寻找，数据包被存储到缓冲区中直到路径寻找结束。

（2）ZigBee终端节点不执行任何路由功能。终端节点要向任何一个设备传送数据包，只需要将数据向上发送给它的父亲设备，再由它的父亲设备以它自己的名义执行路由功能。同样地，任何一个设备要给终端节点发送数据，发起路由寻找，终端节点的父亲节点都以它的名义来回应［47］。

ZigBee充分利用了强大的IEEE 802.15.4物理无线电标准，可以在多个免授权频段上运行，包括全球广泛使用的2.4GHz，在美洲地区使用的915～921MHz，以及在欧洲地区使用的868MHz。三个频段可实现的原始数据传输速率分别为：2.4GHz频段能够在16信道下实现250Kbps，915MHz频段能够在27信道下实现10Kbps，以及868MHz频段能够在63信道下实现100Kbps。同时根据功率输出和环境特性，传输距离的范围可达到10～100m，而Sub GHz信道的传输距离可达1km。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点。

（1）数据传输速率低。ZigBee的数据传输速率只有10～250Kbps，且只进行一些简单数据的传输，因此更适用于低传输速率应用。

（2）功耗低。在非工作模式下，ZigBee节点处于休眠模式，耗电量只有1μW；在工作模式下，由于ZigBee技术传输速率低、传输数据量小，因此信号的收发时间很短，一般情况下，ZigBee设备的搜索时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。由于ZigBee设备工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，其非常省电，ZigBee节点的电池供电时间可以长达6个月到2年。同时，由于电池寿命取决的因素很多，如电池种类、容量和应用场合等，导致ZigBee技术在协议上对电池使用也做了相应优化。对于典型应用，碱性电池可以使用数年，对于某些工作时间和总时间（工作时间+休眠时间）之比小于1%的情况，电池的寿命甚至可以超过10年。

（3）数据传输可靠。ZigBee的介质访问控制（Media Access Control，MAC）层采用的是CSMA-CA碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需求时，立刻进行数据传送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并回复确认信息，若没有收到确认信息的回复就表示发生了碰撞，需要再进行一次传送。采用这种方法可以提高系统信息传输的可靠性，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免发送数据时产生竞争和冲突。

（4）网络容量大。由于ZigBee技术具有低速率、低功耗和短距离传输的特点，因此非常适合支持简单器件。ZigBee定义了简化功能器件（Reduced-Function Device，RFD）和全功能器件（Full-Function Device，FFD）两种器件。网络节点通常作为简化功能器件使用，而网络协调器（Coordinator）就是一种全功能器件。如果使用网络协调器组建无线传感器网络，整个网络最多可以支持超过65 000个ZigBee网络节点，且各个网络协调器可互相连接，所以整个ZigBee网络可支持节点的数量将十分可观。

（5）自动动态组网、自主路由。无线传感器网络是动态变化的，当节点的电量耗尽或被敌人俘获时，都能使节点退出网络，而且网络的使用者也希望能在需要的时候向现有网络中加入新的传感器节点。

（6）兼容性。ZigBee技术可实现与现有的网络标准无缝集成。通过网络协调器自动建立网络，采用CSMA-CA方式进行信道接入。ZigBee技术还提供全握手协议，以保证数据的可靠传输。

（7）安全性。ZigBee提供了对数据完整性的检查和鉴权功能，在数据传输中提供了三个等级的安全级别。第一级安全级别是无安全方式，对于某种安全并不重要或上层已经提供足够安全保护的应用，器件就可以选择这种方式来传送数据。第二级安全级别不采取加密措施，器件可以使用接入控制清单（Access Control List，ACL）来防止非法器件获取数据。第三级安全级别在数据传输中采用属于高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）的对称密码。AES可以实现保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件的功能。

（8）实现成本低。模块的初始成本将维持在1.5～2.5美元，且ZigBee协议免除专利使用费。因此，对于无线传感器网络中所承载的成千上万个节点，将节省一大笔费用，且保证了网络规模［48］。

综上所述，ZigBee是一种具有低成本、满足低功耗要求、低速短距离传输的无线通信技术。与其他无线标准如IEEE 802.11（Wi-Fi）或IEEE 802.16不同，ZigBee和IEEE 802.15.4的最大传输速率只有250Kbps，在获得更高可靠性的同时，更加专注于低传输应用。ZigBee 1.0版本的网络标准连同灯光控制设备描述已于2004年年底推出。之后几年，陆续推出ZigBee 2006、ZigBee PRO、ZigBee RF4CE版本。2009年，ZigBee采用了IETF的互联网协议第六版（IPv6）6Lowpan标准作为新一代智能电网Smart Energy（SEP 2.0）的标准。截至目前ZigBee 3.0也已发布，可应用的设备类型包括照明类、暖通类、安防类、侵入报警系统、闭合装置、通用设备及电力设备，而其他应用领域及相关设备的描述也会在随后的时间里陆续发布。

2.3.1.2　Mesh

无线Mesh网络（无线网状网络）也称“多跳”（Multi-Hop）网络，是一种新型的宽带无线网络结构，是一种多跳、具有自组织和自恢复特点的高容量、高速率、快速漫游、可靠的分布式网络。

Mesh网络要求每个节点不仅具有捕获和传播其节点自身数据的功能，而且需要作为其他节点的中继，即它需要与网络中的其他节点在网络数据传输中进行合作。Mesh网络使用动态路由技术进行设计，路由沿路径传播消息，消息从一个节点跳到另一个节点，直至到达目的地。为了确保路径的可用性，路由网络使用自修复算法，允许连接的连续性和重新配置损坏或阻塞的路径，使得网络中的源和目的地之间存在多条路径。当一个节点发生故障或连接断裂时，Mesh网络的自修复功能可以确保基于网络的路由正常工作，数据可以自动重新路由到一个临近的、通信流量较小的节点进行传输。同理，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直至到达最终目的地。因此，Mesh网络十分可靠。

无线Mesh网络与传统的交换式网络相比，虽然不再需要在往来节点间布线，但是仍然具有分布式网络所提供的重新路由功能和冗余机制。在无线Mesh网络中，只需要提供电量就可添加新设备，新设备可以自动进行配置操作，并确定最佳的多跳传输路径。当添加或移动设备时，网络能够自动识别拓扑变化，并自动调整通信路由，以获取最有效的传输路径。作为一种无线通信技术，Mesh网络具有如下特点。

（1）范围覆盖广。在Mesh网络采用多跳方式，通过Mesh AP对数据进行智能转发，直到把数据送至目的节点，从而把接入点服务的覆盖范围延伸到几千米远。在该网络中，无线通信的范围不再受限于接入点的覆盖范围，每个移动终端不需要中心控制设备而能随时随地实现互联，消除单跳网络的瓶颈，实现低成本的广域覆盖。

（2）高速数据传输率。在Mesh网络中，Mesh AP和移动终端的通信以多跳转发的方式进行，保证了端到端的高数据传输率。Mesh可融合其他网络或技术，理论速率可以达到300Mbps，甚至更高，并可以高速处理转发业务。

（3）高速漫游。在Mesh网络中，因为覆盖面积大，用户移动到另一个热点地区时，网络内部的高速转发数据功能也会保证用户顺利地在另一个热点地区继续使用，网络时延不会明显增加，从而为用户提供稳定、快速的因特网服务，可以提供包括声音、数据和影像在内的多种媒体在移动状态下的高速传输，实现多媒体宽带移动、无缝、低成本通信。

（4）具有快捷的网络自恢复、自组织性。在Mesh网络中，各Mesh AP之间可以自动互相发现，自动寻找最优路由路径，形成的链路为网状结构，避免了点对多点的星形结构，通信终端之间存在多跳冗余路径，具有内在的网状拓扑冗余特性，可以动态适应环境变化，即使在单个节点或单个链路失效的情况下，也能有效保证网络的联通性，因而对网络的可靠性有较高的保障，大大提升了现有网络的性能。同时，自恢复功能将减少人工维护及修复的成本。

（5）可扩充的动态配置，无须复杂的布线和安装过程。Mesh网络配置方便，Mesh AP、Mesh网关等基础设施小巧，配置更灵活，安装和使用成本更低，易维护；Mesh的多跳结构和配置灵活也非常有利于网络拓扑结构的调整与升级。

2.3.1.3　Ad-Hoc

Ad-Hoc是一种多跳的临时性自治的移动网络，采用分布式技术，整个网络没有固定的基础设施，节点完全由移动主机构成。美国在1968年建立的ALOHA网络和之后于1973年提出的PR（Packet Radio）网络作为Ad-Hoc网络的原型，被应用于军事领域。其中，ALOHA网络是一种单跳网络，部署ALOHA网络需要固定的基站，网络中的每个节点都必须和其他所有节点直接连接才能互相通信。而PR网络是最早的多跳网络，网络中的各个节点能够通过中继的方式相互连接，实现在两个距离很远且无法直接通信的节点之间传送信息。经过无线通信技术和终端技术的不断发展，Ad-Hoc网络也逐渐被应用到民用环境中并得到发展。1997年IEEE在开发IEEE 802.11标准时，提出将PR网络改名为Ad-Hoc网络，也就是今天常说的无线自组织网络。

在Ad-Hoc网络中，每个终端同时具备主机和路由器的功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑，以应对由于节点移动和无线信道干扰等因素造成的网络拓扑结构变化频繁的问题。作为主机，终端可以运行各种面向用户的应用程序；作为路由器，终端需要运行相应的路由协议，进行寻找路由和转发报文的工作。Ad-Hoc网络的分布式控制和无中心的网络结构，能够在部分通信网络遭到破坏后继续维持剩余的通信能力，具有很强的健壮性和抗毁性。由于在Ad-Hoc网络中的每个主机的发射功率和无线通信范围有限，因此路由一般都由多跳组成，数据通过多个主机的转发才能到达目的地，所以Ad-Hoc网络也被称为多跳无线网络。作为一种新的组网方式，Ad-Hoc网络具有以下特点。

（1）独立性。Ad-Hoc网络与常规通信网络最大的区别在于：Ad-Hoc网络的建立不依赖现有的网络通信设施，在任何环境下都能快速构建起一个移动通信网络，具有一定的独立性。

（2）网络拓扑结构动态变化。主机可以在Ad-Hoc网络中随意移动，这会导致主机之间的链路发生变化，从而不断改变主机之间的关系。在Ad-Hoc网络中，主机同时还具备路由器的功能，因此，链路变化会导致网络拓扑结构动态变化，且变化的方式和速度都不可预测。

（3）无线通信带宽低。在Ad-Hoc网络中，主机之间的通信均需要通过无线传输的方式实现。由于无线信道本身的物理特性，它所提供的网络带宽低于有线信道，且在实际工作中，会出现因竞争共享无线信道而产生碰撞、信号衰减、噪声干扰等多种影响因素，因此移动终端得到的实际带宽远小于理论中的最大带宽。

（4）主机能源供给受限。在Ad-Hoc网络中，主机全部由便携计算机或掌上电脑等移动设备组成。由于主机可能随时处于移动状态，导致主机的供能设施主要由电池构成，因此Ad-Hoc网络具有能源供给受限的特点。

（5）分布式特性。在Ad-Hoc网络中没有中心控制节点，主机通过分布式机制实现通信连接。当网络中的某个或某些节点发生故障时，不影响其余节点继续正常工作。

（6）生存周期短。Ad-Hoc网络主要用于临时性的通信需求，相对于有线网络，具有较短的生存周期。

（7）物理安全。通常情况下，移动网络相比固定网络而言，更容易受到窃听、欺骗和拒绝服务等物理安全的攻击。但是，由于Ad-Hoc网络具有分布式特性，因此可以抵抗一部分攻击。

2.3.2　低功耗广域物联网标准协议

低功耗广域网（Low Power Wide Area Network，LPWAN）是一种低功耗的无线通信广域网络，以低数据速率进行远距离通信。多数LPWAN技术可以实现几千米甚至几十千米的网络覆盖。由于其网络覆盖范围广、终端功耗低等特点，更适合大规模的物联网应用部署。

LPWAN是为物联网应用中的M2M通信场景而优化的，由电池供电，并且具有低速率、超低功耗、低占空比等特点，覆盖方式采用星形网络，是一种单节点最大覆盖可达100km的蜂窝汇聚网关的远程无线网络通信技术。该技术由于具有远距离、低功耗、低运维成本等特点，与蓝牙、Wi-Fi、ZigBee等无线连接技术相比，数据传输距离更远，与蜂窝技术［如GPRS（通用无线分组业务）、3G、4G等］相比连接功耗更低，LPWAN真正实现了大区域物联网低成本、全覆盖。

LPWAN技术又可分为两类：一类是工作在非授权频段的技术，如Lora、Sigfox等，这类技术大多是非标准化、自定义实现的；另一类是工作在授权频段的技术，如GSM、CDMA、WCDMA等较成熟的2G/3G蜂窝通信技术，以及LTE、LTE eMTC及NB-IoT等。

作为LPWAN的主要技术代表，Sigfox技术、eMTC技术、NB-IoT和5G技术逐步成为物联网领域的研究热点，后文对这四种技术分别进行详细介绍。

2.3.2.1　Sigfox

2009年法国的Sigfox公司开始研发自己的超窄带（Ultra Narrow Band，UNB）技术，并以公司名称命名，即Sigfox，并将该项技术应用于物联网的低功耗蜂窝式广域网络，这是一个用于长距离、低功耗、低数据量的物联网和M2M解决方案，被业界认为是LPWAN领域最早的开拓者。

Sigfox具有与蜂窝网络非常相似的基础设施，在免授权的ISM（工业、科学、医学）频谱中的超窄带信道上工作（例如，欧洲的868MHz和美国的902MHz），并支持少量数据的传输。Sigfox是其他无线通信标准的成本最低的替代品，支持城市中1～3km、乡村达10km、水中或理想条件下达100km的远程通信。

如图2-9所示，Sigfox网络架构可以分为三部分。中间部分的Sigfox网关和Sigfox云部分由Sigfox公司提供，也就是Sigfox网络和Sigfox网络服务器或设备管理服务器由Sigfox公司提供。左边终端部分Sigfox则是开放的，与多个RF（射频）芯片公司合作无线前端的连接，为用户提供多RF芯片供应商的选择，但终端必须符合Sigfox网络认证。右边的部分是业务应用，包括应用服务器和Web客户端或App等。

由此可见，Sigfox和传统无线网络在网络结构上存在极大差异，只有在有传输需求时才进行连接，因此，低数据量传输就成为Sigfox的一个较大的特点，能降低终端传感设备能耗，从而提高电池寿命。Sigfox采用的是超窄带及优化通信方式，提供传输短数据类业务，而且每个数据流只容纳12比特（bit）。这样虽然在传输数据量上有一定的局限性，却能获得更远的传输距离和更低的成本，对电池的耗能也能做到准确的预测。为此，Sigfox将整个公司的市场方向定位在极为简单的链接上，如全球一张网及统一的链接平台、超窄带所带来的超低成本，为成本要求高的公共网络提供了优化的解决方案，如智能电表、路灯照明系统等。因此，Sigfox应用主要集中在工业、公用事业、农业、公共部门等领域。Sigfox应用案例主要集中在智能计量、智能跟踪、温度检测上。

Sigfox作为一种超窄带低功耗广域网，还具有如下特征。

（1）超窄带无线电调制。使用超窄频带调制，Sigfox可在公共频段的200kHz频段上进行无线电信息交换。每条消息的宽度为100Hz，根据区域的不同，每秒钟传输100bit或600bit的数据。因此，在对抗噪声的同时，可以实现远距离通信。

（2）轻量级协议。Sigfox定制了一个轻量级的协议来处理小的数据消息。较少的数据发送意味着更少的能源消耗，因此电池寿命更长。

（3）小的有效载荷。上行消息具有高达12bit的有效载荷，并且平均需要2s到达基站。对于12bit的数据有效载荷，Sigfox帧总共将使用26bit。下行消息中的有效负载容量为8bit。

（4）星形网络架构。与蜂窝协议不同，设备依赖特定的基站。广播消息由范围内的任何基站接收，基站数量平均为3个。

据报道，2018年1月，“中法合作成都国际智慧养老服务示范社区”Sigfox项目签署。项目总投资约3亿欧元，由Sigfox物联网公司和KRG智慧养老公司提供物联网技术标准和智慧养老技术解决方案，中国联通提供技术运营支持。KRG智慧养老公司针对独居的老人及行动不便者开发了智能居家新一代远程养老监护系统，提供基于Sigfox物联网技术的新一代远程协助解决方案，能够观测到可能将上述人员置于危险境地的跌倒、不适等反常行为，这是Sigfox在中国的第一个项目。

2.3.2.2　eMTC

3GPP在技术标准演进中对LTE协议进行裁剪，舍弃大部分复杂功能，形成适用于低功耗、低成本设备联网的新的LTE-M协议，即LTE-Machine-to-Machine。LTE-M在3GPP R12版本中被命名为Low-Cost MTC，在R13中更改为LTE enhanced MTC，即eMTC，旨在基于现有LTE载波技术满足物联网中设备的需求。eMTC基于蜂窝网络进行部署，支持上、下行最大1Mbps的峰值速率，属于物联网中速率。在满足1.4MHz的射频和基带带宽的条件下，eMTC的用户设备可实现直接接入现有的LTE网络。eMTC最关键的能力在于支持移动性并可以定位，成本只有Cat1芯片的25%，相比于GPRS速率要高4倍。和NB-IoT相同的是，eMTC终端也引入了省电模式（Power Saving Mode，PSM）与扩展不连续接收模式（extended Discontinuous Reception，eDRX）两种节电模式，其终端上、下行仅需1.4MHz带宽，速率可以达到1Mbps，支持移动性和基站定位，可实现漫游和无缝切换，并且支持VoLTE语音。

eMTC除具有LPWAN覆盖广、支持海量连接、低功耗、低成本的基本特性外，还具有以下优势。

（1）速率高。eMTC支持上、下行最大1Mbps的峰值速率，远远超过GPRS、ZigBee等物联技术的速率，eMTC更高的速率可以支撑更丰富的物联应用，如低速视频、语音等。

（2）移动性。eMTC支持连接态的移动性，物联网用户可以无缝切换，保障用户体验。

（3）可定位。基于TDD的eMTC可以利用基站侧的PRS测量，在无须新增GPS芯片的情况下进行定位，低成本的定位技术更有利于eMTC在物流跟踪、货物跟踪等场景中的普及。

（4）支持语音。eMTC从LTE协议演进而来，可以支持VoLTE语音，未来可被广泛应用到可穿戴设备中。

基于eMTC的上述技术优势，它可被广泛应用到智慧交通、智慧物流、智能可穿戴设备、智慧充电桩、智慧公交站牌等多个应用场景中，实现实时定位、监控、记录、上传、查询等功能。

截至2016年4月，在全球160多个国家和地区中，有超过500家运营商部署了LTE，超过400个厂家发布了超过5 000款支持LTE的各种产品。借助过去数年智能手机的蓬勃发展，LTE已经成为最容易获得且性能最容易保证的无线通信主流技术［49］。相比物联网的Wi-Fi和蓝牙技术，LTE的覆盖连接范围更广。另外，由于现有TD-LTE和LTE FDD的网络基础设施可以被eMTC复用，因此只要投入少量的设备，eMTC就可以基于现有LTE网络直接进行升级部署，不需要重新搭建新的网络。

2.3.2.3　NB-IoT和5G技术演进

1.NB-IoT

NB-IoT是2015年9月由国际电信标准制定组织3GPP立项提出的一种专为物联网应用打造的窄带蜂窝通信LPWAN技术，并于2016年6月完成该项技术核心部分的标准冻结工作（见图2-10）。NB-IoT在现有蜂窝网络基础上构建，所占用的带宽仅180kHz左右，可在LTE网络、GSM网络或UMTS（通用移动通信系统）网络上直接进行部署，可实现平滑升级和降低部署成本的目标。由于其核心是面向具有低耗能的物联网终端，因此适合在智能家居、智慧城市、智能生产等领域进行广泛部署。

NB-IoT是一种经过3GPP标准定义、工作在授权频段的低功耗广域网技术，其目的在于解决物联网现有技术的高功耗、传输距离短的问题。3GPP对NB-IoT做出如下规定。

1）网络架构

NB-IoT的端到端系统架构如图2-11所示。

（1）NB-IoT终端：通过空中接口与网络中的eNodeB基站建立连接。

（2）eNodeB基站：包含两种组网方式，一种是整体式无线接入网，另一种是NB-IoT新建网。主要负责空中接口的接入处理和小区管理等功能，并通过S1-lite接口与IoT核心网进行连接，由高层网元处理转发的非接入层数据。

（3）IoT核心网：负责与终端非接入层进行交互，并将IoT业务相关数据转发到IoT平台进行处理。

（4）IoT平台：把从各个接入网中得到的IoT数据进行汇聚，并根据数据的不同类型，转发至相应的业务应用器中进行处理。

（5）应用服务器：是IoT数据的最终汇聚点，根据客户的需求进行数据处理等操作［50］。

2）物理层

（1）传输方案。

物理层上、下行传输参数列表如表2-2所示。

①下行。NB-IoT下行与LTE一致，采用正交频分多址OFDMA技术，子载波间隔15kHz，时隙、子帧和无线帧长分别为0.5ms、1ms和10ms，包括每时隙的OFDM符号数和循环前缀（Cyclic Prefix）都是与LTE一样的。

NB-IoT的载波带宽为180kHz，等同于LTE中一个物理资源块（Physical Resource Block，PRB）的频宽，即12个子载波×15kHz/子载波=180kHz，这确保了下行与LTE的相容性。例如，在采用LTE载波带内部署时，可保持下行NB-IoT PRB与其他LTE PRB的正交性。

②上行。NB-IoT上行支持多频（Multi-Tone）传输和单频（Single-Tone）传输。

如图2-12所示，多频传输基于SC-FDMA，子载波间隔为15kHz，0.5ms时隙，1ms子帧（与LTE一样）。单频传输子载波间隔可为15kHz及3.75kHz，其中15kHz与LTE一样，以保持两者在上行的相容性。当子载波为3.75kHz时，其帧结构中一个时隙为2ms长（包含7个符号），15kHz为3.75kHz的整数倍，所以对LTE系统有较小的干扰。与下行一样，NB-IoT上行总系统带宽为180kHz。

（2）部署方式。

NB-IoT技术采用原先蜂巢网络的加密设计，因此在信息的传送上具有更高的安全性。为了满足运营商可以对网络进行灵活部署的需求，NB-IoT可以部署在不同的无线频带上，具体可分为以下三种情况：独立部署（Stand Alone）、保护带部署（Guard Band）、带内部署（In Band），如图2-13所示。

①独立部署Stand Alone模式：此模式不依赖LTE网络并可与LTE网络完全解除耦合，利用新的独立频带或空闲频段完成部署。由于GSM的信道带宽为200kHz，刚好满足NB-IoT的180kHz带宽，且还能在其两边各留出10kHz的保护间隔，因此可以充分利用GSM频段。

②保护带部署Guard Band模式：此模式不占用LTE现有资源，而是利用LTE边缘保护带中未使用的180kHz带宽的资源块。采用该模式时，还需要同时满足一些特定的技术要求，如原LTE频段带宽应大于5Mbps，以避免NB-IoT和LTE之间产生信号干扰等影响。

③带内部署In Band模式：此模式需要占用LTE中的某个频段资源。3GPP规定，该模式下的信号功率谱密度与LTE信号的功率谱密度不得超过6dB，以避免因信号干扰造成的影响。

3）NB-IoT协议

从协议栈的角度看，NB-IoT是一种新的空中接口协议，它在LTE的基础上，删减一部分物联网的实际需求不必要的功能，从而达到降低协议栈处理流程开销的目的。

以无线承载（RB）为例，在LTE系统中，信令无线承载（Signalling Radio Bearers，SRB）会被部分复用，SRB0用来在逻辑信道CCCH上传输RRC（无线资源控制）消息；而SRB1在逻辑信道DCCH上传输RRC消息和NAS（网络附属存储）消息，如图2-14所示。

虽然，NB-IoT没有对SRB2进行定义，但却定义了SRB1bis，这是一种新的信令无线承载。SRB1bis和SRB1相比，除了没有PDCP，其他配置基本一致。这表明在CIoT EPS控制面功能优化下只有SRB1bis，因为只有在这种模式才不需要建立数据无线承载。下面将对NB-IoT帧结构和物理信道展开介绍。

（1）NB-IoT帧结构。

为了降低RF和基带的复杂性，方便GSM频率再利用，NB-IoT采用与GSM相同的系统带宽200kHz，由于在实际使用中，需要在两边各保留10kHz，因此NB-IoT的实际传输带宽是180kHz。NB-IoT的下行采用OFDMA多址接入技术，其帧结构与传统的LTE帧结构相同，即1个10ms的无线帧包含10个长度为1ms的子帧，1个子帧包含2个长度为0.5ms的时隙。在下行链路上，NB-IoT支持子载波带宽为15kHz，子载波数量为12个，且不支持扩展CP（循环前缀）。NB-IoT下行时隙结构如图2-15所示。

NB-IoT的上行帧结构有两种方式可选：①子载波带宽为15kHz的帧结构，此结构与传统LTE的下行帧结构相同，即1个10ms的无线帧包含10个1ms的子帧，180kHz的传输带宽上共有12个子载波；②子载波带宽为3.75kHz的帧结构，这是一种新的帧结构设计，与子载波带宽为15kHz的帧结构不同的是，1个10ms的无线帧包含5个长度为2ms的时隙，180kHz的传输带宽上共有48个子载波。NB-IoT上行时隙结构如图2-16所示［51］。

（2）NB-IoT物理信道。

为了降低实际部署的复杂性，NB-IoT针对非必要的物理信道做了相应的删减，在下行链路中只有三种物理信道和两种参考信号，在上行链路中只有两种物理信道和一种参考信号。其中，三种下行物理信道如下所示。

①窄带物理广播信道（Narrowband Physical Broadcast Channel，NPBCH）：NPBCH采用的是QPSK调制方式，传递的是系统帧号、NB-SIB1调度信息、操作模式和接入限制等信息。

②窄带物理下行控制信道（Narrowband Physical Downlink Control Channel，NPDCCH）：NPDCCH采用的是QPSK（正交相移键控）调制方式，用于指示窄带物理下行共享信道（Narrowband Physical Downlink Shared Channel，NPDSCH）、窄带物理上行共享信道（Narrowband Physical Uplink Shared Channel，NPUSCH）的资源分配和传输格式等信息。

③窄带物理下行共享信道（Narrowband Physical Downlink Shared Channel，NPDSCH）：只支持QPSK，最大传输的沉默位（TBS）为680bit。通过进行多次传输，达到增加下行覆盖的目的。

两种下行链路参考信号如下所示。

①窄带参考信号（Narrowband Reference Signal，NRS）：NRS用于测量下行信道的通信质量和进行信道估计，实现NB-IoT UE的相干检测和解调。

②窄带同步信号（Narrowband Synchronization Signal，NSS）：NSS用于确定小区的唯一物理小区号（Physical Cell Identity，PCI）和进行时间同步。

因此，NB-IoT通过重复传输、功率增强、采用低阶调制技术等方式，以实现增加覆盖、支撑海量连接、降低功耗的目的。

NB-IoT最大链路损耗如表2-3所示。

4）NB-IoT优势

NB-IoT是IoT领域新发展起来的低功耗广域网技术，NB-IoT的搭建基于蜂窝网络，支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。它使用授权频段（License Band），改善了物联网技术在大量布建下所产生的联机碰撞问题，具有较高的数据传送率，还有较大的数据传送量。此外，基于授权频段从而拥有较佳的传输质量。因此，NB-IoT作为一项应用于低速率业务中的技术，优势表现在以下几个方面。

（1）强链接。在基站相同的情况下，NB-IoT网络的接入量可达到现有无线技术的50～100倍，一个扇区能够支持的连接数量多达10万个，因此可以更好地支持需要满足低设备功耗、低延时敏感度、超低设备成本和优化的网络架构。举例来说，基于网络带宽的限制，运营商给家庭中每个路由器仅开放8～16个接入口，但每个家庭中都有手机、平板电脑、笔记本电脑、台式计算机等多个设备的连接需求，想要实现上百种传感设备同时联网和全屋智能化管理就成了一个棘手的难题，而NB-IoT可以轻松满足未来智慧家庭中大量设备联网的需求。

（2）高覆盖。NB-IoT的室内覆盖增益比LTE提升20dB，相当于提升了100倍的区域覆盖能力。不仅可以满足像乡村、高尔夫球场等有广覆盖需求的应用环境，同样适用于煤矿、地下车库、井下等对覆盖深度有特殊要求的应用。

（3）低功耗。在物联网应用中，低功耗特性是一项重要的考量指标，特别是对于一些不能随意更换电池的设备和地点，如安置在偏远地区或危险环境中的各类传感监测设备，条件不允许对其经常充电或更换电池，因此高电池使用寿命是保证网络正常运行的最基本需求。由于NB-IoT聚焦在小数据量和小速率的应用，因此NB-IoT设备的功耗可以降到很小，设备的续航时间可以从过去的几个月大幅提升到几年。

（4）低成本。NB-IoT与LoRa不同，无须重新建网，只需要复用射频和天线，就可以直接进行LTE网络和NB-IoT网络的同时部署，且NB-IoT技术低功耗、低速率和低带宽的特点，也使NB-IoT芯片、模块及终端具有低成本优势。

然而，为了满足日益增多的市场需求和应用场景，3GPP在Rel-14中对NB-IoT进行了一系列增强技术的规定，并于2017年6月完成了核心规范。在从3GPP Rel-13向Rel-14演进的过程中，增加了定位和多播功能以提高数据速率，在非锚点载波上进行寻呼和随机接入，增强连接态的移动性，支持更低的用户设备（User Equipment，UE）功率等级等。增强技术的具体功能描述如下。

（1）定位功能。定位服务是物联网应用的基本需求，基于位置信息可以衍生出很多增值服务。NB-IoT增强技术引入了OTDOA（观察到达时间差）和E-CID（增强型小区ID）两项定位技术。终端可以向网络上报其支持的基于OTDOA、A-GNSS（辅助全球导航卫星系统）、E-CID、WLAN（无线局域网）和蓝牙等定位技术，网络侧则根据终端的能力和所处的无线环境，选择适合的定位技术。

（2）多播功能。NB-IoT增强技术引入了多播技术，以实现消息群发和软件升级等功能。多播技术是基于LTE的SC-PTM，终端通过SC-MTCH接收群发的业务数据。

（3）数据速率提升。3GPP Rel-14中引入了新的能力等级UECategoryNB2，支持的最大传输块的上、下行都提高到了2536bit，一个非锚点载波的上、下行峰值速率可提高到140Kbps/125Kbps。

（4）非锚点载波增强。为了获得更好的负载均衡，3GPP Rel-14中增加了在非锚点载波上进行寻呼和随机接入的功能，因此3GPP Rel-14的NB-IoT终端必须支持非锚点载波的PRACH和寻呼。这样网络可以更好地支持大连接，减小随机接入冲突概率。

（5）移动性增强。在3GPP Rel-14中，NB-IoT控制面蜂窝物联网（Cellular Internet of Thing，CIoT）EPS优化方案引入了无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）连接重建S1 eNB（evolved Node B，演进型Node B）Relocation Indication流程。RRC连接重建时，原基站可以通过S1 eNB Relocation Indication流程把没有下发的网络附属存储（Network Attached Storage，NAS）数据还给关键控制节点（Mobility Management Entity，MME），MME再通过新基站下发给UE。用户面CIoT EPS优化方案在无线链路失败时，使用LTE原有切换流程中的数据前转功能。

（6）更低的UE功率等级。3GPP Rel-14在原有23dBm/20dBm功率等级的基础上，引入了14dBm的UE功率等级，这样可以满足一些非极端覆盖条件且需要小容量电池的应用环境［52］。

2.5G技术演进

5G技术，即第五代移动通信技术，是最新一代蜂窝移动通信技术，其性能目标是提高数据速率、减少延迟、提高系统容量、实现大规模设备连接、节省能源和降低成本，因此5G技术带来的不仅是更快的网速，还有使万物智能互联成为可能，而NB-IoT是5G商用的前奏和基础。

1）5G标准发展

自1997年ITU给出3G系统的标准定义起，关于4G无线蜂窝系统的讨论即已开始。其中，基于3G标准家族，标准化机构3GPP（Third Generation Partnership Project）在Rel-8中发布了LTE的第一个版本。作为首个应用正交频分复用接入（OFDMA）技术的蜂窝系统，LTE系统需要在下行峰值速率上取得高达300Mbps的重大飞跃。然而，LTE Rel-8和Rel-9都没能满足ITU对4G系统提出的4G移动通信标准规范（International Mobile Telecommunications Advanced，IMT-A或IMT-Advanced）需求，直到经过一系列演进发展生成的Rel-10（也被称为LTE-Advanced），才被看作真正的4G系统。

Rel-10于2011年3月完成，之后的Rel-11负责对LTE-A中规范的基本技术进行增强，Rel-12的标准化工作始于2011年10月，并在2014年6月冻结。3GPP组织的会议上对增强型技术及新技术进行了充分讨论，虽然还未得到清晰的结论，但是，Rel-12需要解决的关键技术已经明确。其中，需要增强的技术包括增强型COMP（inter-site COMP）、增强型载波聚合（Multi-Stream Carrier Aggregation）及增强型的多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）系统。将要引进的新技术包括广域移动网络中的机对机通信技术（Machine-Type Communication，MTC）和用户间的直接互联技术（Device-to-Device Communication，D2D）。

Rel-13的标准化起始于2013年3月，并在2014年9月实施该版本第一阶段后冻结。Rel-13仍然对LTE-A的技术进行增强型定义与规范。然而4G标准的版本仍在商讨议定过程中，承载着4G系统未来的5G概念已经进入人们的视线。5G概念的提出最早可追溯至2000年左右，并从2012年开始受到通信业界的高度关注。关于5G的技术研究，其可能增加的新概念和新课题尚未明确，然而可以肯定的是，5G是面向21世纪20年代需求的技术，ITU已针对2020年的技术趋势、频谱需求分析和社会愿景等多方面开展了积极的研究，并于2015年7月正式发布了《中国移动技术远景2020+白皮书》，以对5G形成一个基本的全球共识。

参照3GPP 5G路标与规划，5G新空口（New Radio，NR）部署计划暂时分为两个阶段：第一阶段Rel-15版本已在2018年6月前完成制定，在2020年年底完成前期部署；第二阶段Rel-16版本标准力争实现与第一阶段标准的兼容，已在2019年年底完成制定，并完成其向ITU-R IMT-2020的提交，同时计划2021年前完成商用系统部署。

如表2-4所示为全球移动通信系统的典型特征、核心技术及典型标准等的汇总。移动通信系统经历了从1G到4G时代的长期演进，而目前，2G、3G和4G的网络正同时为全球的用户提供多层次的服务。基于用户体验的角度，特别是从3G时代开始，移动网络的接入速度指标是最受关注的，然后就是业务提供的丰富程度，而这些指标在未来的5G时代仍然待定。

ITU目前已完成针对5G愿景的研究，且在2017年年底启动了5G技术方案的征集活动，并在2020年完成5G标准制定工作。3GPP也在2016年年初启动了对5G标准的研究，2017年年底完成非独立组网5G新空口技术标准化、5G网络架构标准化，2018年下半年形成5G标准统一版本，完成独立组网5G新空口和核心网标准化，2019年年底完成满足ITU要求的5G标准完整版本。目前，3GPP已确认的5G技术标准主要有：无线帧长度为10ms，子帧长度为1ms，子载波间隔为15～480kHz；具有相同CP开销的不同子载波在1ms内符号边界处同步；支持Slot聚合，数据传输可以扩展到1个时隙至多个时隙上。

2）5G应用场景

目前为止，ITU已经确定的5G应用场景主要有三类，分别是增强移动宽带（enhance Mobile Broad Band，eMBB）、大规模机器类通信（massive Machine Type Communications，mMTC）和高可靠低时延通信（Ultra-Reliable Low Latency Communication，URLLC）。其中，应用于物联网领域的主要有以下两种。

（1）大规模机器类通信。物联网的5G应用场景mMTC和增强型机器类型通信（enhanced Machine Type Communication，eMTC）的侧重点不同，mMTC主要实现的是在人与物之间的信息交换，而eMTC则主要实现物和物之间进行的通信需求。此场景具有海量终端、小时延不敏感数据、低成本和低功耗的特点。

（2）高可靠低时延通信。URLLC场景对时延、吞吐率和可用性等性能具有较严格的要求。例如，通过无线系统对远程医疗、传输安全、智能电网的自动配电和工业制造等进行控制。

3）5G商用计划

在全球范围内，各国组织正积极参与5G技术的研发，力争5G标准和产业发展主导权。日本成立的5G移动通信推进论坛组织（the Objectives of the Fifth Generation Mobile Communications Promotion Forum，5GMF），于2017年正式启动5G技术试验工作，日本电信公司NTT DoCoMo正在组织10余家主流企业验证5G关键技术，进行关键技术及频段筛选，在2020年实现5G商用以支持东京奥运会的顺利举办；韩国于2015年发布5G国家战略，启动GIGA Korea项目，计划投入1.6万亿韩元（约14.3亿美元），于2018年年初开展5G预商用试验，以支持平昌冬奥会；欧盟于2016年发布5G行动计划并启动频率规划，启动5G PPP、METIS等5G研究项目，在2018年启动5G技术试验，力争2020年实现5G技术的垂直行业应用；美国成立5G American组织，2016年启动5G外场试验并发布5G高频频段，预计投入4亿美元支持5G试验及研发，美国最大的本地电话公司Verizon建立了5G技术论坛，于2017年开启5G的部分商用。

与此同时，我国也积极部署5G研究，成立了IMT-2020推进组，有效推动了5G试验规划的实施，目前已有56个成员，涵盖了国内外移动通信的产学研用单位。根据工信部发布的《信息通信行业发展规划（2016—2020年）》，我国于2020年启动5G商用服务。同时，参照工信部5G推进部署和三大运营商5G商用推进情况，我国已在2017年展开并完成了第二阶段的5G网络测试，并在2018年完成了规模性的组网试验。2019年在前期测试和试验的基础上，启动了5G网络建设进程和预商用计划，中国移动、中国电信、中国广电均在2020年正式推出商用服务。

除以国家为单位和主体的5G推进进程外，各行业的主流公司也纷纷在5G领域进行布局和发力。目前，高通、Intel和华为等芯片企业均全速推进5G芯片的研发进程，同时也加速了5G芯片商用的速度，高通、华为、紫光层锐、三星、联发科的5G芯片都已经在手机上进行了商用。

第五代移动通信系统的出现，将有效地应对因移动互联网和物联网的蓬勃发展所带来的超高移动数据流量增长、超低时延数据传输和海量设备相互连接等多种新兴业务需求［53］。

2.3.2.4　LoRa和LoRaWAN

1.LoRa

在物联网应用中，无线技术除以2G/3G/4G为主导的城域网外，还包含局域网和多种短距离通信技术，如2.4GHz频段的Wi-Fi、蓝牙、ZigBee和Sub-Ghz等，而这些短距离无线技术大都具有比较明显的优缺点。LoRa技术的出现，将有效解决长距离和低功耗不可兼顾的问题，同时还可以节省额外的中继器成本。

LoRa是低功耗广域网络通信技术中的一种，是由美国升特（Semtech）公司创建、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，它融合了数字扩频、前向纠错编码和数字信号处理等技术，其数据传输速率为0.3～37.5Kbps，利用自适应速率（Adaptive Data Rate，ADR）对数据传输速率和终端设备的发射功率进行控制，从而最大化终端设备的续航能力。在相同频率下，不同扩频序列的终端设备也不会互相干扰，因此在此基础上研发的集中器/网关（Concentrator/Gateway）能够并行接收并处理多个节点的数据，大大扩展了系统容量。这一方案改变了以往关于传输距离和功耗的折中考虑方式，为用户提供一种易于实现的远距离、低功耗、大容量、低成本的通信系统解决方案，进而扩展传感网络。目前，LoRa主要运行在全球免费频段（非授权频段），包括433MHz、868MHz、915MHz等。

LoRa采用的前向纠错编码技术，将一些冗余信息添加到待传输的数据序列中，从而在接收端及时纠正在数据传输进程中被注入的错误码元，减少了以往采用创建“自修复”数据包来进行重发的需求，并且有效解决了由多径衰落引发的突发性误码问题。

为了保障数据的可靠性，数据在进入数字扩频调制器中之前，先分组成多个数据包，并在这些数据包中注入前向纠错编码。之后，调制器将分组数据包中的每比特馈入一个“展扩器”中，将每比特时间划分为众多码片。LoRa调制解调器经配置后，可划分的范围为64～4096码片/比特，通过LoRa设备对调制解调器的配置，可使用4096码片/比特中的最高扩频因子（12），而ZigBee可划分的范围仅为10～12码片/比特。

通过使用高扩频因子，LoRa技术可利用大范围的无线电频谱传输小容量数据。虽然被传输的数据经过频谱分析仪测量时与噪声类似，但是数据之间是具有相关性的，因此数据是可以从无相关性可言的噪声中提取出来的。而且，扩频因子越高，越可以从噪声中提取更多的有效数据。

一般来说，影响传感网络特性的三个主要参数分别是传输速率、工作频段和网络拓扑结构。系统中的传输距离和电池寿命是由传输速率的性能所决定的，在选择工作频段时需要综合考虑频段和系统设计目标，而在FSK系统中，传输距离和节点数量决定了网络拓扑结构。因此，LoRa将彻底改变嵌入式无线通信领域的现有局面。由于工作频段是通过相关标准进行规范的，因此下面将对传输速率和网络架构进行说明［54］。

1）传输速率和距离

传输速率是系统设计中一个关键的可变因素，它将决定整个系统整体性能的很多属性。而对无线传输距离起决定作用的是接收机的灵敏度和发射机的输出功率。由于发布的相关标准对发射机输出功率进行了规范和限制，所以要想延长传输距离和增加传输可靠性，只能通过提高灵敏度来实现，而灵敏度又受数据速率非常重要的影响。对所有的调制方式来说，越低的速率，接收机的带宽越窄，接收灵敏度就越高。在现今高性价比无线收发机中应用最广泛的调制方式是FSK调制或者GFSK调制。要进一步减小FSK系统的接收机带宽，唯一可行的办法就是提高参考晶体的精确度。在数据速率相同的条件下，可以获得比传统FSK调制方式高8～10dB的灵敏度，通过将LoRa调制方式和传统GFSK调制方式进行结合，在使用同样低成本的晶体时，这种新的扩频方式在灵敏度上将改善30dB，理论上相当于延长了5倍的传输距离。

2）网络架构和协议

选择星形网还是网状网是影响整个无线网络系统性能优劣的一个关键因素。星形网是具有最低延迟的最简单的网络结构。远距离、共信道同步传输、共信道抑制的改善和高选择性，这些扩频方式的优点为传感网络提供了一种可供选择的高性能的系统解决方案，而这是传统FSK调制方式无法达到的。

在相同速率下扩频调制方式所具备的优势可以轻易地用于改善现有网状网的性能，而星形网也会达到最优的系统性能。利用星形网在郊区环境可以达到8～16km传输距离的情况下，我们不再需要很庞大的网状网结构来覆盖这么宽的范围。

一个多通道、多调制解调方式的集中器可以适应不同节点的不同速率和不同的功率，这样就可以获得最大的网络容量和最长的电池寿命。使用不同的扩频因子就可以改变扩频系统的传输速率。可变的扩频因子提高了整个网络的系统容量，因为采用不同扩频因子的信号可以在一个信道中共存。借助网络仿真工具，我们可以很容易观察到，与传统采用固定速率的FSK系统相比，采用上述技术的星形网能容易地获得很多优势，诸如95%的节点只占用10%的总能耗，同时整个系统的容量也将提高5～6倍。

总的来说，与其他无线通信系统相比，LoRa的技术优势有以下几点。

（1）采用扩频调制技术，可对低于20dB的噪声进行解调，这使网络连接具有高灵敏度和高可靠性，在提高网络效率的同时消除了其他干扰。

（2）LoRaWAN协议采用星形拓扑的网络结构，消除了网状网络中的同步开销和跳数，因此在确保功耗降低的同时，可以允许多个并发应用程序在网络上运行。

（3）LoRa技术可实现的通信距离大于其他无线协议，所以LoRa系统无须中继器就可以工作，从而降低了整体运营成本。

（4）针对嵌入式应用而言，LoRa技术比3G和4G蜂窝网络具有更强的可扩展性和更高的性价比。

2.LoRaWAN

LoRaWAN是由Semtech开发的一种远距离、低功耗的无线射频技术。2015年3月由Semtech发起成立国际LoRa联盟（LoRa Alliance），该联盟是一个开放的非营利性组织，由业内领先厂商发起，其目的在于发展LoRa技术和LoRaWAN协议，提供全球开放的安全接入标准和电信级物联网低功耗广覆盖链接。LoRa联盟成员来自欧洲、北美、亚洲、非洲等地域，包括跨国的通信公司、设备制造商、系统集成商、传感器厂商、创业公司和半导体公司等，思科（Cisco）、IBM、Semtech、微芯（Microchip）、中兴、法国Orange、荷兰KPN等都是LoRa联盟成员，LoRa联盟已经成为技术领域中最大、发展最快的联盟之一。

中国LoRa应用联盟（China Lora Application Alliance，CLAA）是在LoRa联盟的支持下，由中兴通讯发起，各行业物联网应用创新主体广泛参与、合作共建的技术联盟，是一个跨行业、跨部门的全国性组织。该联盟由各行业物联网合作伙伴组成，其目的在于共同建立中国LoRa应用合作生态圈，推动LoRa产业链在中国的应用和发展，建设多业务共享、低成本、广覆盖、可运营的LoRa物联网。中兴通讯作为LoRa联盟董事会成员，与LoRa联盟成员共同推动LoRa技术在全球低功耗广域网络建设和产业链的发展［55］。

LoRaWAN针对的是物联网中的移动通信、安全双向通信和静态位置识别等核心服务需求。此技术不需要在本地进行复杂的配置即可实现智能设备间的无缝对接互操作，为物联网领域的开发者、用户和企业提供自由操作的权限。因此，LoRaWAN在协议和网络架构的设计上，充分考虑了节点功耗、网络容量、QoS、安全性和网络应用多样性等几个因素。

1）网络架构

按照LoRa联盟官方白皮书What is LoRaWAN的介绍，LoRaWAN是为LoRa远距离通信网络专门设计的一套通信协议和系统架构，如图2-17所示。

可以看到，一个LoRaWAN网络架构中包含了终端、基站、网络服务器（Network Server，NS）和应用服务器4个部分。终端和基站之间采用的是星形网络拓扑结构，由于LoRa具有远距离通信的特性，因此在终端和基站之间可以进行单跳传输。LoRa联盟官方在终端部分给出了6个典型应用示例，从中可以看出，终端节点可以同时向多个基站发送数据信息，基站在终端节点和网络服务器中间进行LoRaWAN数据的转发处理，并将其分别承载在LoRa射频传输和TCP/IP上。图2-18所示为结合行业生态形成的网络架构。

2）物理层

（1）物理层参数。

LoRa联盟官方在协议之外，还发布了《LoRaWAN地区参数》，该文档作为LoRaWAN协议的一个配套补充说明，描述了全球范围内不同地区LoRaWAN物理层的具体参数，如表2-5所示。

（2）调制方式。

LoRa基于线性调频扩频技术（Chirp Spread Spectrum，CSS）和前向纠错技术，使用较宽的信号带宽传输无线信号，并且有良好的对抗多径衰落和多普勒效应能力。

LoRa无线通信需要对载波频率、扩频因子、信号带宽和编码率4个参数进行配置，这些参数共同决定了LoRa收发器的能量消耗、信号传输范围、传输速率及抗噪声能力。Semtech的LoRa无线收发产品的载波频率f为较低（137～1020MHz）的ISM频段。扩频因子（Spreading Factor，SF）的取值范围是6～12，编码率CR=4/（4+n），其中n的取值范围是1～4。LoRa线性调频可使用10种不同的带宽（7.8kHz、10.4kHz、15.6kHz、20.8kHz、31.2kHz、41.7kHz、62.5kHz、125kHz、250kHz、500kHz），并且可根据使用地区、数据速率、接收灵敏度、信噪比、通信距离及信道条件的不同要求，使用不同的载波频率、扩频因子、信号带宽及编码率。具体如表2-6所示。

经过信源编码的携带有效信息的数据速率称为有效数据比特率Rb，有效数据经过信道编码和信号交织之后的数据速率称为符号速率Rs，符号经过最终扩频与调制得到的数据速率为码片速率Rc。

根据Semtech公司和LoRa联盟的公开资料，LoRa调制方案的有效数据比特率Rb、符号速率Rs和码片速率Rc的计算方式及它们与信号带宽BW、扩频因子SF、编码率CR之间的关系可以表达为

由以上公式可知，数据比特率Rb与编码率CR、信号带宽BW正相关，与扩频因子SF负相关［56］。

3）LoRaWAN协议

LoRaWAN协议定义了使用LoRa的MAC层规范，处在协议应用层与物理层中间的实现规范。LoRa没有开放的规范化物理层协议，而LoRa物理模块的接口上很多参数都可以进行配置，LoRaWAN同时对一些数据发送格式做了相应的限制。LoRaWAN协议架构如图2-19所示。

（1）物理层消息结构。

上行带有CRC，而下行没有，如图2-20所示。

（2）层间组包格式。

如图2-21所示，DevAddr为设备地址（包含网络地址信息），FPort复用port域，如果为0表示有效负载为MAC命令，此时FOptsLen为0；FOptsLen为options长度，FCnt为帧计数；MIC加密完整性检查包含MHDR、FHDR FPort和FRMPayload；MType为消息类型，指示上、下行消息及是否是需要confirm的消息，如果是confirmed消息则需要回复确认字符（ACKnowledgement，ACK）；Major是LoRaWAN的版本号；ADR和ADRAckReq提供服务端用于自适应数据速率控制；ACK确认最新的帧信息；FOpts用于在发送数据时同时携带MAC Command；CID为MAC命令ID，Args为命令参数；FRMPayload为使用key长128比特 AES加密的有效数据。MAC header的最小长度为13字节，最大为28字节；上行没有目标地址，而下行没有源地址。图2-21不是协议上原始的消息结构，协议结构如图2-22所示，对于每个元素的细节展开参考规范LoRaWAN-v1.1.pdf。RFU填充为0，需要省略的单元MType也即Message Type依赖相应版本Major下的消息类型。如果FRMPayload不为空，则FPort必须存在；如果FRMPayload只有MAC Command，则此域为0。1～223用于上层应用端口，224用于MAC协议测试，225～255留给后续协议扩展。

（3）三种终端类型。

LoRaWAN网络根据实际应用的不同，把终端设备划分为A、B、C三类，如表2-7所示。

Class A终端收发方式如图2-23所示：在上行发送后，Receive_Dealy误差±20μs时刻进行下行接收，如果网络在RX1和RX2都发送给同一终端数据，则需要发送同帧数据。终端如果在RX1成功接收到检查成功的数据，则不可再在RX2继续接收数据。RX1的频率和速率与上行发送的频率和速率满足一定的函数关系（在相关流程中说明），在默认情况下第一个窗口的数据传输速率等同于上行发送，第二个窗口则采用固定可配置的频率和速率，可以通过MACCommand进行配置。窗口长度至少足够检测下行的preamble，如果检测到下行的preamble，则需要接收到相应frame解调结束。网络需要在RX1或RX2窗口边界才能发起数据。终端在前一次上行发送成功后如果没有正确解码到下行数据，并且RX2窗口仍未超时的情况下，不可再次触发上行发送。

Class B终端，在支持Class A终端的接收方式之外，还需要周期性监测网络下行的Ping时隙（Ping slot），而为了实现周期性的同步，引入Beacon来携带时间信息，终端可以利用Beacon进行时、频估计（Beacon周期性发送，Ping slot周期一般为128s，可配置），并做出相应调整。Ping slot和Beacon的时序关系如下，Beacon由网关周期性发送。Beacon携带4字节时间信息，单位为秒（1980年1月6日星期日的0点开始计时），同时携带的还有GwSpecific及CRC等。Class A、Class B转换通过Class B比特位来进行，如图2-24所示。

当Class B设置为1时，告诉网络服务器，设备切换到Class B模式。而在Class A模式下，为保证能够尽快接收到下行数据，引入Frame Pending bit Fpending inFCtrl只用在下行，表示下行仍有数据发送，需要终端尽快发送上行以打开下行接收窗口。Beacon丢失后可以维持2h，此时终端根据自身条件维护时间，在此种情况下，需要扩展Ping和Beacon的接收窗口来补偿频率及时间补偿漂移。对于移动中的终端，GwSpecific可以携带GPS（全球定位系统）坐标信息，由于Class B需要网关发送Ping消息，因此网络需要知道距离终端最近的网关位置。有两种方式来保证设备不丢失：周期性上行发送或者小区变化时的上行发送，前者不需要检测Gateway Specific，而后者需要通过此ID来判断小区变化。Beacon和Ping slot也可使用跳频发送。

Beacon的周期性发送方式及时序关系如图2-25所示，DeviceTimeReq可以用于请求网络时间，加快Beacon的发现过程。Beacon的时间参数见表2-8。

Class C终端的收发方式如图2-26所示，支持Class C的终端需要支持Class A，不需要支持Class B。Class C终端在发送时刻以外尽可能长时间处在下行接收状态。Class A和Class C的模式转换通过MAC命令来进行（Device ModeInd和Device ModeCnf）。

其实，Class C和Class A基本是相同的，只是在Class A休眠期间，Class C打开了接收窗口RX2。

（4）终端节点入网。

在LoRaWAN网络中，一个终端节点将数据同时发送给多个不同的网关，每个网关将接收到的数据包通过一些蜂窝、以太网、卫星或Wi-Fi等方式转发到基于云计算的网络服务器。LoRaWAN网络将智能化和复杂性的业务处理放到了服务器上，通过服务器对网络进行管理，并对接收到的数据进行冗余过滤，执行安全检查，通过最优的网关进行调度确认，并执行自适应数据速率等。当网络中的一个终端节点正处于移动状态时，它不再需要进行网关间的切换，因此可以广泛应用于资产追踪等物联网的垂直应用。

为了实现远距离星形网络结构，LoRaWAN网络中的网关必须具有非常高的容量承载能力，以保证从海量的终端节点接收数据信息。因此，LoRaWAN通过自适应的数据速率和网关中的多通道多调制收发器实现超高的网络容量，以实现在多信道上可以同时接收数据信息。影响网络容量的关键因素包括并发通道数、数据速率（空中时间）、负载长度等。由于LoRa是基于扩频调制的技术，因此当扩频因子发生变化时，有效的数据速率也会随之发生变化。而LoRa网关正是利用了这个特性，可以在相同的时间和信道上接收多个不同速率的数据。由于LoRa设备的上、下行链路具有对称性，使其下行链路也具有非常高的容量承载能力，因此使LoRaWAN网络具有更好的可扩展性。而且自适应的数据速率也为终端节点的电池寿命进行了一定的优化。

LoRaWAN约定的终端节点入网方式有两种，分别为空中激活方式（Over-The-Air Activation，OTAA）和独立激活方式（Activation By Personalization，ABP）。一般商用的LoRaWAN网络均采用OTAA激活方式，这样安全性才得以保证。OTAA激活方式需要准备的参数有DevEUI、AppEUI、AppKey三个。

DevEUI是指类似于IEEE EUI64的全球唯一ID，用于对终端设备进行唯一标识，相当于设备的MAC地址。终端设备服务不同的应用，有不同的要求。为优化各种终端应用规范，LoRaWAN使用了不同的设备类别。设备类别权衡了网络下行通信延迟与电池寿命。在控制或执行器类型应用中，下行链路通信延迟是一个重要因素。

AppEUI也是一个类似IEEE EUI64的全球唯一ID，与DevEUI不同，它对应用提供者进行唯一标识。例如，不同厂家的井盖监测应用、烟雾报警器应用等，都应具有自己的唯一ID。

AppKey是由应用程序拥有者分配给终端节点的，被服务器和终端节点共享使用。当终端节点发起加网join流程后，向网络服务器发出加网命令，网络服务器确认无误后，会对终端节点做加网回复，并分配网络地址DevAddr（32位ID），双方利用加网回复中的相关信息及AppKey，产生会话密钥NwkSKey和AppSKey，用来对数据进行加密和校验。

如果采用ABP激活方式则比较简单直接，不需要发起join流程，只需要直接配置LoRaWAN最终通信的三个参数，即DevAddr、NwkSKey、AppSKey，就可以实现应用数据被终端节点直接发送［57］。

2.3.2.5　4种技术对比

以上4种物联网技术的差异对比如表2-9所示，其中MCL（Maximum Coupling Loss）为下行最大链路损耗。

上述4种热门的LPWAN技术各自有不同特点，这4种技术的特点也对应了不同应用领域的特殊需求。例如，NB-IoT工作在授权频段且基于LTE技术，其网络对数据传输次数没有限制，所传输的数据容量也大，因此更适用于对网络传输稳定性和实时性比较重视的智慧工业领域，或者需要传输声音、图像等大数据量的物联网装置。相应地，NB-IoT和eMTC的功耗也高于LoRa与Sigfox两项技术，电池的损耗较大。由于NB-IoT和eMTC在电信行业的协作关系，因此更容易被推广，但是由于其硬件成本和月租成本较高，也会产生一定的限制。而LoRa和Sigfox的硬件成本低、功耗更小，所以更适合在小数据量、大范围的传输领域进行推广应用。

以占地10km2的工厂为例，在厂区内搭建一个封闭型的LoRaWAN，建设成本与难度都不高。但企业要想收集多个厂区的数据，就需要通过更大范围的NB-IoT网络或者现有的4G LTE网络传送到开放的云端或私有云，将整合多个厂区的数据进行汇总分析。正如LoRa创始人之一Olivier Hersent所言：LoRa和NB-IoT并不存在竞争关系，而是将会发展成为如同Wi-Fi和LTE的合作关系，彼此共存。互相合作的共存关系更可能带领未来技术走向新的发展。