 阅读提要： 前四期连载文章从物联网的接入网技术，核心网流程以及下行物理层技术进行了解读，详情请戳 这一期我们讲点好玩的事情，花一点时间把物联网技术的发展轨迹和目前主流技术阵营的情况介绍一下。 小序 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，刷卡结算信息的回传就是靠GPRS移动蜂窝网络进行回传。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，智能电饭煲等等，这些应用主要特征是小范围，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）也成为了物联网的代名词。涉及到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汗牛充栋，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等等。为了了解一个个全新技术的基本原理，最好的办法就是我们循着这些技术的发展轨迹从新走一遭。 前生 前几期文章主要关注了蜂窝物联网技术的一个重要分支，NB-IoT（窄带物联网），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对于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。 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？ 对于物联网标准的发展，不可否认作为中国本土通信企业，中国移动，华为很早介入进来。尽管我们的文章一贯秉持中立的技术视角，并不是为哪种商业阵营或者团体进行背书，但是为了说明为什么有这么多的技术标准共存的现状，不得不提及技术发展的一些背后的故事。 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，为窄带物联网起名叫LTE-M，全称为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。另外，LTE-M从商用角度同时夜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步加快了步伐 NB-IoT之路 在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的反应出了技术的定位，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运营商、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。 2015年5月，华为与高通基于达成共识的基础上，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，融合之后的方案的名字叫做NB-CIoT（Narrow Band Celluar IoT），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也在协议标准上留下了痕迹，例如涉及到核心网协议的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带来其他厂商纷纷跟进，爱立信联合其他几家公司提出了NB-LTE（Narrow Band LTE）的方案，从名称可以直观的看出，NB-LTE最主要希望能够使用旧有的LTE实体层部分，并且有相当大的程度能够使用上层的LTE网路，使得营运商在布建时能够减少设备升级的成本，在建置上也能够沿用原有的蜂巢网路架构，达到快速布建的目的。NB-LTE与NB-CIoT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 2015年9月份，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，这也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在接入网技术中。 2016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备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.....）,对应的系统设计也会不断的更新升级。 2017年2月，中国移动在鹰潭建成全国第一张地市级全域覆盖NB-IoT网络，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，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走过了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月工信部位三大运营商发放商用牌照只走过了短短的4年，按照这个趋势看来，下一代面向物联网的通信网络不会让我们等待太久。 eMTC之路 早在2002年时，Machine to Machine(M2M)，这一物物通信，万物互联业务的雏形概念已经被提出，但碍于通讯技术尚未成熟，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。随着无线通讯技术的快速发展，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称之为机器型态通讯（Machine Type Communication， MTC），是一种新兴的通讯架构，以机器终端设备为主，具备网路通讯能力，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Machine Type Communication（MTC）技术的相关研究。作为物联网的候选通信技术，LTE很早就纳入了业界的视野当中。LTE （Long Term Evolution）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22.368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，低频次的被叫业务，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。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的将该技术进一步演进，命名为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-P2M 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。 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，这不仅从能搜索到的互联网相关信息或是从国内运营商的网络部署进度来看都能看出一些端倪。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，这可能源于资本家企业一贯对于建设投资“抠搜”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。另外，欧美主流运营商对于2G网络的退网以及频率重耕策略，也更加为从数据，语音，容量，覆盖等多维度具备完全替代现有2G网络能力的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、去年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OFDM，频谱利用率也都基本相似，不过在组网基本带宽，上下行频率选择（FDD/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互相补充，比如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中的业务应用就对eMTC有一段很有趣描述，因为eMTC具备移动性，那么恰恰网络侧可以利用检测到的物联网设备移动情况来判断那些一般处于静态的物品是否已经被盗窃，这是利用移动性作为一些辅助应用的展望。另外eMTC可以通过VoLTE技术支持语音，这也是eMTC的一个特征所在。 协议规定各类型终端能力以及技术参数 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，更少的建设投资以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，对于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的英文全程是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，也是类似NB-IoT采取在时间轴上重传的方式，提升覆盖，同时结合了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，它是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全国性的物联网覆盖。
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陆下室，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PSM（Power Saving Mode）模式，达到降低功耗，省电的作用。 SigFox之路 被称作搅局物联网阵营“鲶鱼”的SigFox其实是一家公司的名字。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。作为在通信领域的一条强有影响力的“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。所谓UNB是Ultra Narrow Band的简称，即超窄带技术。该技术采取窄带BPSK调制提供上行100bps的极低速率，上行消息每包大小12byte，下行消息每包大小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的很多，不要参数配置，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。 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200万平方公里，相当于1/5个欧洲。 目前SigFox采取的频率主要包括：欧洲、中东：868MHz(ETSI 300-220)、北美：902MHz(FCC part 15)、南美/澳大利亚/新西兰：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，这也某种程度上助力了SigFox提供广域覆盖，中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，目前却成为了倡导低功耗，远距离无线传输LoRa技术的引领者。 2015年3月LoRa联盟宣布成立，这是一个开放的、非盈利性组织，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。
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协议中控制消息承载在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，节点伪随机调频，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非常低功耗的目的，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多，难免会受到其他无线设备的干扰，但是免授权频段无需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受灵敏度，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，凭借其“绝活能力”，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，标准化制定中为了与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；早晨晨跑时候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到国家公共安全的公安，消防的即时通信服务，诸如此类等等。 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，这些技术特征会导致容量，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些列的问题。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。D2D技术主要包含两个功能，一个是D2D发现功能，它能够使得用户设备之间通过LTE射频空口在近场相互发现。另一个是D2D通信功能，它能够使得用户设备之间通过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500米的服务，当然这也取决于网络传播条件和网络的负荷情况。
D2D技术支持小区用户之间直接进行通信，通过重用网络频带资源带来很多优点，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不仅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，影响改变往往意味着与机遇共存，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。 今世 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，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4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年之前把其国际网络扩大到60个国家,并达到财务损益平衡点。
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。 从这些关于低功耗广域物联网通信技术最新的资讯来看，物联网技术下一个研究热点以及商业应用或许在于抛弃了传统GPS，更低廉成本的定位技术。 |
|
|
