吳韶波+王明浩

摘 要：文中針對(duì)消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域使用的通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，重點(diǎn)介紹了藍(lán)牙Mesh標(biāo)準(zhǔn)和低速?gòu)V域網(wǎng)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT，并對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)在消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)；藍(lán)牙Mesh；NB-IoT；WiFi；ZigBee

中圖分類號(hào)：TP393；TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）12-00-03

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅猛，萬(wàn)物互聯(lián)的各種應(yīng)用正逐漸滲透進(jìn)生產(chǎn)制造、交通物流、健康醫(yī)療、消費(fèi)電子、零售、汽車等領(lǐng)域。從使用者的角度來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)可分為家居物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)和消費(fèi)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)。據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司IDC預(yù)測(cè)，2020年全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)量將接近300億，市場(chǎng)將增長(zhǎng)至1.7萬(wàn)億美元，其中消費(fèi)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)將占約80%的市場(chǎng)份額。實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)，關(guān)鍵在于連接與通信，組網(wǎng)技術(shù)的選擇對(duì)于任何開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)都是一項(xiàng)重大決策，同時(shí)也是解決方案成功與否的重要因素。物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線通信協(xié)議有很多，但缺少統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)連接協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致不同廠家的產(chǎn)品無(wú)法互聯(lián)互通，數(shù)據(jù)共享困難，嚴(yán)重制約了消費(fèi)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展速度。本文針對(duì)消費(fèi)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)中的通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，重點(diǎn)介紹了藍(lán)牙Mesh標(biāo)準(zhǔn)和低速?gòu)V域網(wǎng)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT等新技術(shù)，并對(duì)其在消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)行了闡述。

1 物聯(lián)網(wǎng)中的通信協(xié)議分類

物聯(lián)網(wǎng)中通信傳輸必不可少，本文中的通信協(xié)議特指物理層和數(shù)據(jù)鏈路層等兩個(gè)或多個(gè)通信實(shí)體為完成通信或服務(wù)所事先約定并遵循的規(guī)則和約定。物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線通信技術(shù)主要分為兩類，即近距離通信與遠(yuǎn)距離通信。在智能家居、工業(yè)數(shù)據(jù)采集等局域網(wǎng)通信場(chǎng)景一般采用近距離通信，包括ZigBee、UWB、藍(lán)牙、IrDA、NFC等技術(shù)；但對(duì)于范圍廣、距離遠(yuǎn)的連接則需采用遠(yuǎn)距離通信技術(shù)。低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide-Area Network，LPWAN）為滿足物聯(lián)網(wǎng)這一需求應(yīng)運(yùn)而生。LPWAN又可分為使用未授權(quán)頻譜的技術(shù)（如LoRa、SigFox等）和使用授權(quán)頻譜、3GPP支持的2G/3G/4G/5G蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)（如NB-IoT、eMTC等）等。通信協(xié)議分類如圖1所示。

其中，高速率業(yè)務(wù)主要使用3G、4G、5G技術(shù)；中等速率業(yè)務(wù)使用GPRS/eMTC技術(shù)；低速率業(yè)務(wù)使用NB-IoT、LoRa。

相對(duì)于其他協(xié)議，NB-IoT和藍(lán)牙Mesh協(xié)議是目前研究的熱點(diǎn)，在未來(lái)發(fā)展中具有較大的應(yīng)用市場(chǎng)。

2 藍(lán)牙Mesh標(biāo)準(zhǔn)

2.1 藍(lán)牙的發(fā)展歷史

作為一種近距離無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，藍(lán)牙使用2.4～2.485GHz頻段，是全球范圍內(nèi)無(wú)需取得執(zhí)照（但并非無(wú)管制）的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療用（ISM）2.4 GHz短距離無(wú)線電頻段，可在個(gè)域網(wǎng)中的固定設(shè)備、便攜設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備之間進(jìn)行短距離數(shù)據(jù)交換，受到市場(chǎng)青睞。IEEE將藍(lán)牙技術(shù)列為IEEE 802.15.1。1994年，愛(ài)立信公司創(chuàng)制了藍(lán)牙技術(shù)作為RS 232數(shù)據(jù)線的替代方案。之后由藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth Special Interest Group， SIG）管理，目前發(fā)展到了藍(lán)牙5.0。表1詳細(xì)介紹了藍(lán)牙技術(shù)主要版本的特性。2017年7月，SIG正式宣布藍(lán)牙技術(shù)全面支持Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)，可提供多對(duì)多設(shè)備傳輸，并將提升構(gòu)建大范圍網(wǎng)絡(luò)覆蓋的通信效能，能夠讓多個(gè)、甚至成千上萬(wàn)個(gè)設(shè)備在穩(wěn)定、安全的環(huán)境中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，適用于智能建筑、無(wú)線傳感網(wǎng)等物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

2.2 藍(lán)牙Mesh組網(wǎng)優(yōu)勢(shì)

藍(lán)牙Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)可供多對(duì)多設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)也對(duì)大范圍網(wǎng)絡(luò)覆蓋的通信效能有所提升。與藍(lán)牙的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）傳輸不同，Mesh網(wǎng)絡(luò)將每個(gè)設(shè)備都當(dāng)做網(wǎng)絡(luò)中的單一節(jié)點(diǎn)，即網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都可以互聯(lián)互通，擴(kuò)充了傳輸范圍和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。

藍(lán)牙Mesh在工業(yè)物聯(lián)領(lǐng)域具有強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。藍(lán)牙SIG預(yù)計(jì)，商用樓宇以及工廠自動(dòng)化將成為無(wú)線通信組網(wǎng)技術(shù)的重要市場(chǎng)，而藍(lán)牙Mesh技術(shù)可以提供真正工業(yè)級(jí)的解決方案。

藍(lán)牙Mesh技術(shù)在保證多個(gè)設(shè)備互通方面具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）穩(wěn)健性。藍(lán)牙Mesh具有自我修復(fù)功能，能夠避免單點(diǎn)故障，保障整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)機(jī)質(zhì)量。

（2）擴(kuò)充性。能夠支持多個(gè)、甚至成千上萬(wàn)個(gè)設(shè)備，可以支撐工業(yè)級(jí)效能。

（3）安全性。能夠防御所有已知的攻擊，采用對(duì)稱加密和非對(duì)稱加密兩種機(jī)制，并使用帶外驗(yàn)證，以保障安全。

（4）前向兼容。Mesh網(wǎng)絡(luò)與藍(lán)牙4.0及以上版本前向兼容，現(xiàn)有低功耗藍(lán)牙產(chǎn)品都可能通過(guò)固件升級(jí)（以O(shè)TA為主）成為具有藍(lán)牙Mesh功能的設(shè)備。

（5）全球互操作性。藍(lán)牙Mesh技術(shù)擁有保證各種品牌的產(chǎn)品順利互相搭配運(yùn)作的能力。

（6）全端解決方案（Full-Stack Solution）：從低層無(wú)線射頻到高層應(yīng)用層都具有完整定義的方法，可確保網(wǎng)絡(luò)所有層面具備完整規(guī)格。

2.3 藍(lán)牙Mesh的應(yīng)用

隨著藍(lán)牙Mesh標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，越來(lái)越多的無(wú)線大廠如Silicon Labs、高通、東芝、Nodic、CSR等都宣布支持藍(lán)牙Mesh，SIG也推出了有關(guān)藍(lán)牙Mesh的測(cè)試和認(rèn)證規(guī)范，一旦已有企業(yè)通過(guò)認(rèn)證，藍(lán)牙Mesh將很快結(jié)網(wǎng)落地，而大力推動(dòng)智能樓宇、傳感器網(wǎng)絡(luò)、資產(chǎn)跟蹤等則有助于市場(chǎng)取得更加快速的增長(zhǎng)。

（1）樓宇自動(dòng)化：從照明、溫控到安保措施，可充分利用藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)打造更加智能的家庭與辦公環(huán)境。

（2）傳感器網(wǎng)絡(luò)：對(duì)有翻新或擴(kuò)充傳感器網(wǎng)絡(luò)需求的工業(yè)環(huán)境，藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)可以在提高效率的同時(shí)降低成本。

（3）資產(chǎn)追蹤：利用藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)可以克服在大型復(fù)雜環(huán)境中操作困難的問(wèn)題。endprint

3 NB-IoT

為滿足蓬勃發(fā)展的IoT業(yè)務(wù)需求，本文從移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特征應(yīng)用3GPP對(duì)其窄帶業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景開(kāi)展了增強(qiáng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)功能的研究。窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）作為3GPP Release 13定義的三種蜂窩物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)之一，支持物聯(lián)網(wǎng)中低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)中的蜂窩數(shù)據(jù)連接。

3.1 NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)演變歷史

2013年初，華為與相關(guān)業(yè)內(nèi)廠商、運(yùn)營(yíng)商展開(kāi)了窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的研究，命名為L(zhǎng)TE-M（LTE for Machine to Machine）。技術(shù)方案主要包括兩種思路，即基于現(xiàn)有GSM演進(jìn)思路和新空口思路（NB-M2M）。

2014年5月，由沃達(dá)豐、中國(guó)移動(dòng)、Orange、Telecom Italy、華為等公司支持的SI在3GPP GERAN工作組立項(xiàng)，著手研究非向后兼容傳統(tǒng)GSM系統(tǒng)的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)，LTE-M的名字演變?yōu)镃ellular IoT（CIoT）。

2015年5月，華為、高通和Neul聯(lián)合提出了一種全新的空口技術(shù)NB-CIoT（Narrow Band Cellular IoT，NB-CIoT），與現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)相比改動(dòng)較大。8月，愛(ài)立信、諾基亞等廠家提出了NB-LTE（Narrow Band LTE，NB-LTE）的概念，傾向于與現(xiàn)有LTE兼容。9月，RAN#69次會(huì)議經(jīng)過(guò)激烈討論最終達(dá)成一致，將NB-CIoT和NB-LTE進(jìn)行融合形成NB-IoT。

2016年6月，NB-IoT R核心協(xié)議在RAN1、RAN2、RAN3、RAN4四個(gè)工作組均已凍結(jié)。2017年6月，工信部下發(fā)通知推動(dòng)150萬(wàn)NB-IoT基站落地。NB-IoT洶涌而來(lái)。

3.2 NB-IoT的特點(diǎn)

從技術(shù)上看，NB-IoT具備低功耗、廣覆蓋、低成本、強(qiáng)連接等特點(diǎn)，其應(yīng)用遍及多種垂直行業(yè)，如智能家居、智能樓宇、物流追蹤、智能泊車、智慧農(nóng)業(yè)等。

低功耗：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或模組的電池續(xù)航時(shí)間可以從幾個(gè)月提升到幾年，甚至十年以上。

廣覆蓋：提供改進(jìn)的室內(nèi)覆蓋，其穿墻能力將比Cat.4 LTE提升20 dB增益；如果按照覆蓋面積計(jì)算，與GSM相比，覆蓋增益將提高20 dB，即覆蓋區(qū)域能力提升100倍。

低成本：NB-IoT基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，能夠直接在GSM、UMTS或LTE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行部署，從而降低部署成本，實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)；而低速率、窄帶寬、低功耗亦將降低NB-IoT芯片和模組成本，預(yù)期單個(gè)模組成本將低于5美元。

大容量：支撐海量連接。在相同基站的情況下，能夠提供現(xiàn)有無(wú)線通信技術(shù)接入數(shù)的50～100倍，一個(gè)扇區(qū)能夠支持10萬(wàn)個(gè)連接。

安全性：NB-IoT基于LTE技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，為保證用戶數(shù)據(jù)的安全性，保留了其支持雙向鑒權(quán)以及空口嚴(yán)格加密的網(wǎng)絡(luò)安全能力。

穩(wěn)定可靠：NB-IoT能夠提供電信級(jí)別的可靠性接入，可對(duì)廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供有效支撐。

NB-IoT基于FDD LTE技術(shù)改造而來(lái)，其物理層的設(shè)計(jì)大部分沿用了LTE系統(tǒng)技術(shù)，高層協(xié)議的設(shè)計(jì)亦沿用LTE協(xié)議，核心網(wǎng)基于S1接口連接，包含獨(dú)立部署和升級(jí)部署。因此NB-IoT可以理解為一種簡(jiǎn)化版的FDD LTE技術(shù)。

優(yōu)點(diǎn)：NB-IoT在覆蓋、功耗、成本、連接數(shù)等方面性能最優(yōu)，最符合LPWA類的需求。

缺點(diǎn)：NB-IoT無(wú)法滿足對(duì)移動(dòng)性及速率要求較高、數(shù)據(jù)量較大、需要語(yǔ)音業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求，可以考慮eMTC、Cat1等技術(shù)。

3.3 NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)

（1）窄帶180 kHz，終端單天線（不支持雙流），半雙工；

（2）下行與LTE相同，OFDMA，子載波間隔15 k；

（3）上行SC-FDMA，擁有single-tone和muliti-tone兩種配置；

（4）重新設(shè)計(jì)物理層信道，下行幀結(jié)構(gòu)與LTE相同，不同信道時(shí)分復(fù)用；上行3.75 kHz single-tone幀結(jié)構(gòu)有變化；

（5）覆蓋增強(qiáng)：功率譜密度提升，引入重復(fù)發(fā)送編碼方式，提升信道條件惡劣時(shí)的傳輸可靠性；

（6）低成本：窄帶、單天線、半雙工、協(xié)議棧簡(jiǎn)化；

（7）低功耗：PSM（節(jié)能模式）、eDRX（擴(kuò)展型非連續(xù)接收）、長(zhǎng)周期TAU定時(shí)器、空口傳輸優(yōu)化、減少測(cè)量；

（8）大容量：窄帶、低占空比業(yè)務(wù)模型、小數(shù)據(jù)包傳輸優(yōu)化；

（9）數(shù)據(jù)傳輸：控制面優(yōu)化方案，小包通過(guò)NAS傳輸，減少空口信令。

3.4 NB-IoT發(fā)展與挑戰(zhàn)

2016年NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)的凍結(jié)，促使越來(lái)越多的產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)投身NB-IoT陣營(yíng)，加速了規(guī)?；逃玫倪M(jìn)程，將NB-IoT技術(shù)普遍用于智能家居、智能樓宇、物流追蹤、共享單車、可穿戴設(shè)備、廣域物聯(lián)、工業(yè)物聯(lián)等領(lǐng)域中，形成了一個(gè)全球最大的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。芯片廠商們針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的各種應(yīng)用場(chǎng)景和不同需求也推出了各自的芯片或模組，如華為的NB-IoT Boudica 120芯片，紫光展銳旗下銳迪科推出的2G/NB-IoT雙模RDA8909芯片，中興微電子的NB-IoT Wisefone7100芯片，高通推出的支持eMTC/NB-IoT/GSM的多模物聯(lián)網(wǎng)MDM9206芯片，ublox、移遠(yuǎn)合作的NB-IoT商用模組，聯(lián)想懂的通信推出了中國(guó)第一款支持全網(wǎng)通的NB-IoT模組C1100等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球共有19家運(yùn)營(yíng)商已在部署NB-IoT，2017年底將達(dá)到25個(gè)NB-IoT商用網(wǎng)絡(luò)。中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)三大運(yùn)營(yíng)商都正在或已完成部署試驗(yàn)，會(huì)盡快實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)規(guī)模商用。

作為全新的技術(shù)，NB-IoT承受了眾多競(jìng)爭(zhēng)壓力，一些較為成熟且已商業(yè)化的技術(shù)，如Sigfox和LoRa都將與其爭(zhēng)奪用戶。目前，其芯片價(jià)格與支持藍(lán)牙、Thread、ZigBee等標(biāo)準(zhǔn)的芯片還存在一定差距。雖然運(yùn)營(yíng)商正在積極推動(dòng)，但真正實(shí)現(xiàn)技術(shù)的產(chǎn)品化還將經(jīng)歷一段時(shí)間。

4 結(jié) 語(yǔ)

雖然無(wú)線通信組網(wǎng)已有多種協(xié)議，但仍有藍(lán)牙Mesh、NB-IoT、eMTC等協(xié)議不斷涌現(xiàn)。由于物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)巨大，客戶需求多種多樣，因此，IoT無(wú)線連接也變得多樣化，多協(xié)議共存將持續(xù)，同時(shí)也將是未來(lái)IoT面對(duì)的挑戰(zhàn)。因此，我們一方面會(huì)繼續(xù)研發(fā)更加優(yōu)秀，能夠解決物聯(lián)網(wǎng)多種需求的新協(xié)議；另一方面，為解決多協(xié)議多標(biāo)準(zhǔn)并存的問(wèn)題，將采用軟件定義無(wú)線電（SDR）技術(shù)，通過(guò)軟件選擇采用哪種通信協(xié)議。

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