消費級物聯(lián)網(wǎng)中的通信協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)

吳韶波+王明浩

摘 要：文中針對消費物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域使用的通信標(biāo)準(zhǔn)進行分析，重點介紹了藍牙Mesh標(biāo)準(zhǔn)和低速廣域網(wǎng)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT，并對各標(biāo)準(zhǔn)在消費物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用和發(fā)展進行了闡述。

關(guān)鍵詞：消費物聯(lián)網(wǎng)；藍牙Mesh；NB-IoT；WiFi；ZigBee

中圖分類號：TP393；TN925 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）12-00-03

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅猛，萬物互聯(lián)的各種應(yīng)用正逐漸滲透進生產(chǎn)制造、交通物流、健康醫(yī)療、消費電子、零售、汽車等領(lǐng)域。從使用者的角度來看，物聯(lián)網(wǎng)可分為家居物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)和消費級物聯(lián)網(wǎng)。據(jù)市場調(diào)研公司IDC預(yù)測，2020年全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)量將接近300億，市場將增長至1.7萬億美元，其中消費級物聯(lián)網(wǎng)將占約80%的市場份額。實現(xiàn)萬物互聯(lián)，關(guān)鍵在于連接與通信，組網(wǎng)技術(shù)的選擇對于任何開發(fā)者來說都是一項重大決策，同時也是解決方案成功與否的重要因素。物聯(lián)網(wǎng)的無線通信協(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)品無法互聯(lián)互通，數(shù)據(jù)共享困難，嚴重制約了消費級物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展速度。本文針對消費級物聯(lián)網(wǎng)中的通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)進行分析，重點介紹了藍牙Mesh標(biāo)準(zhǔn)和低速廣域網(wǎng)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT等新技術(shù)，并對其在消費物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用和發(fā)展進行了闡述。

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)鏈路層等兩個或多個通信實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)的無線通信技術(shù)主要分為兩類，即近距離通信與遠距離通信。在智能家居、工業(yè)數(shù)據(jù)采集等局域網(wǎng)通信場景一般采用近距離通信，包括ZigBee、UWB、藍牙、IrDA、NFC等技術(shù)；但對于范圍廣、距離遠的連接則需采用遠距離通信技術(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。

相對于其他協(xié)議，NB-IoT和藍牙Mesh協(xié)議是目前研究的熱點，在未來發(fā)展中具有較大的應(yīng)用市場。

2 藍牙Mesh標(biāo)準(zhǔn)

2.1 藍牙的發(fā)展歷史

作為一種近距離無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，藍牙使用2.4～2.485GHz頻段，是全球范圍內(nèi)無需取得執(zhí)照（但并非無管制）的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療用（ISM）2.4 GHz短距離無線電頻段，可在個域網(wǎng)中的固定設(shè)備、便攜設(shè)備和移動設(shè)備之間進行短距離數(shù)據(jù)交換，受到市場青睞。IEEE將藍牙技術(shù)列為IEEE 802.15.1。1994年，愛立信公司創(chuàng)制了藍牙技術(shù)作為RS 232數(shù)據(jù)線的替代方案。之后由藍牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth Special Interest Group， SIG）管理，目前發(fā)展到了藍牙5.0。表1詳細介紹了藍牙技術(shù)主要版本的特性。2017年7月，SIG正式宣布藍牙技術(shù)全面支持Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)，可提供多對多設(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、甚至成千上萬個設(shè)備在穩(wěn)定、安全的環(huán)境中進行數(shù)據(jù)傳輸，適用于智能建筑、無線傳感網(wǎng)等物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

2.2 藍牙Mesh組網(wǎng)優(yōu)勢

藍牙Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)可供多對多設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸，同時也對大范圍網(wǎng)絡(luò)覆蓋的通信效能有所提升。與藍牙的點對點（P2P）傳輸不同，Mesh網(wǎng)絡(luò)將每個設(shè)備都當(dāng)做網(wǎng)絡(luò)中的單一節(jié)點，即網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點都可以互聯(lián)互通，擴充了傳輸范圍和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。

藍牙Mesh在工業(yè)物聯(lián)領(lǐng)域具有強大的應(yīng)用潛力。藍牙SIG預(yù)計，商用樓宇以及工廠自動化將成為無線通信組網(wǎng)技術(shù)的重要市場，而藍牙Mesh技術(shù)可以提供真正工業(yè)級的解決方案。

藍牙Mesh技術(shù)在保證多個設(shè)備互通方面具有以下優(yōu)勢：

（1）穩(wěn)健性。藍牙Mesh具有自我修復(fù)功能，能夠避免單點故障，保障整個網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)機質(zhì)量。

（2）擴充性。能夠支持多個、甚至成千上萬個設(shè)備，可以支撐工業(yè)級效能。

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

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

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

（6）全端解決方案（Full-Stack Solution）：從低層無線射頻到高層應(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 藍牙Mesh的應(yīng)用

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

（1）樓宇自動化：從照明、溫控到安保措施，可充分利用藍牙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)：對有翻新或擴充傳感器網(wǎng)絡(luò)需求的工業(yè)環(huán)境，藍牙Mesh網(wǎng)絡(luò)可以在提高效率的同時降低成本。

（3）資產(chǎn)追蹤：利用藍牙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，本文從移動通信網(wǎng)絡(luò)特點出發(fā)，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特征應(yīng)用3GPP對其窄帶業(yè)務(wù)應(yīng)用場景開展了增強移動網(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、運營商展開了窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的研究，命名為LTE-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演進思路和新空口思路（NB-M2M）。

2014年5月，由沃達豐、中國移動、Orange、Telecom Italy、華為等公司支持的SI在3GPP GERAN工作組立項，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)相比改動較大。8月，愛立信、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次會議經(jīng)過激烈討論最終達成一致，將NB-CIoT和NB-LTE進行融合形成NB-IoT。

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

3.2 NB-IoT的特點

從技術(shù)上看，NB-IoT具備低功耗、廣覆蓋、低成本、強連接等特點，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)航時間可以從幾個月提升到幾年，甚至十年以上。

廣覆蓋：提供改進的室內(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)進行部署，從而降低部署成本，實現(xiàn)平滑升級；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)有無線通信技術(shù)接入數(shù)的50～100倍，一個扇區(qū)能夠支持10萬個連接。

安全性：NB-IoT基于LTE技術(shù)進行改進，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能夠提供電信級別的可靠性接入，可對廣泛的物聯(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，其物理層的設(shè)計大部分沿用了LTE系統(tǒng)技術(shù)，高層協(xié)議的設(shè)計亦沿用LTE協(xié)議，核心網(wǎng)基于S1接口連接，包含獨立部署和升級部署。因此NB-IoT可以理解為一種簡化版的FDD LTE技術(shù)。

優(yōu)點：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：NB-IoT無法滿足對移動性及速率要求較高、數(shù)據(jù)量較大、需要語音業(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)計物理層信道，下行幀結(jié)構(gòu)與LTE相同，不同信道時分復(fù)用；上行3.75 kHz single-tone幀結(jié)構(gòu)有變化；

（5）覆蓋增強：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的傳輸可靠性；

（6）低成本：窄帶、單天線、半雙工、協(xié)議棧簡化；

（7）低功耗：PSM（節(jié)能模式）、eDRX（擴展型非連續(xù)接收）、長周期TAU定時器、空口傳輸優(yōu)化、減少測量；

（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)，促使越來越多的產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)投身NB-IoT陣營，加速了規(guī)模化商用的進程，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)。芯片廠商們針對物聯(lián)網(wǎng)的各種應(yīng)用場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、移遠合作的NB-IoT商用模組，聯(lián)想懂的通信推出了中國第一款支持全網(wǎng)通的NB-IoT模組C1100等。據(jù)統(tǒng)計，全球共有19家運營商已在部署NB-IoT，2017年底將達到25個NB-IoT商用網(wǎng)絡(luò)。中國聯(lián)通、中國電信、中國移動三大運營商都正在或已完成部署試驗，會盡快實現(xiàn)全網(wǎng)規(guī)模商用。

作為全新的技術(shù)，NB-IoT承受了眾多競爭壓力，一些較為成熟且已商業(yè)化的技術(shù)，如Sigfox和LoRa都將與其爭奪用戶。目前，其芯片價格與支持藍牙、Thread、ZigBee等標(biāo)準(zhǔn)的芯片還存在一定差距。雖然運營商正在積極推動，但真正實現(xiàn)技術(shù)的產(chǎn)品化還將經(jīng)歷一段時間。

4 結(jié) 語

雖然無線通信組網(wǎng)已有多種協(xié)議，但仍有藍牙Mesh、NB-IoT、eMTC等協(xié)議不斷涌現(xiàn)。由于物聯(lián)網(wǎng)市場巨大，客戶需求多種多樣，因此，IoT無線連接也變得多樣化，多協(xié)議共存將持續(xù)，同時也將是未來IoT面對的挑戰(zhàn)。因此，我們一方面會繼續(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)并存的問題，將采用軟件定義無線電（SDR）技術(shù)，通過軟件選擇采用哪種通信協(xié)議。

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