消费级物联网中的通信协议与标准

吴韶波+王明浩

摘 要：文中针对消费物联网领域使用的通信标准进行分析，重点介绍了蓝牙Mesh标准和低速广域网的窄带物联网NB-IoT，并对各标准在消费物联网中的应用和发展进行了阐述。

关键词：消费物联网；蓝牙Mesh；NB-IoT；WiFi；ZigBee

中图分类号：TP393；TN925 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）12-00-03

0 引 言

物联网技术发展迅猛，万物互联的各种应用正逐渐渗透进生产制造、交通物流、健康医疗、消费电子、零售、汽车等领域。从使用者的角度来看，物联网可分为家居物联网、工业级物联网和消费级物联网。据市场调研公司IDC预测，2020年全球物联网连接数量将接近300亿，市场将增长至1.7万亿美元，其中消费级物联网将占约80%的市场份额。实现万物互联，关键在于连接与通信，组网技术的选择对于任何开发者来说都是一项重大决策，同时也是解决方案成功与否的重要因素。物联网的无线通信协议有很多，但缺少统一的物联网连接协议和标准，导致不同厂家的产品无法互联互通，数据共享困难，严重制约了消费级物联网的发展速度。本文针对消费级物联网中的通信协议和标准进行分析，重点介绍了蓝牙Mesh标准和低速广域网的窄带物联网NB-IoT等新技术，并对其在消费物联网中的应用和发展进行了阐述。

1 物联网中的通信协议分类

物联网中通信传输必不可少，本文中的通信协议特指物理层和数据链路层等两个或多个通信实体为完成通信或服务所事先约定并遵循的规则和约定。物联网的无线通信技术主要分为两类，即近距离通信与远距离通信。在智能家居、工业数据采集等局域网通信场景一般采用近距离通信，包括ZigBee、UWB、蓝牙、IrDA、NFC等技术；但对于范围广、距离远的连接则需采用远距离通信技术。低功耗广域网（Low Power Wide-Area Network，LPWAN）为满足物联网这一需求应运而生。LPWAN又可分为使用未授权频谱的技术（如LoRa、SigFox等）和使用授权频谱、3GPP支持的2G/3G/4G/5G蜂窝移动通信技术（如NB-IoT、eMTC等）等。通信协议分类如图1所示。

其中，高速率业务主要使用3G、4G、5G技术；中等速率业务使用GPRS/eMTC技术；低速率业务使用NB-IoT、LoRa。

相对于其他协议，NB-IoT和蓝牙Mesh协议是目前研究的热点，在未来发展中具有较大的应用市场。

2 蓝牙Mesh标准

2.1 蓝牙的发展历史

作为一种近距离无线技术标准，蓝牙使用2.4～2.485GHz频段，是全球范围内无需取得执照（但并非无管制）的工业、科学和医疗用（ISM）2.4 GHz短距离无线电频段，可在個域网中的固定设备、便携设备和移动设备之间进行短距离数据交换，受到市场青睐。IEEE将蓝牙技术列为IEEE 802.15.1。1994年，爱立信公司创制了蓝牙技术作为RS 232数据线的替代方案。之后由蓝牙技术联盟（Bluetooth Special Interest Group， SIG）管理，目前发展到了蓝牙5.0。表1详细介绍了蓝牙技术主要版本的特性。2017年7月，SIG正式宣布蓝牙技术全面支持Mesh网状网，可提供多对多设备传输，并将提升构建大范围网络覆盖的通信效能，能够让多个、甚至成千上万个设备在稳定、安全的环境中进行数据传输，适用于智能建筑、无线传感网等物联网解决方案。

2.2 蓝牙Mesh组网优势

蓝牙Mesh网状网可供多对多设备之间进行数据传输，同时也对大范围网络覆盖的通信效能有所提升。与蓝牙的点对点（P2P）传输不同，Mesh网络将每个设备都当做网络中的单一节点，即网络中所有节点都可以互联互通，扩充了传输范围和网络规模。

蓝牙Mesh在工业物联领域具有强大的应用潜力。蓝牙SIG预计，商用楼宇以及工厂自动化将成为无线通信组网技术的重要市场，而蓝牙Mesh技术可以提供真正工业级的解决方案。

蓝牙Mesh技术在保证多个设备互通方面具有以下优势：

（1）稳健性。蓝牙Mesh具有自我修复功能，能够避免单点故障，保障整个网络的联机质量。

（2）扩充性。能够支持多个、甚至成千上万个设备，可以支撑工业级效能。

（3）安全性。能够防御所有已知的攻击，采用对称加密和非对称加密两种机制，并使用带外验证，以保障安全。

（4）前向兼容。Mesh网络与蓝牙4.0及以上版本前向兼容，现有低功耗蓝牙产品都可能通过固件升级（以OTA为主）成为具有蓝牙Mesh功能的设备。

（5）全球互操作性。蓝牙Mesh技术拥有保证各种品牌的产品顺利互相搭配运作的能力。

（6）全端解决方案（Full-Stack Solution）：从低层无线射频到高层应用层都具有完整定义的方法，可确保网络所有层面具备完整规格。

2.3 蓝牙Mesh的应用

随着蓝牙Mesh标准的发布，越来越多的无线大厂如Silicon Labs、高通、东芝、Nodic、CSR等都宣布支持蓝牙Mesh，SIG也推出了有关蓝牙Mesh的测试和认证规范，一旦已有企业通过认证，蓝牙Mesh将很快结网落地，而大力推动智能楼宇、传感器网络、资产跟踪等则有助于市场取得更加快速的增长。

（1）楼宇自动化：从照明、温控到安保措施，可充分利用蓝牙Mesh网络打造更加智能的家庭与办公环境。

（2）传感器网络：对有翻新或扩充传感器网络需求的工业环境，蓝牙Mesh网络可以在提高效率的同时降低成本。

（3）资产追踪：利用蓝牙Mesh网络可以克服在大型复杂环境中操作困难的问题。endprint

3 NB-IoT

为满足蓬勃发展的IoT业务需求，本文从移动通信网络特点出发，根据物联网业务特征应用3GPP对其窄带业务应用场景开展了增强移动网络功能的研究。窄带蜂窝物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）作为3GPP Release 13定义的三种蜂窝物联网标准之一，支持物联网中低功耗设备在广域网中的蜂窝数据连接。

3.1 NB-IoT标准演变历史

2013年初，华为与相关业内厂商、运营商展开了窄带蜂窝物联网的研究，命名为LTE-M（LTE for Machine to Machine）。技术方案主要包括两种思路，即基于现有GSM演进思路和新空口思路（NB-M2M）。

2014年5月，由沃达丰、中国移动、Orange、Telecom Italy、华为等公司支持的SI在3GPP GERAN工作组立项，着手研究非向后兼容传统GSM系统的蜂窝物联网，LTE-M的名字演变为Cellular IoT（CIoT）。

2015年5月，华为、高通和Neul联合提出了一种全新的空口技术NB-CIoT（Narrow Band Cellular IoT，NB-CIoT），与现有LTE网络相比改动较大。8月，爱立信、诺基亚等厂家提出了NB-LTE（Narrow Band LTE，NB-LTE）的概念，倾向于与现有LTE兼容。9月，RAN#69次会议经过激烈讨论最终达成一致，将NB-CIoT和NB-LTE进行融合形成NB-IoT。

2016年6月，NB-IoT R核心协议在RAN1、RAN2、RAN3、RAN4四个工作组均已冻结。2017年6月，工信部下发通知推动150万NB-IoT基站落地。NB-IoT汹涌而来。

3.2 NB-IoT的特点

从技术上看，NB-IoT具备低功耗、广覆盖、低成本、强连接等特点，其应用遍及多种垂直行业，如智能家居、智能楼宇、物流追踪、智能泊车、智慧农业等。

低功耗：物联网设备或模组的电池续航时间可以从几个月提升到几年，甚至十年以上。

广覆盖：提供改进的室内覆盖，其穿墙能力将比Cat.4 LTE提升20 dB增益；如果按照覆盖面积计算，与GSM相比，覆盖增益将提高20 dB，即覆盖区域能力提升100倍。

低成本：NB-IoT基于蜂窝网络构建，能够直接在GSM、UMTS或LTE网络进行部署，从而降低部署成本，实现平滑升级；而低速率、窄带宽、低功耗亦将降低NB-IoT芯片和模组成本，预期单个模组成本将低于5美元。

大容量：支撑海量连接。在相同基站的情况下，能够提供现有无线通信技术接入数的50～100倍，一个扇区能够支持10万个连接。

安全性：NB-IoT基于LTE技术进行改进，为保证用户数据的安全性，保留了其支持双向鉴权以及空口严格加密的网络安全能力。

稳定可靠：NB-IoT能够提供电信级别的可靠性接入，可对广泛的物联网应用提供有效支撑。

NB-IoT基于FDD LTE技术改造而来，其物理层的设计大部分沿用了LTE系统技术，高层协议的设计亦沿用LTE协议，核心网基于S1接口连接，包含独立部署和升级部署。因此NB-IoT可以理解为一种简化版的FDD LTE技术。

优点：NB-IoT在覆盖、功耗、成本、连接数等方面性能最优，最符合LPWA类的需求。

缺点：NB-IoT无法满足对移动性及速率要求较高、数据量较大、需要语音业务的应用需求，可以考虑eMTC、Cat1等技术。

3.3 NB-IoT关键技术

（1）窄带180 kHz，终端单天线（不支持双流），半双工；

（2）下行与LTE相同，OFDMA，子載波间隔15 k；

（3）上行SC-FDMA，拥有single-tone和muliti-tone两种配置；

（4）重新设计物理层信道，下行帧结构与LTE相同，不同信道时分复用；上行3.75 kHz single-tone帧结构有变化；

（5）覆盖增强：功率谱密度提升，引入重复发送编码方式，提升信道条件恶劣时的传输可靠性；

（6）低成本：窄带、单天线、半双工、协议栈简化；

（7）低功耗：PSM（节能模式）、eDRX（扩展型非连续接收）、长周期TAU定时器、空口传输优化、减少测量；

（8）大容量：窄带、低占空比业务模型、小数据包传输优化；

（9）数据传输：控制面优化方案，小包通过NAS传输，减少空口信令。

3.4 NB-IoT发展与挑战

2016年NB-IoT标准的冻结，促使越来越多的产业链企业投身NB-IoT阵营，加速了规模化商用的进程，将NB-IoT技术普遍用于智能家居、智能楼宇、物流追踪、共享单车、可穿戴设备、广域物联、工业物联等领域中，形成了一个全球最大的蜂窝物联网生态系统。芯片厂商们针对物联网的各种应用场景和不同需求也推出了各自的芯片或模组，如华为的NB-IoT Boudica 120芯片，紫光展锐旗下锐迪科推出的2G/NB-IoT双模RDA8909芯片，中兴微电子的NB-IoT Wisefone7100芯片，高通推出的支持eMTC/NB-IoT/GSM的多模物联网MDM9206芯片，ublox、移远合作的NB-IoT商用模组，联想懂的通信推出了中国第一款支持全网通的NB-IoT模组C1100等。据统计，全球共有19家运营商已在部署NB-IoT，2017年底将达到25个NB-IoT商用网络。中国联通、中国电信、中国移动三大运营商都正在或已完成部署试验，会尽快实现全网规模商用。

作为全新的技术，NB-IoT承受了众多竞争压力，一些较为成熟且已商业化的技术，如Sigfox和LoRa都将与其争夺用户。目前，其芯片价格与支持蓝牙、Thread、ZigBee等标准的芯片还存在一定差距。虽然运营商正在积极推动，但真正实现技术的产品化还将经历一段时间。

4 结 语

虽然无线通信组网已有多种协议，但仍有蓝牙Mesh、NB-IoT、eMTC等协议不断涌现。由于物联网市场巨大，客户需求多种多样，因此，IoT无线连接也变得多样化，多协议共存将持续，同时也将是未来IoT面对的挑战。因此，我们一方面会继续研发更加优秀，能够解决物联网多种需求的新协议；另一方面，为解决多协议多标准并存的问题，将采用软件定义无线电（SDR）技术，通过软件选择采用哪种通信协议。

参考文献

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