一、LoRa

业界预测到2020年物联网无线节点达到500亿个，由于耗电和成本等方面的问题，无线节点中只有不到10%的使用GSM技术。尽管电信运营商具有建设和管理这样一个大规模网络的最突出的优势，但是需要一个远距离、大容量的系统以巩固在依靠电池供电的无线终端细分市场——无线传感网、智能城市、智能电网、智慧农业、智能家居、安防设备和工业控制等方面的地位。对于物联网来说，只有使用一种广泛的技术，才可能使得电池供电的无线节点数量达到预计的规模。LoRa作为低功耗广域网（LPWAN）的一种长距离通信技术，近些年受到越来越多的关注。

LoRa是LPWAN通信技术中的一种，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。这一方案改变了以往关于传输距离与功耗的折中考虑方式，为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、节点容量大的系统，进而扩展传感网络。目前，LoRa主要在全球免费频段运行，包括433MHz、868MHz、915MHz等。

LoRa技术具有远距离、窄带低功耗（电池寿命长）、多节点、低成本的特性，适合各种政府网、专网、专业网、个人网等各种应用灵活部署。

LoRa网络主要由终端（可内置LoRa模块）、网关（基站）、网络服务器以及应用服务器四部分组成，如图10所示。应用数据可双向传输。

LoRa网络体系架构

传输速率、工作频段和网络拓扑结构是影响传感网络特性的三个主要参数。传输速率的选择将影响电池寿命；工作频段的选择要折中考虑频段和系统的设计目标；而在FSK系统中，网络拓扑结构的选择将影响传输距离和系统需要的节点数目。LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，性能较好。

前向纠错编码技术是给待传输数据序列中增加了一些冗余信息，这样，数据传输进程中注入的错误码元在接收端就会被及时纠正。这一技术减少了以往创建“自修复”数据包来重发的需求，且在解决由多径衰落引发的突发性误码中表现良好。一旦数据包分组建立起来且注入前向纠错编码以保障可靠性，这些数据包将被送到数字扩频调制器中。这一调制器将分组数据包中每一比特馈入一个“扩展器”中，将每一比特时间划分为众多码片。LoRa抗噪声能力强。

LoRa调制解调器经配置后，可划分的范围为64~4096码片/比特，最高可使用4096码片/比特中的最高扩频因子。相对而言，ZigBee仅能划分的范围为10~12码片/比特。通过使用高扩频因子，LoRa技术可将小容量数据通过大范围的无线电频谱传输出去。扩频因子越高，越多数据可从噪声中提取出来。在一个运转良好的GFSK接收端，8dB的最小信噪比（SNR）若要可靠地解调出信号，采用配置AngelBlocks的方式，LoRa解调一个信号所需信噪比为一20dB，GFSK方式与这一结果差距为28dB，这相当于范围和距离扩大了很多。在户外环境下，6dB的差距就可以实现2倍于原来的传输距离。

物联网采用LoRa技术，才能够以低发射功率获得更广的传输范围和距离，而这种低功耗广域技术方向正是未来降低物联网建设成本，实现万物互联所必需的。

二、5G

5G即第五代移动通信标准。在移动通信领域，新的技术每十年就会出现一代，传输速率也不断提升。第一代是模拟技术。第二代实现了数字化语音通信，如GSM、CDMA。第三代3G技术以多媒体通信为特征，标准有WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等。第四代4G技术，标志着无线宽带时代的到来，其通信速率也得到了大大提升。5G是新一代信息通信方向，5G实现了从移动互联网向物联网的拓展。由于5G的到来，未来增强现实、虚拟现实、在线游戏和云桌面等设备上的传输速率将会得到极速提升。从性能角度来说，5G目标是接近零时延、海量的设备连接，为用户提供的体验也将会更高。

5G网络将开启新的频带资源，使用毫米波（26.5~300GHz）以提升速率。之前的毫米波仅在卫星和雷达系统上应用；5G网络基站是大量小型基站，功耗比现在大型基站低，从布局上来看，基站的天线规模大增，形成阵列，从而提升了移动网络容量，发送更多的信息；5G采用网络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN），第一次真正将智慧云和云端处理的有价值的信息传输到智能设备端。届时，手机和计算机的应用水平将借力云端获得更强大的处理能力，而不再局限于设备本身的配置。

2017年5月在杭州举办的国际移动通信标准组织3GPP专业会议上，3GPP正式确认5G核心网采用中国移动牵头并联合26家公司提出的SBA架构（Service-based architecture，基于服务的网络架构）作为统一的基础架构。这意味着5G借力云端获得了更强大的处理能力，5G网络真正走向了开放化、服务化、软件化方向，将有利于实现5G与垂直行业融合。基于服务的网络架构借鉴IT领域的“微服务”设计理念，将网络功能定义为多个相对独立可被灵活调用的服务模块。以此为基础，运营商可以按照业务需求进行灵活定制组网。

顶层设计、无线网设计、核心网设计等是5G整体系统的设计，其中顶层设计和核心网设计是系统架构的主要进行的标准项目，对5G系统架构、功能、接口关系、流程、漫游、与现有网络共存关系等进行标准化。

芯片商、通信设备商以及电信运营商为了抢占5G话语权，都开始布局5G技术。3GPP对5G定位是高性能、低延迟与高容量，主要体现在毫米波、小基站、Massive MIMO、全双工和波束成形这五大技术上。

1.毫米波

频谱资源随着无线网络设备的数量的增加，其稀缺的问题日渐突出，目前采用的措施是在狭窄的频谱上共享有限的带宽，对用户的体验不佳。提高无线传输速率方法有增加频谱利用率和增加频谱带宽两种方法。5G使用毫米波（26.5~300GHz）增加频谱带宽，提升了速率，其中28GHz频段其可用频谱带宽为1GHz，60GHz频段每个信道的可用信号带宽则为2GHz。5G开启了新的频带资源。之前，毫米波仅用在卫星和雷达系统上，毫米波最大的缺点就是穿透力差，为了让毫米波频段下的5G通信在高楼林立的环境下传输采用小基站解决这一问题。

2.小基站

毫米波具有穿透力差、在空气中的衰减大、频率高、波长短、绕射能力差等特点，由于波长短，其天线尺寸小，这是部署小基站的基础。未来5G移动通信将采用大量的小型基站来覆盖各个角落。小基站的体积小，功耗低，部署密度高。

3.MIMO技术

5G基站拥有大量采用MassiveMIMO技术的天线。4G基站有十几根天线，5G基站可以支持上百根天线，这些天线通过MassiveMIMO技术形成大规模天线阵列，基站可以同时发送和接收更多用户的信号，从而将移动网络的容量提升数十倍。MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）即多输入多输出，这种技术已经在一些4G基站上得到了应用。传统系统使用时域或频域为不同用户之间实现资源共享，Massive MIMO导入了空间域（spatial domain）的途径，开启了无线通信的新方向，在基地台采用大量的天线并进行同步处理，同时在频谱效益与能源效率方面取得几十倍的增益。

4.波束成形

基于Massive MIMO的天线阵列集成了大量天线，通过给这些天线发送不同相位的信号，这些天线发射的电磁波在空间互相干涉叠加，形成一个空间上较窄的波束，这样有限的能量都集中在特定方向上进行传输，不仅传输距离更远，而且还避免信号的相互干扰，这种将无线信号（电磁波）按特定方向传播的技术叫作波束成形（beamforming）或波束赋形。波束成形技术不仅可以提升频谱利用率，而且通过多个天线可以发送更多的信息；还可以通过信号处理算法来计算出信号的传输的最佳路径，确定移动终端的位置。

5.全双工技术

全双工技术是指设备使用相同的时间、相同的频率资源同时发射和接收信号，即通信上、下行可以在相同时间使用相同的频率，在同一信道上同时接收和发送信号，对频谱效率是很大的提升。

从1G到2G，移动通信技术实现了从模拟到数字的转变，在语音业务基础上，增加了支持低速数据业务。从2G到3G，数据传输能力得到显著提升，峰值速率最高可达数十Mb/s，完全可以支持视频电话等移动多媒体业务。4G比3G又提升了一个数量级的传输能力，峰值速率可达100Mb/s~lGb/s。5G采用全新的网络架构，提供峰值10Gb/s以上的带宽，用户体验速率可稳定在1~2Gb/s。5G还具备低延迟和超高密度连接两个优势。低延时，意味着不仅上行、下行传输速率会更快，等待数据传输开始的响应时间也会大幅缩短。超高密度连接，解决人员密集、流量需求大区域的用户需求，让用户在这种环境下也能享受到高速网络。5G支持虚拟现实等业务体验，连接数密度可达100万个/km2，有效支持海量物联网设备接入；流量密度可达10（Mb/s）/m2，支持未来千倍以上移动业务流量增长。

移动通信不但要满足日常的语音与短信业务，而且要提供强大的数据接入服务。5G技术的发展可以给客户带来高速度、高兼容性。5G支持的典型高速率、低时延业务有以下两种：

（1）虚拟现实（VR）增强现实（AR）0消费者在体验VR业务时会感到眩晕，眩晕在一定程度上是因为时延导致的，5G时延极短，所以会减轻由时延带来的眩晕感，可以解决VR业务眩晕感。

（2）无人驾驶。5G的低延时对无人驾驶非常重要。5G具有更低的时延决定了驾驶系统能在更短的时间内对突发情况做出快速反应。例如，车速达到120km/h时，前后车的动作只有15ms的时差，需要在这15ms内做出足够快的响应（传感器监测环境传输数据，控制器接收数据进行计算，执行器开始执行），5G的时延是1ms，几乎接近实时反应。

三、NB-loT

NB-IoT（Narrow BandInternet of Things）是loT领域基于蜂窝的窄带物联网的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，是一种低功耗广域网（LPWAN）。NB-IoT只需要180kHz的频段，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络中。特点是覆盖广、速率低、成本低、连接数量多、功耗低等。由于NB-IoT使用的授权License频段，因此可以采取带内、保护带或独立载波这三种部署方式。

1.NB-IoT技术特点

1）多链接

在同一基站的情况下，NB-IoT能提供50~100倍的2G/3G/4G的接入数。一个扇区能够支持10万个连接，支持延时不敏感业务、设备成本低、设备功耗低等优势。如目前运营商给家庭中每个路由器仅开放8-16个接入口，一个家庭中通常有多笔记本、手机、联网电器等，未来实现全屋智能、安装有上百种传感器的智能设备都联网就需要新的技术方案，NB-IoT多连接可以轻松解决未来智慧家庭中大量设备联网需求。

2）广覆盖

NB-IoT比LTE提升20dB增益的室内覆盖能力，相当于提升了100倍覆盖区域能力。如可以满足农村的广覆盖、地下车库、厂区、井盖等深度覆盖需求。如井盖监测，GPRS的方式需要伸出一根天线，来往车辆极易损坏，采用NB-IoT可以轻松解决这个问题。

3）低功耗

物联网得以广泛应用的一项重要指标是低功耗，尤其是一些如安置于高山荒野偏远地区等场合中的各类传感监测设备，经常更换电池或充电是不现实的，不更换电池的情况下工作几年是最基本的需求。NB-IoT聚焦小数据量、小速率的应用，因此NB-IoT设备功耗小，设备续航时间可达到几年。

4）低成本

NB-IoT利用运营商已有的网络无须重新建网，射频和天线基本上都是复用，如运营商现有频带中空出一部分2G频段，就可以直接进行LTE和NB-IoT的同时部署。

NB-IoT模组目前看仍然有点昂贵，另外物联网的很多场景无须更换NB-IoT，仅需近场通信或者通过有线方式便可完成。

NB-IoT±行采用SC-FDMA，下行采用OFDMA，支持半双工，具有单独的同步信号。其设备消耗的能量与数据量或速率有关，单位时间内发出数据包的大小决定了功耗的大小。NB-IoT可以让设备时时在线，通过减少不必要的信令达到省电目的。

2.NB-loT的网络结构

1）核心网

蜂窝物联网（CIoT）在EPS（Evolved Packet System）演进分组系统定义了两种优化方案：CIoT EPS用户面功能优化（User Plane CIoT EPS optimisation）；CIoTEPS控制面功能优化（Control Plane CIoT EPSoptimisation），旨在将物联网数据发送给应用，如图所示。

图 NB-IoT核心网结构

图中，CIoT EPS控制面功能优化方案用实线表示，CIoT EPS用户面功能优化方案用虚线表示。对于CIoT EPS控制面功能优化，上行数据从eNB（CIoT RAN）传送至MME，可以通过SGW传送到PGW再传送到应用服务器，或者通过SCEF（Service Capability Exposure Function）连接到应用服务器（CIoT Services），后者仅支持非IP数据传送。下行数据传送路径也有对应的两条。此方案数据包直接用信令去发送，不需建立数据链接，因此适合非频发的小数据包传送。SCEF是用于在控制面上传送非IP数据包，专为NB-IoT设计引入的，同时也为鉴权等网络服务提供了一个抽象的接口。对于CIoTEPS用户面功能优化，物联网数据传送方式和传统数据流量一样，在无线承载链路上发送数据，由SGW传送到PGW再到应用服务器。这种方案在建立连接时会产生额外的开销，但数据包序列传送更快，也支持IP数据和非IP数据传送。

2）接入网

如图所示，NB-IoT的接入网构架与LTE—样。

图 NB-IoT接入网构架

eNB通过S1接口连接到MME/S-GW，接口上传送的是NB-IoT数据和消息。NB-IoT没有定义切换，但在两个eNB之间依然有X2接口，X2接口使能UE在进入空闲状态后，快速启动resume流程，接入到其他eNB。

3.工作频段

全球大多数运营商部署NB-IoT使用的是900MHz频段，也有些运营商用的是在800MHz频段内。如表2所示，中国联通的NB-IoT部署在900MHz、1800MHz频段。中国移动为建设NB-IoT物联网，将会获得FDD牌照，并允许重耕现有的900MHz、1800MHz这两个频段。中国电信的NB-IoT部署在800MHz频段，频宽只有15MHz。

4.部署方式

NB-IoT占用180kHz带宽，与在LTE帧结构中一个资源块的带宽相同。如图所示，有三种部署方式。

图 NB-IoT部署方式

1）独立部署（Standalone operation）

适用于重耕GSM频段，GSM的信道带宽为200kHz，正好为NB-IoT开辟出两边还有10kHz的保护间隔180kHz带宽的空间。

2）保护带部署（Guardband operation）

利用LTE边缘保护频带中未使用的180kHz带宽的资源块。

3）带内部署（In-band operation）

利用LTE载波中间的任何资源块。

NB-IoT适合运营商部署，为物联网时代带来大数量连接、低功耗、广覆盖的网络解决方案。在2016年中国联通在7个城市（北京、上海、福州、长沙、广州、深圳、银川）启动基于900MHz、1800MHz的NB-IoT外场规模组网试验，以及6个以上业务应用示范。2018年开始全面推进国家范围内的NB-IoT商用部署。中国移动于2017年开启NB-IoT商用化进程。中国电信于2017年部署NB-IoT网络。

在物联网网络传输层的安全防护机制方面也有一系列的解决方案和措施。

首先针对非法截收以及非法访问的攻击，可以采取数据加密的方式解决。在物联网中一般采用信息变换规则将明文信息转换成密文信息的方式进行数据加密，即使攻击者非法获得数据信息，不了解信息变换规则，这些数据也会变得毫无意义，达不到攻击目的。

针对假冒用户身份的攻击可以通过鉴别的方法解决，通过某种方式使使用者证实自己确是用户自身，来避免冒充和非法访问的安全隐患。鉴别的方法有很多，常的是消息鉴别，消息鉴别主要是验证消息的来源是否真实，可以有效防止非法冒充；另外，消息鉴别也检验数据的完整性，有效地抵制消息被修改、插入、删除等攻击行为。数字签名也是一种鉴别方法，采用数据交换协议，达到解决伪造、冒充、篡改等问题的目的。

防火墙是最常见的应用型安全技术，它通过监测网络之间的信息交互和访问行为来判定网络是否受到攻击，一旦发现疑似攻击行为，防火墙就会禁止其访问行为，并向用户发送警告。防火墙通过监测进出网络的数据对网络进行了有效、安全的管理。

非法访问是一种非常常见的攻击类型，访问控制机制是一种确保各种数据不被非法访问的安全防护措施，常用的访问机制是基于角色的访问控制机制，这种访问机制一旦被使用，可访问的资源十分有限。基于属性的访问控制机制是由主体、资源、环境等属性共同协商生成的访问决策，访问者发送的访问请求需要访问决策来决定是否同意访问，是基于属性的访问机制。这种访问机制对较少的属性来说，加密解密效率极高，但密文长度随着属性的增多而加长，其加密解密的效率也降低。