作者：江林华
出版社：电子工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
5G物联网及NB-IoT技术详解试读：
前言
当前移动通信技术的发展日新月异，4G-LTE演进部署正当其时，5G及NB-IoT物联网技术又要登场，尽管目前很多私有的采用非授权频谱的物联网技术已经发展应用了很多年，但都不温不火，没有爆发大规模商用。但是随着 3GPP主导的、能可靠运营的、电信级的、具备统一开放标准的NB-IoT物联网技术在2016年年底横空出世，并很快后来居上，大有一统江湖之势，全球各大通信运营商、网络设备商和终端模块制造商及第三方物联网服务与应用提供方等共同掀起了大规模开发、测试和部署NB-IoT物联网的热潮。
目前图书市场上虽然有一些5G和物联网方面的图书出版，但是很少有专门论述NB-IoT 技术的书籍。本书编著者目前从事 NB-IoT 开发测试工作，且具有丰富的3G/4G-LTE移动通信行业经验，对技术市场发展趋势和热点需求把握准确。本书重点论述NB-IoT物联网技术，同时兼顾介绍5G标准与关键技术以及其他各类非授权频谱的私有物联网技术，以期满足广大从事NB-IoT物联网技术的相关人员的迫切需求。
本书采用以点带面、点面结合的方法，既概述了当前5G的标准进展、核心指标要求、关键技术与应用场景，又总结了当下流行的各类物联网技术及其发展应用，最后重点深入论述3GPP主导的NB-IoT物联网技术的实现原理、基本过程、数据传输和消息解读，而非泛泛而谈或简单翻译协议，特别适合当前从事NB-IoT技术系统设计、开发与集成测试及网络维护相关人员参考阅读或查询比对。更重要的是，读者能在一本书中尽览最新的5G标准与关键技术，及各种物联网技术和NB-IoT技术的详解。本书附录中对英文缩略语进行了中文翻译，其中部分词汇没有统一表达，此处仅供参考。
本书由电子工业出版社出版发行，是对编著者多年移动通信行业的工作积累的肯定，在此特别感谢电子工业出版社的策划编辑曲昕女士，以及其他排版、设计、审稿人员的大力支持和辛勤付出。另外，还要感谢家人给予的鼓励和支持。
尽管编著者已经尽力将出错的概率降到最小，但错漏之处仍在所难免。如果发现本书有任何错漏的地方，欢迎广大读者批评指正，不胜感激！江林华2018年1月8日于北京第1章5G概述
本章主要介绍移动通信发展史和5G的基本概念，包括5G标准进展及技术演进路径、5G三大应用场景和5G核心指标（KPI），以及5G关键技术。1.1 移动通信发展史
基于蜂窝架构的移动通信技术的发展经历了单向（寻呼机时代）到双向、单工（对讲机）到双工，从模拟调制到数字调制，从电路交换到分组交换，从纯语音业务到数据及多媒体业务，从低速数据业务到高速数据业务的快速发展，不但实现了人们对移动通信的最初梦想：任何人，在任何时间和任何地点，同任何人通话。而且还实现了在高速移动过程中发起视频通话、接入互联网、收发电子邮件、电子商务、实时上传下载文件或分享照片及视频等。未来不仅要实现人与人、人与物之间的互连通信，而且还要走进物与物即万物互连的物联网的新通信时代。图1-1直观地告诉我们移动通信技术差不多每隔10年就会经历一次革命性的跨越。图1-1 移动通信每10年一次跨越
表1-1描述了移动通信技术30多年来，从第1代（1G）到第4代（4G）甚至第5代（5G）的详细发展路线图。表1-1 移动通信发展路线图续表1.2 5G技术演进
其实，到了4G时代，移动通信网络的发展演进路径就已经出现了两大分支，覆盖更多应用场景，如图1-2所示。
● 一条是大流量、高速率、高速移动的宽带时代。
● 一条是小数据、广覆盖、大容量的物联网时代。
因此，为了满足未来移动通信用户数即网络容量的极大增长，以及满足巨大的物联网业务需求和超高速的数据传输速率的要求，除了移动通信网络架构的演进之外，所谓第五代即5G移动通信技术也无非是从以下3个维度来演进，如图1-3所示。
● 提升频谱效率。
● 扩展工作频段。
● 增加网络密度。图1-2 移动通信演进分支图1-3 移动通信技术演进的三个方向
移动通信频谱效率的演进，如图1-4所示。图1-4 移动通信频谱效率演进
由于以下两项技术的普遍采用，移动通信的频谱利用效率也在不断演进和提高。
● 高阶调制技术：QPSK→16QAM→64QAM→256QAM。
● 多天线技术：MIMO2×2→MIMO4×4→MIMO8×8→MIMO64×64→Massive MIMO256（大规模智能天线阵列）。
频谱利用率越来越接近香农定律的极限值。
另外，由于要支持超高数据传输速率，除了上面说的频谱效率提升之外，蜂窝小区的工作带宽也自然变得越来越大，或者引入多载波聚合（CA）技术提升小区带宽：30kHz→200kHz→1.25MHz→5MHz→10MHz→20MHz→100MHz→200MHz
无线频段也随之越来越往高频段扩展，直至毫米波段（＞20GHz）：700MHz→900MHz→1800MHz→2100MHz→2600MHz→3GMHz→6GMHz→10GHz→30GHz
而频率越高的无线电波传播的损耗也越大，穿透力也越差，导致小区覆盖范围也越来越小（见图1-5）。图1-5 移动通信不同频段小区的覆盖范围
频段越高，小区越小，自然蜂窝网络密度也就越来越大，也就意味着运营商要部署更多的基站，未来5G基站将遍地皆是，沿街每一个路灯柱子上面都有可能安装有一个基站，每个家庭也将安装一个私有基站，面对这么庞大的网络基站规模，移动通信网络建设和维护成本也会越来越大。
因此，要求未来5G移动通信网络必须足够灵活，也就是说，网络应该具有强大的自治力、自适应力和创造力，并能从无线环境中学习，各网元、各基站之间能相互协同工作、自适应优化、自适应配置，从而实现任何时间、任何地点的高可靠高速率通信，以及对异构网络环境下有限的无线频谱资源进行高效利用。只有这样才能实现网络功能的虚拟化（Network Function Virtual，NFV）、协作化、云化（Cloud）和软件化（Soft Defined Network，SDN），网络维护成本才能足够低。1.3 5G应用场景
1）5G标准进展
2016年，国际电信联盟组织（International Telecommunication Union，ITU）已经正式将5G命名为IMT-2020，图1-6给出了3GPP等标准组织的5G标准化进展时间表。ITU：目前已经完成了5G愿景研究，2017年年底启动5G技术方案征集，2020年完成5G标准制定。图1-6 5G标准化时间表
3GPP：2016年年初启动了5G标准研究，2018年下半年制定完成5G标准第一版本，2019年年底完成满足ITU要求的5G标准完整版本。
IEEE：2014年年初启动下一代WLAN（802.11ax）标准制定，预计2019年年初完成标准的制定。
不过最新消息是，3GPP主导的5G标准进展被要求加速，第1版标准R15估计会提前半年在2018年上半年发布。
2）5G应用场景
5G通常包含下面三大应用场景（见图1-7）。
● 大规模物联网（Massive IoT/MTC/M2M）：海量连接设备（超高密度），超低功耗，深度覆盖，超低复杂度，比如远程抄表和物流跟踪管理等应用。
● 任务关键控制（MCC）：任务关键性物联网主要应用于无人驾驶、自动工厂、智能电网等领域，要求超高安全性，超低时延与超高可靠性，也称为 URLLC （Ultra-Reliable Low latency Communication）。比如我们要体验增强现实（Argument Reality，AR）或虚拟现实（Virtual Reality，VR）、远程控制和游戏等业务时，数据需要传送到云端进行分析处理，并实时传回处理后的数据或指令，这一来回的过程时延一定要足够低，低到用户无法觉察到。另外，机器对时延比人类更敏感，对时延要求更高，尤其是5G的车联网、自动工厂和远程机器人、远程医疗远程机器人手术等应用。
● 增强的移动宽带（eMBB）：超高传输速率（＞10Gbps），5G时代将面向4K/8K超高清视频、全息技术、增强现实/虚拟现实等应用，移动宽带的主要需求是更高的数据传输速率。图1-7 5G三大应用场景
本书主要讲解5G大规模物联网技术即NB-IoT，对其他两大应用场景不做介绍。1.4 5G核心指标
5G新空口无线技术（New Radio，NR）明确规定了两大核心关键指标。
峰值速率：DL 20Gbps。
用户面时延：0.5ms（URLLC）。
这两关键KPI值在4G-LTE基础上整整提升了20倍。表1-2给出详细的5G NR各项性能指标要求。表1-2 5G新空口KPI指标1.5 5G关键技术
本节集中介绍5G可能会采用的8大核心关键技术，包括无线接入网（RAN）和网络架构（Network Architecture）两方面都会涉及的新技术。1.5.1 毫米波技术
以往移动通信的传统工作频段主要集中在3GHz以下，这使得频谱资源十分拥挤，而在高频段（如毫米波、厘米波频段-mmWave）可用频谱资源丰富，能够有效缓解频谱资源紧张的现状，可以实现极高速短距离通信，能支持5G大容量和高速率等方面的需求。
高频段在移动通信中的应用是未来的发展趋势，业界对此高度关注。下面是高频段毫米波移动通信的主要优点：
● 足够量的可用带宽；
● 小型化的天线和设备；
● 较高的天线增益；
● 绕射能力好；
● 适合部署大规模天线阵列（Massive MIMO）。
但高频段毫米波移动通信也存在传输距离短、穿透能力差、容易受气候环境影响等缺点。射频器件、系统设计等方面的问题也有待进一步研究和解决。
目前，各大研究机构和公司正在积极开展高频段需求研究以及潜在候选频段的遴选工作。高频段资源虽然目前较为丰富，但是仍需要进行科学规划、统筹兼顾，从而使宝贵的频谱资源得到最优配置。1.5.2 大规模天线阵列
多天线技术经历了从无源到有源、从二维（2D）到三维（3D）、从高阶MIMO到大规模阵列（Massive MIMO）的发展，将有望实现频谱效率提升数十倍甚至更高，是目前5G技术重要的研究方向之一。
由于引入了有源天线阵列和毫米波技术，基站侧同样大小的物理空间可支持的协作天线数量将达到128根甚至更多，如图1-8所示。
此外，原来的2D天线阵列拓展成为3D天线阵列，形成新颖的3D-MIMO即立体多维MIMO技术，支持多用户波束智能赋型，减少用户间干扰，结合高频段毫米波技术，将进一步改善无线信号覆盖性能。
3D-MIMO技术在原有的MIMO基础上增加了垂直维度，使得波束在空间上三维赋型，可更好地避免相互之间的干扰。配合大规模MIMO，可实现多方向波束赋型。图1-8 Massive MIMO原理示意图
目前研究人员正在针对大规模天线信道测量与建模、阵列设计与校准、导频信道、码本及反馈机制等问题进行研究，未来将支持更多的用户空分多址（SDMA），显著降低发射功率，实现绿色节能，提升覆盖能力。1.5.3 新型调制编码技术
调制编码技术是移动通信的核心技术，是皇冠上的明珠。5G所采用的新型调制编码技术主要包括256QAM高阶调制、LDPC和Polar编解码技术。下面分别介绍。
1948年，香农Shannon在他的开创性论文“通信中的数学理论”中第一次提出了在有噪信道中实现可靠通信的方法，提出了著名的有扰信道编码定理，奠定了纠错编码的基础。
20世纪50年代初，汉明（Hamming）、斯列宾（Slepian）、普兰奇（Prange）等人在香农理论的基础上，设计出了一系列的性能优异的编译码方案，并以此为基础得出了在编码信道条件下各种信道的香农极限。香农限作为通信系统中的性能极限，具有非常重要的意义，也带动了通信领域中设计和构造逼近香农限的纠错编码的研究与应用。
简单来说，信道编码就是在K比特的数据块中插入冗余比特，形成一个更长的码块，这个码块的长度为N比特，N＞K，N-K个比特就是用于检测和纠错的冗余比特，编码率R就是K/N。一个好的信道编码，就是在一定的编码率下，能无限接近信道容量的理论极限即香农极限。
3GPP决定5G采用哪种编码方式的决定因素包括译码吞吐量、时延、纠错能力、误块率（BLER）、灵活性，还有软硬件实现的复杂性、成熟度和后向兼容性等。
LDPC码：即低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check Code），最早由美国麻省理工学院的Robert G.Gallager博士于1963年提出，是一类具有稀疏校验矩阵的线性分组码，不仅有逼近香农极限的良好性能，而且译码复杂度较低，结构灵活，一直是信道编码领域的研究热点。
LDPC是一种校验矩阵密度（“1”的数量）非常低的分组码，核心思想是用一个稀疏的向量空间把信息分散到整个码字中，也就是要求校验矩阵中1的个数远小于0的个数，并且码长越长，密度就越低。
普通的分组码校验矩阵密度大，采用最大似然法在译码器中解码时，错误信息会在局部的校验节点之间反复迭代并被加强，造成译码性能下降。反之，LDPC的校验矩阵非常稀疏，错误信息会在译码器的迭代中被分散到整个译码器中，正确解码的可能性会相应提高。简单来说，普通的分组码的缺点是错误集中并被扩散，而LDPC的优点是错误分散并被纠正。
但是由于LDPC解码器运算复杂，限于当时的硬件技术条件和缺乏可行有效的译码算法，在问世后的35年间，LDPC码被逐渐遗忘了。
直到20世纪80年代，Tanner用图论的方式解释了LDPC码，并改进了译码方法。1993年，Berrou等人发现了Turbo码，在此基础上，1995年左右剑桥大学卡文迪许实验室的David J.C.MacKay再次发现了LDPC这种性能优秀的信道编码，并提出了可行的译码算法，从而进一步发现了LDPC码所具有的良好性能，迅速引起强烈反响和极大关注，LDPC码也再次进入学术界的视野。
随后，学术界对LDPC码投入了大量的关注，包括对编码矩阵构造、解码算法优化等关键技术展开了研究。其中比较关键的突破包括高通公司的Thomas J.Richardson提出的Multi-Edge构造方法可以灵活地得到不同速率LDPC码，非常适合通信系统的递增冗余（IR-HARQ）技术；再加上LDPC的并行解码可以大幅度降低LDPC码的解码时间和复杂度，至此，LDPC从理论上进入通信系统的障碍被全部扫清了。
经过十几年来的研究和软硬件技术的飞速发展，LDPC码的相关技术也日趋成熟，已经开始有了商业化的应用成果，并进入了无线通信等相关领域，LDPC码被各种通信系统所采纳，目前已广泛应用于深空通信、光纤通信、卫星数字视频和音频广播等领域。
● 广播系统：卫星数字广播系统（DVB-S2）系统、地面数字视频广播（DTMB）系统、中国移动多媒体广播（CMMB）系统。
● 固定接入网络：ITU-T高速家庭有线网络（G.hn）。
● 无线接入网络：IEEE的802.11n、802.11ac、802.16e（WiMAX）。
● 此外，LDPC还被应用在包括嫦娥二号在内的航天通信领域。
至此，没有正式接纳 LDPC 码的只有 3GPP 所主导的主流移动通信系统了（WiMAX并未被主流运营商大规模部署）。这个遗憾就好比乒乓球运动员马龙在里约奥运会之前，离大满贯就只差一个奥运冠军了。
LDPC在3GPP的第一次尝试出现在2006年的LTE R8讨论中。由于非技术因素，LDPC码惜败于风头正劲的Turbo码，错过了成就大满贯的机会。但是错过了第一个赛点的LDPC码并没淡出大众的视线，依然在其他通信标准领域高歌猛进。2016年，经过10年的积淀，在实际通信系统中得到了充分验证的LDPC又来到了移动通信标准的赛场上，成为5G的备选方案。这次，天时、地利、人和都站在LDPC这边。面对第二个赛点的LDPC码已经成为包括大部分中国公司在内的业界共识。经过深入的讨论，在通信界主流公司（高通、三星、诺基亚等）的推动下，2016年10月14日，在葡萄牙里斯本召开的3GPP RAN1会议上，LDPC码终于击败Turbo 2.0被3GPP接纳为5G系统eMBB场景下业务信道数据信息的长码块编码方案，在问世53年之后，LDPC码终于被主流移动通信系统接纳采用了。
Polar码：目前研究成果最多、比较成熟并逼近香农极限的纠错码是LDPC码和Turbo码。虽然两种码字的性能已十分优异，但人们一直坚持寻找性能更好，可以非常接近甚至完全达到香农极限并且有简单的编译码方法的各类编码方案。
Polar码是编码界新星，由土耳其毕尔肯大学E.Arikan教授于2007年基于信道极化理论提出，是一种全新的线性信道编码方法，该码字是迄今发现的唯一一类能够达到香农极限的编码方法，并且具有较低的编译码复杂度，当编码长度为N时，复杂度大小为O（NlogN）。Polar码自从提出以来，就吸引了众多学者的兴趣，是这几年信息编码领域研究的热点。
Polar码的理论基础就是信道极化理论。信道极化包括信道组合和信道分解两部分。当组合信道的数目趋于无穷大时，则会出现极化现象：一部分信道将趋于无噪信道，另外一部分则趋于全噪信道，这种现象就是信道极化现象。无噪信道的传输速率将会达到信道容量I（W），而全噪信道的传输速率趋于零。Polar码的编码策略正是应用了这种现象的特性，利用无噪信道传输用户有用的信息，全噪信道传输约定的信息或者不传信息。
2016年11月 19日，在美国内华达州里诺刚刚结束的 3GPP RAN1第 87次会议上，国际移动通信标准化组织3GPP确定将Polar码（极化码）作为5G eMBB（增强移动宽带）场景的控制信道即短码块编码方案。
至此，5G eMBB（增强移动宽带）场景的信道编码技术方案完全确定，其中Polar码作为控制信道即短码块的编码方案，LDPC码（低密度奇偶校验码）作为数据信道即长码块的编码方案。1.5.4 多载波聚合
LTE R12已经支持5个 20MHz载波聚合，如图1-9所示。
5G将扩展到支持多达32个载波聚合。另外，未来的5G网络将是一个融合的网络，载波聚合技术将大大扩展到支持以下各种不同类型的无线链路间的载波聚合技术，如图1-10所示。
● LTE内多达32载波的聚合。
● 系统间与3G-HSPA+无线链路的载波聚合。
● 支持FDD+TDD链路聚合，即上下行非对称的载波聚合。
● 支持LTE授权频谱辅助接入（LAA/eLAA），即支持与非授权频谱比如WiFi无线链路之间的载波聚合。图1-9 LTE内5个载波聚合示意图图1-10 5G支持多无线链路间的载波聚合技术1.5.5 网络切片技术
网络切片（Network Slice）技术，最简单的理解就是将一个物理网络切割成多个虚拟的端到端的网络，每个虚拟网络之间，包括网络内的设备、接入、传输和核心网，都是逻辑独立的，任何一个虚拟网络发生故障都不会影响到其他虚拟网络。每个虚拟网络就像是瑞士军刀上的钳子、锯子一样，具备不同的功能、特点，面向不同的需求和服务，可以灵活配置调整，甚至可以由用户定制网络功能与服务，实现网络即服务（Network as a Service，NaaS）。
目前4G网络中主要终端设备是手机，网络中的无线接入网部分（包括数字单元（Digital Unit，DU）或基带单元（Baseband Unit，BBU）和射频单元（Radio Unit，RU））和核心网部分都采用设备商提供的专用设备。
4G网络主要服务于人，连接网络的主要设备是智能手机，不需要网络切片以面向不同的应用场景。但是5G网络需要将一个物理网络分成多个虚拟的逻辑网络，每一个为了实现网络切片，网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）是先决条件。本质上讲，所谓NFV，就是将网络中的专用设备的软硬件功能（比如核心网中的MME、S/P-GW和PCRF，无线接入网中的数字单元DU等）转移到虚拟主机（Virtual Machines，VM）上。这些虚拟主机是基于行业标准的商用服务器，低成本且安装简便。简单来说，就是用基于行业标准的服务器、存储和网络设备，来取代网络中专用的网元设备，从而实现网络设备软硬件解耦，达到快速开发和部署。图1-11 5G网络切片技术
网络经过功能虚拟化后，无线接入网部分叫边缘云（Edge Cloud），而核心网部分叫核心云（Core Cloud）。边缘云中的VM和核心云中的VM，通过SDN（软件定义网络）互联互通，也实现网络设备软硬件解耦，也达到控制与承载彻底分离。
如图1-11所示，针对不同的应用场景，网络被“切”成4“片”。
高清视频切片（UHD Slice）：原来网络中数字单元（Digital Unit，DU）和部分核心网功能被虚拟化后，加上存储服务器，统一放入边缘云（Edge Cloud）。而部分被虚拟化的核心网功能放入核心云（Core Cloud）。
手机切片（Phone Slice）：原网络无线接入部分的数字单元（DU）被虚拟化后，放入边缘云。而原网络的核心网功能，包括IMS，被虚拟化后放入核心云。
大规模物联网切片（Massive IoT Slice）：由于大部分传感器都是静止不动的，并不需要移动性管理，在这个切片中，核心云的任务相对轻松简单。
任务关键性物联网切片（Mission Critical IoT Slice）：由于对时延要求很高，为了最小化端到端时延，原网络的核心网功能和相关服务器均下沉到边缘云。
当然，网络切片技术并不仅限于这几类切片，它是灵活的，运营商可以随心所欲地根据应用场景定制自己的虚拟网络。1.5.6 设备到设备直接通信
传统的蜂窝通信系统的组网方式是以基站为中心实现小区覆盖，而基站及中继站无法移动，其网络结构在灵活度上有一定的限制。随着无线多媒体业务的不断增多，传统的以基站为中心的业务提供方式已无法满足海量用户在不同环境下的业务需求。
设备到设备直接通信（D2D）技术无需借助基站的帮助就能够实现通信终端之间的直接通信，拓展网络连接和接入方式，因此D2D通信具备以下优点：
● 由于短距离直接通信，信道质量高，D2D能够实现较高的数据速率、较低的时延和较低的功耗；
● 通过广泛分布的终端，能够改善覆盖，实现频谱资源的高效利用；
● 支持更灵活的网络架构和连接方法，提升链路灵活性和网络可靠性。
目前，D2D采用广播、组播和单播技术方案，未来将发展其增强技术，包括基于D2D的中继技术、自组织网络技术，多天线技术和联合编码技术等。
当然，D2D通信技术只能作为蜂窝网络辅助通信的手段，而不能独立组网通信。1.5.7 超密集异构网络
在未来的5G通信中，无线通信网络正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向演进。随着各种智能终端的普及，数据流量将出现井喷式的增长。未来数据业务将主要分布在室内和热点地区，这使得超密集异构网络（Ultra-dense Hetnet）成为实现未来5G的1000倍容量需求的主要手段之一。
未来5G网络将采用立体分层超密集异构网络（HetNet），在宏蜂窝网络层（Macro Cell）中部署大量微蜂窝小区（Micro Cell）、微微蜂窝小区（Pico Cell）、毫微微蜂窝小区（Femto Cell），覆盖范围从几百米到十几米。超密集网络能够改善网络覆盖，大幅度提升系统容量，并且对业务进行分流，具有更灵活的网络部署和更高效的频率复用。未来，面向高频段、大带宽，将采用更加密集的网络方案，部署小小区/扇区将高达100个以上。
与此同时，愈发密集的网络部署也使得网络拓扑更加复杂，小区间干扰已经成为制约系统容量增长的主要因素，极大地降低了网络能效。干扰消除、小区快速发现、密集小区间协作、负载动态平衡、基于终端能力提升的移动性增强方案等，都是目前密集网络方面的研究热点。1.5.8 新型网络架构
1.C-RAN
目前，LTE接入网采用网络扁平化架构，减小了系统时延，降低了建网成本和维护成本。未来5G可能采用云接入网架构，即所谓的Cloud-RAN（C-RAN）。
C-RAN是基于集中化处理、协作式无线电和实时云计算构架的绿色无线接入网构架。C-RAN的基本思想是通过充分利用低成本高速光传输网络，直接在远端天线和集中化的中心节点间传送无线信号，以构建覆盖上百个基站服务区域，甚至上百平方公里的无线接入系统。
C-RAN架构适于采用协同技术，能够减小干扰、降低功耗、提升频谱效率，同时便于实现动态使用的智能化组网，集中处理有利于降低成本，便于维护，减少运营支出。目前的研究内容包括 C-RAN的架构和功能，如集中控制、基带池 RRU接口定义、基于C-RAN的更紧密协作，如基站簇、虚拟小区等。
2.SDN和NFV
5G网络架构也将全面采用SDN和NFV技术。
云端虚拟化技术在IT业的日益成熟和成功应用以及互联网的开放思维都共同驱动各大运营商对移动通信网络架构及业务部署的重新思考。
软件定义网络（SDN）的概念是让软件来控制网络，充分开放网络能力，是一种具有控制信令与用户数据分离（C-U Split）、网络功能集中控制、开放应用程序界面API这三大特征的新型网络架构和网络技术。通过引进SDN的概念，可以将封闭垂直一体的传统电信网络架构一举转为弹性化、开放、高度整合、服务导向及确保服务质量的分层网络架构。
在引入SDN后，面临的新挑战是如何进行网络功能重构，如何设计新增接口协议，进而基于SDN实现架构的优化以及端到端信令流程的优化。另一方面，大量的复杂控制机制集中到SDN控制器上运行，也降低了SDN交换器的采购、管理与替换等成本，连带解决了被网络通信设备制造商的专用硬件设备绑定的问题。
与SDN的概念相仿，网络功能虚拟化（NFV）的目的之一也是在于实现特定的网络通信设备的软硬件功能解耦。NFV采用云端虚拟化为主的IT手段改造4G/5G核心网络，目前4G/5G核心网络上最重要的功能除了EPC之外就是IMS，其虚拟化后分别称为vEPC及vIMS，这样就可以采用市场上通用的服务器平台来替代原来昂贵的专用电信设备，单位计算性能价格比远低于电信设备，并且成本下降和更新周期的幅度数倍于专用电信设备，这样能够以更低成本、更快地引进新IT技术和新IT设备，维持硬件设备性能优于竞争对手。
透过NFV，既有专用4G核心网络的相关网络设备的功能以软件的方式虚拟化，并经由云计算（Cloud Computing）相关技术，硬件资源虚拟化为多个 VM （Virtual Machine），利用云端计算的快速部署能力，使得各个 EPC 软件网络组件（Network Entity）的容量配置调整周期从数周缩短到数分钟，大幅提升了EPC网络组件部署和更新的敏捷性，负载平衡机制提升系统服务水平，每个VM可以迁移和重生，在本地或异地相互热备份，进一步确保网络的高可靠性。并实现设备容量按需求（On Demand）动态弹性扩充，确保系统的可维护性，且大幅降低服务器硬件基础设施的部署与运维成本。如此一来，4G/5G网络运营商和设备商的重点就能转移到服务创新上，进一步为电信运营商创造更高的运营收益。
由于NFV与SDN技术双方的核心概念颇有相通之处，两者具备互补整合之高度条件，因此目前在4G核心网络实现虚拟化的工作中，经常将NFV与SDN相提并论，两者间未来可能发展出的协同运作模式也值得探讨。SDN负责Layer-3以下的网络基础设施及低层网络流量转送的处理；而NFV则负责Layer-3以上的网络上层应用服务设施的弹性灵活的资源调度，两者相辅相成，营造出未来高效优化的运营商整合服务平台。第2章物联网介绍
本章主要介绍物联网的起源与发展、物联网特性与应用以及物联网技术分类。2.1 物联网的前世今生2.1.1 物联网起源与发展
最广为人知的物联网起源，要追溯到1991年，剑桥大学特洛伊计算机实验室的科学家们常常要下楼去看咖啡煮好了没有，但又怕影响工作，为了解决麻烦，他们编写了一套程序，咖啡壶旁边安装了一个便携式摄像头，利用终端计算机的图像捕捉技术，以3帧/秒的速率传递到实验室的计算机上，以方便工作人员随时查看咖啡是否煮好，这就是物联网最早的雏形。1993年，作为首个X-Windows系统案例，“特洛伊咖啡壶服务器”事件还被上传到了网上，获得了近240万点击量。
但真正意义上的物联网术语出现在1994年。1994年麻省理工学院的Auto-ID中心的创始人之一凯文·阿什顿是第一个使用“Internet of Things.”的人。阿什顿对于物联网的想法集中在使用射频识别（Radio Frequence Identifier，RFID）技术将设备连接在一起的事实。这类似于今天的物联网，但与主要依赖于IP网络让设备交换的广泛信息显著不同。RFID标签提供的功能比较有限。因为我们知道1994年无线网络仍处于起步阶段，与蜂窝网络一样，还没有切换到一个完全基于IP的配置。在这种情况下，将很难想象物联网中所有的设备都有一个独一无二的IP地址。另外，在IPv4的情况下，如果所有的设备都加入网络的话就没有足够的IP地址进行分配了。不过因为RFID不会要求每个设备都需要IP地址或实际直接连接互联网，它似乎是一个更便宜和更可行的解决方案。
2005年，此时的物联网已经不再局限于RFID，已经扩展到任何物与物之间的信息互联，物联网的覆盖范围有了更大的拓展。物联网的大规模运用已经成为现实，物联网已经不再只是少数高端互联家电。如今，连接到物联网的各种类型的设备都很常见，从电视机到温控器，以及连接到互联网的汽车。
这当中云计算的发展发挥了至关重要的作用，使现代物联网成为可能。这是因为云计算用于存储信息，为处理分析数据提供了一个低成本、永远在线的方式。价格便宜和高度可用的云计算基础设施可以很容易地运行物联网设备的存储和云计算任务。反过来，物联网设备可以更便宜、更精简、更灵活。
总体来说，物联网是一次技术的革命，它的发展依赖于一些重要领域的动态技术革新，包括射频识别（RFID）技术、无线传感器技术、智能嵌入技术、网络通信技术、云计算技术和纳米技术等。
最后，但并非不重要的问题就是安全和隐私，这仍然是物联网巨大的隐患。物联网设备为消费者带来了一个全新的在线隐私的问题。这是因为这些设备不仅可以收集用户的姓名和电话号码的个人信息，而且也可以监控你在家中的一切或你午餐吃什么。在发现有媒体对重大数据泄露事件进行披露之后，消费者对在公共或私有云上放置过多的个人数据是谨慎的，需要有更充分的安全隐私保护措施。物联网供应商在解决这些安全问题之后，才能使物联网设备充分发挥它们的全部潜力。
另外一个问题是物联网技术的发展缺乏一个统一开放的标准，出现了很多私有、孤立的物联网技术，比如 SigFox、LoRaWAN等，这会阻碍物联网进一步发展与应用。标准化是任何一项技术广泛应用和拓展的必要条件，几乎所有在商业上成功的技术都要经历标准化阶段，才能实现更大的市场占有率。如今，3GPP的强势介入势必会整合和推动物联网技术的大规模发展与商用。2.1.2 物联网在美国—智慧地球
1995年，克林顿政府提出了“信息高速公路”的国家振兴战略，大力发展互联网，推动了全球信息产业的革命，美国经济也受惠于这一战略，并在20世纪90年代中后期享受了历史上罕见的长时间繁荣。奥巴马就任美国总统后，2009年1月28日与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”，作为仅有的两名代表之一，IBM公司首席执行官彭明盛提出了“智慧的地球”这一概念。
IBM认为建设智慧的地球需要3个步骤：
第一，各种创新的感应科技开始被嵌入到各种物体和设施中，从而使得物质世界极大程度地实现数据化，提供海量数据来源；
第二，随着网络的高度发达，人、数据和各种事物都将以不同方式接入网络；
第三，先进的技术和超级计算机则可以对这些堆积如山的数据进行整理、加工和分析，将生硬的数据转化成实实在在的洞察，并帮助人们做出正确的行动决策。
同时，IBM提出将在六大领域建立智慧行动方案，分别是智慧的电力、智慧的医疗、智慧的城市、智慧的交通、智慧的供应链、智慧的银行。
物联网就是这些所谓智慧型基础设施中间的一个基本概念。新能源和物联网是奥巴马认为的全球经济新引擎。如今“智慧的地球”已经上升为美国的国家战略。2.1.3 物联网在中国—感知中国
当然，物联网技术不仅仅是工业化国家的“宝藏”，同时也为发展中国家提供了更多便利，为他们带来诸多领域的应用，比如在医疗诊断、污水处理、能源产业、环境卫生和食品安全等领域的广泛应用。
2009年8月7日，温家宝总理到中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心考察，在得知国内传感网核心技术还未达到全球最领先水平后，温总理表示：“当计算机和互联网产业大规模发展时，我们因为没有掌握核心技术而走过一些弯路。在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术。”温总理指出，至少三件事情可以尽快去做：
一是把传感系统和3G中的TD技术结合起来；
二是在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展；
三是尽快建立中国的传感信息中心，或者叫作“感知中国”中心。
2009年11月3日，温总理发表了题为“让科技引领中国可持续发展”的重要讲话，在这次讲话中，物联网被列为国家五大新兴战略性产业（新能源、新材料、生物科学、信息网络和空间海洋开发）之一。要求“着力突破传感网、物联网关键技术，早部署后IP时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的发动机。”
2010年3月5日，温总理在十一届人大三次会议上做政府工作报告时指出：“要大力发展新能源、新材料、节能环保、生物医药、信息网络和高端制造产业。积极推进新能源汽车、‘三网’融合取得实质性进展，加快物联网的研发应用。加大对战略性新兴产业的投入和政策支持。”
这是“物联网”首次被写进政府工作报告，也意味着物联网的发展进入了国家层面的视野，已经被提升到国家战略。人们通常将2010年定位为物联网元年。据悉，中国已经规划2020年之前投入3.86万亿元资金用于物联网研发。
2016年，物联网再次受到国务院重视。2016年3月5日，国务院总理李克强在做政府工作报告时强调“促进大数据、云计算、物联网广泛应用”。10月31日，李克强总理为世界物联网无锡峰会发去贺信，对世界物联网博览会的召开表示热烈祝贺，希望利用博览会平台，交流创新思想，深化相互合作，带动创业创新，造福人类社会。
2017年4月，工业和信息化部召开NB-IoT工作推进会，共同培育NB-IoT产业链，并要求年底建设基于标准NB-IoT的规模外场。展望2020年，NB-IoT技术将孵化成熟为无处不在的蜂窝物联网覆盖，NB-IoT的良好前景无限拓展了信息通信的商用领域。2.2 物联网特性与应用2.2.1 物联网特性
通常现代物联网分为三层，如图2-1所示。
● 感知层：感知层通过传感器和终端物联网芯片负责采集大量信息。
● 网络层：网络层提供安全可靠的连接、交互与共享，负责将感知层采集到的大量信息数据传输到应用层或第三方云端进行分析处理，并向终端回传指令等相关信息。
● 管理与应用层：应用层对大数据进行分析，提供开放的云服务平台，供第三方进行商业决策与服务。图2-1 物联网技术架构
通常，物联网具备以下几大特点与要求，如图2-2所示。
● 超强覆盖：覆盖增强20dB，达到MCL=164dB。
● 超大容量：支持大规模连接，100k终端/200kHz小区。
● 超低功耗：10年电池寿命。
● 超低成本：5～10美元/终端。
● 较低速率：10～100kbps。
● 时延容忍：1～10s。图2-2 物联网特性要求
低功耗广域网（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）物联网有两个关键点：
● 低功耗；
● 广域覆盖。
简单来说，LPWAN物联网技术就是在省电的情况下，实现长距离和深度覆盖的无线通信网络技术。2.2.2 物联网应用
物联网应用可根据速率、时延及可靠性等要求，主要可分为三大类。
场景一：低时延、高可靠性业务。该类业务对吞吐率、时延或可靠性要求较高，其典型应用包含车联网、远程医疗等。
场景二：中等需求类业务。该类业务对吞吐率要求中等或偏低，部分应用有移动性及语音方面的要求，对覆盖与成本也有一定的限制，其典型业务主要有智能家防、可穿戴设备等。
场景三：低功耗广域覆盖业务（Low Power Wide Area，LPWA）。LPWA业务的主要特征包括低功耗、低成本、低吞吐率、要求广（深）覆盖及大容量，其典型应用包含抄表、环境监控、物流、资产追踪等。
表2-1列出了详细的物联网应用场景。表2-1 物联网应用场景续表2.3 物联网技术分类
各类物联网应用业务中，低功耗广域覆盖（Low Power Wide Area，LPWA）物联网业务由于连接需求规模大，是全球各运营商争夺连接的主要市场。目前，存在多种可承载LPWA类业务的物联网通信技术，如GPRS、LTE、LoRa、Sigfox等，下面就对此进行分类介绍。
物联网技术从所使用的频谱类型可以分为如下两大类，如图2-3所示。
● 采用授权频谱的物联网技术，比如EC（Extended Coverage）-GSM，NB-IoT和LTE-M，主要由3GPP主导的运营商和电信设备商投入建设和运营，也可以称之为蜂窝物联网（Cellular Internet of Things，CIoT）。授权频谱的物联网技术分类如图2-4所示。
● 采用非授权频谱的物联网技术，比如 LoRaWAN、Sigfox、Weightless、HaLow、RPMA（Random Phase Multiple Access）等私有技术，其大部分投入为非电信领域。图2-3 物联网技术分类图2-4 授权频谱的物联网技术分类
物联网技术从覆盖距离又可以分为长距离覆盖蜂窝网络和短距离非蜂窝网络。
● 长距离覆盖：NB-IoT、Sigfox、LoRa＞1 000m。
● 短距离覆盖：WiFi、Bluetooth、NFC、ZigBee＜100m，适合非组网情况下的设备对设备（D2D）直接通信。
由于NB-IoT/LTE-M采用授权独占频谱，干扰小，可靠性、安全性高，但部署和使用成本相对也高些，如图2-5所示。
除了NB-IoT物联网技术之外，其他各类物联网技术比如 GPRS、LTE、LoRa、Sigfox等都存在如下问题或不足。图2-5 物联网分类部署成本（1）终端续航时长无法满足要求，比如目前GSM终端待机时长（不含业务）仅20天左右，在一些LPWA典型应用如抄表类业务中更换电池成本高，且某些特殊地点如深井、烟囱等更换电池很不方便。（2）无法满足海量终端的应用需求，物联网终端的一大特点就是海量连接数，因此需要网络能够同时接入大量用户，而现在针对非物联网应用设计的网络无法满足同时接入海量终端的需求。（3）典型场景网络覆盖不足，例如深井、地下车库等覆盖盲点，室外基站无法实现全覆盖。（4）成本高，对于部署物联网的企业来说，选择LPWA的一个重要原因就是部署的低成本。智能家居应用的主流通信技术是WiFi，WiFi模块虽然本身价格较低，已经降到了10元人民币以内了，但支持WiFi的物联网设备通常还需无线路由器或无线AP进行网络接入，或只能进行局域网通信。而蜂窝通信技术对于企业来说部署成本太高，国产最普通的2G通信模块一般在30元人民币以上，而4G通信模块则要200元人民币以上。（5）传输干扰大，这主要针对的是非蜂窝物联网技术，其基于非授权频谱传输，传输干扰大、安全性差、无法确保可靠传输。
上述几点已经成为阻碍LPWA业务发展的影响因素，而3GPP组织主导的NB-IoT与eMTC优势较为明显。2.4 授权频谱物联网技术2.4.1 3GPP物联网之路
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，为窄带物联网起名为LTE-M，全称为LTE for Machine to Machine，期望基于LTE产生一种革命性的专门为物联网服务的新空口技术。LTE-M从商用角度同时提出了广域覆盖和低成本的两大目标，既要实现终端低成本、低功耗，又能够和现有LTE网络共同部署。从此以后，由3GPP主导的窄带物联网协议标准化之路逐步加快了步伐。
2014年5月，LTE-M的名字也改为蜂窝物联网（Cellular IoT），简称CIoT，从名称的演变更直观地反映出了技术的定位，同时对于技术的选型态度更加包容。
实际上，3GPP在初期的技术选型中存在两种思路，一种是基于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。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势微。
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。这其中又有两大技术提案。
其一，华为与高通基于达成共识的基础上，于2015年5月共同宣布了一种融合的物联网技术解决方案：上行采用FDMA多址的方式，下行采用OFDMA多址方式。融合之后的方案名称定为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。
其二，随后爱立信联合其他几家公司提出了NB-LTE （Narrow Band LTE）的方案，从名称可以直观地看出，NB-LTE最主要希望能够使用旧有的LTE实体层部分，并且在相当大的程度上能够使用上层的LTE网络，沿用原有的LTE蜂窝网络架构，达到快速部署目的，使得运营商在部署时能够减少设备升级的成本。
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，两种方案各有特点。
2015年9月，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的名称自此正式确立。NB-IoT的详细演进之路如图2-6所示。图2-6 NB-IoT演进之路
2016年年底，3GPP规范Release13最终完成冻结，由此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，…），对应的系统设计和功能也会不断地更新升级。
NB-IoT自R13标准冻结后，正以惊人的速度占领市场，颇有后来居上的势头。据不完全统计，中国、德国、西班牙、荷兰等国家已经宣布计划商用NB-IoT。全球300多家运营商已完成全球90%覆盖的移动网络，无以伦比的生态系统让其他LPWAN技术直呼“狼来了”。
●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重要一步。
● 中国电信计划于2017年6月商用第一张全覆盖的NB-IoT网络。德国电信计划于2017年第二季度商用NB-IoT网络，采用LTE 800MHz和900MHz频段，首先应用于智能电表、智能停车和资产追踪管理等。
● 荷兰计划于2017年年前完成国家级的NB-IoT网络建设。
● 在西班牙，Vodafone首先在巴伦西亚和马德里部署了NB-IoT，并在3月底将城市扩展到巴萨罗拉、毕尔巴鄂、马拉加等地，已有 1 000个以上的基站支持NB-IoT；
下面一些优点让NB-IoT技术与其他LPWAN技术比起来更具竞争优势：
● 支持现网升级，可在最短时间内抢占市场；
● 运营商级的安全和质量保证；
● 标准不断演进和完善。在 3GPP R14 标准里，NB-IoT 还将会增加定位、Multicast、增强型非锚定PRB、移动性和服务连续性、新的功率等级、降低功耗与时延，语音业务支持等；
● 采用授权频谱，可避免无线干扰，且具备运营商级的安全和质量保证。2.4.2 NB-IoT和LTE-M
其实，旨在基于现有的LTE载波快速满足物联网设备需求，3GPP早在R11中已经定义了最低速率的UE设备类别称为UE Category-1，其上行速率为5Mbps，下行速率为10Mbps。为了进一步适应于物联网传感器的低功耗和低速率需求，到了R12又定义了Low-Cost MTC（Machine Type Communication），引入了更低成本、更低功耗的Cat-0，其上下行速率为1Mbps。在R13中对此又进行了增强，称为enhanced MTC（eMTC），引入了Cat-M1，如表2-2所示。
因此可以看到，3GPP 在 R13 实际上定义了两种物联网版本：LTE-M （UE Cat-M1，eMTC）和NB-IoT（UE Cat-NB1），其参数对比见表2-3。也可以说，这是为了尽快推出协议各方协调的结果。表2-2 LT E-M物联网技术演进对照表表2-3 NB-IoT与LTE-M参数对照表
下面列出了LTE-M和NB-IoT的优缺点比较。
NB-IoT：其在覆盖、功耗、成本、连接数等方面性能占优，但无法满足移动性及中等速率要求、语音等业务需求，比较适合低速率、移动性要求相对较低的LPWA应用。
eMTC：其在覆盖及模组成本方面目前弱于 NB-IoT，但其在峰值速率、移动性、语音能力（VoLTE）方面存在优势，适合于中等吞吐率、移动性或语音能力要求较高的物联网应用场景。运营商可根据现网中的实际应用选择相关物联网技术进行部署。
其实，NB-IoT和LTE-M（eMTC）这两种技术在实质上没有什么本质的区别，基带调制复用技术都是源自OFDM，频谱利用率也都基本相似，但是在组网带宽、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中的业务应用中就对eMTC有一段很有趣的描述，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并可以进行追踪，这是利用移动性作为一些辅助应用的展望。
因此，一直有专家秉持这一观点，即在eMTC网络下，应用场景更加丰富，应用与人的关系更加直接，相对来说，其ARPU值也就更高。2.5 非授权频谱物联网技术
本节集中介绍其他5种目前流行的非授权频谱的私有物联网技术，通常也不是基于蜂窝网络架构的，都采用非授权公用非独占频谱，运营成本低，但干扰和服务质量也通常难以控制和保证。2.5.1 Sigfox
早在2012年，Sigfox作为一家初创公司，以其超窄带（Utra-Narrow Band，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。作为通信领域的一条强有影响力的“鲇鱼”，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之路。
Sigfox工作在868MHz和902MHz频段上，在某些国家属于免授权黄金频段，消耗很窄的带宽或功耗，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12B，下行消息每包大小8B，封包大小仅为26B，如图2-7所示。
同时，Sigfox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，以这样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很多，不需要参数配置，没有连接请求以及信令交互，终端只要在指定频率上使用SigFox Radio Protocol发射信号，基站会自行接收信息，因而省去了信令负荷，降低了总的传输数据量，可进一步降低功耗。因此，由于窄带宽和短消息的特点，加之其MCL=162dB的链路预算，Sigfox在远距离传输上的优势也较突出。图2-7 Sigfox物联网数据传输方式
不过，这样的协议栈虽然设计简单，节省芯片成本，但是从安全角度来看，对于提供稳定安全的物联网接入是存在安全隐患的。
据统计，截止2017年1月，Sigfox网络已覆盖29个国家和地区、170万平方公里、4.7亿人口，并计划在2018年把网络扩展到60个国家。
另外，Sigfox尽管没有NB-IoT引人瞩目，但其在生态部署上不容忽视。Sigfox采用免费专利授权策略，吸引了许多伙伴加入其生态系统。
目前Sigfox已有71个设备制造商、49个物联网平台供应商、8家芯片厂家、15家模块厂家、30家软件和设计服务商等伙伴。其中，芯片供应商包括德州仪器（TI）、意法半导体（ST）、芯科（Silicon Labs）、安森美（On-Semi）、恩智浦（NXP）、Ethertronics、Microchip与云创通讯（M2Comm）等。2.5.2 LoRaWAN
LoRa的名字源于Long Range的缩写，由美国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。它的梦想就是长距离通信，如果一个网关或基站可覆盖整个城市那就再好不过了。因此，LoRa成为低功率广域通信网（LPWAN）技术中的关键一员。Semtech是一家位于美国加州的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、非营利性组织，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。
1.LoRaWAN组网结构图
在LoRa组网中，所有终端会先连接网关，网关之间通过网络互连到网络服务器，在这种架构下，即使2个终端位于不同区域、连接不同的网关，也能互相传送数据，进一步扩展数据传输的范围。
目前大多数的网络采用网状拓扑，然而在这种网络拓扑下，往往通过节点作为中继传输，路由迂回，增加了整体网络的复杂性和耗电量。LoRa独辟蹊径，采用星状拓扑，让所有节点直接连接到网关，网关再连接至网络服务器整合，若需要与其他终端节点沟通，也是经由网关传输，如图2-8所示。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]