作者：汪伟、黄小光、张建国、李燕春
出版社：人民邮电出版社有限公司
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面向5G的蜂窝物联网(CIoT)规划设计及应用试读：
前言
物联网（Internet of Things，IoT）被公认为是继计算机、因特网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮。按咨询机构Analysys Mason预测，2020年物联网发展将进入爆发期，全球物联网设备的连接数将达到400亿；而到2030年，这个数量将超千亿，中国将超过200亿——万物互联的时代已经来临。
放眼全球，国际运营商都在酝酿自己的“大连接”战略，集体发力物联网建设。韩国的电信运营商KT计划投资1500亿韩元新建窄带物联网；英国的沃达丰公司建立了NB-IoT开放实验室，从而加速布局物联网；法国的电信公司通过搭建M2M完整系统，渗入产业链的不同环节；西班牙的电信公司通过专用物联网平台进行“智能通道建设”；日本的DoCoMo将发展M2M业务作为其重要战略的组成部分；美国的Sprint公司通过开放性发展策略推动M2M市场。而在国内，我国政府已明确大力支持蜂窝物联网发展，允许运营商可在原有频率上开展物联网业务，同时大力推进与垂直行业及地方政府的对接，设立推广平台、示范城市等。中国移动将物联网提升到了“中国移动新时期发展策略”的重要核心地位，在2016年世界移动大会——上海（MWCS）正式提出“大连接”战略，即面向未来5年，中国移动将要做大连接规模，做优连接服务，做强连接应用。基于“大连接”战略，中国移动明确提出希望在2020年实现50亿物联网连接数，并带来千亿元的营业收入目标。中国电信则在2016年集团战略中将物联网作为战略基础重点，全面布局物联网，拓展新市场，将这一蓝海市场作为中国电信全新的战略性基础业务。中国联通则选择与国内外多家物联网平台一起，积极打造云计算、大数据、物联网等创新平台的应用能力和产品升级能力，聚焦政务、教育、医卫、生态环境、旅游、工业互联网等重点行业。在不久的将来，物联网应用在工业制造、车联网、可穿戴设备、教育医疗等IoT平台层、应用层业务将成为支撑经济持续增长的重要领域。
然而，IoT接入技术的规模化部署是物联网应用落地的关键，无线接入技术处于网络层，是连接感知层收集数据的关键环节，也是物联网整个产业发展的热点。IoT无线接入技术可以分短程物联网和广域物联网：短程物联网主要指连接范围在100m左右，以无线保真（Wireless Fidelity，Wi-Fi）、蓝牙和ZigBee等通信技术为核心；广域物联网技术包括工作于未授权频段的LoRa、SigFox等，工作于授权频段下传统的2G/3G/4G/5G蜂窝技术以及3GPP专为物联网打造的蜂窝物联网（CIoT）技术标准（包括eMTC、NB-IoT技术）。在以上IoT接入技术中，面向未来5G演进的CIoT技术将是运营商大规模部署建设的重点。目前，全球CIoT网络已在多个地区大规模商用，国内也在大规模部署CIoT系统并发展5G等通信技术，给万物的广泛连接提供通信能力。此背景下，在工程应用领域，需加强针对窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）、增强机器通信（enhanced Machine-Type Communication，eMTC）（本书中统称为CIoT）网络规划、设计、工程建设方面的研究，为将来CIoT技术的大规模网络建设做好技术储备。
本书作者均是华信咨询设计研究院从事移动通信网络规划、咨询、设计和研究的技术专家，长期跟踪研究蜂窝无线网络系统标准、规范与组网技术，参与过国内CIoT规模应用建设部署，对CIoT技术有较深刻的理解。本书在编写过程中融入了作者长期从事移动通信网络规划设计工作中积累的经验和心得，可以使读者较全面地理解CIoT技术理论和网络规划、设计、工程建设等内容。
本书第一章物联网概述介绍了物联网概念、网络架构、物联网接入技术细分、蜂窝物联网技术、CIoT技术与5G的关系等。第二章非蜂窝物联网技术及应用主要介绍了非蜂窝物联网系统架构、非蜂窝无线接入技术类型、与蜂窝物联网技术对比以及各类非蜂窝短距无线通信技术的主要原理特点。第三章基于蜂窝网的物联网应用主要介绍了公用蜂窝物联网与专有物联网的区别，重点深入探讨2G/3G蜂窝系统下的窄带M2M技术解决方案以及4G增强型宽带技术解决方案。第四章CIoT标准及技术介绍主要概述了NB-IoT及eMTC两种CIoT技术的标准演进过程及定义，重点深入介绍NB-IoT系统的网络结构、频谱划分、无线帧结构、物理信道、物理层过程、覆盖增强技术等；为了更加适合物与物之间的通信，也为了降低成本，eMTC仅裁剪和优化了LTE协议，故书中只重点介绍eMTC技术独有的特点，包括窄带定义、物理信道及典型流程；本章最后部分对比分析了NB-IoT与eMTC两者的技术特性。第五章CIoT网络规划与设计介绍了无线网络规划的内容，明确了CIoT系统规划总体流程，结合两者CIoT技术定位，确定了各自的覆盖部署策略；基于CIoT技术特点，介绍了规划总体目标和频率部署的原则要求；然后重点深入介绍了CIoT系统的覆盖规划、容量规划、参数规划以及CIoT网络的无线仿真技术；最后介绍了CIoT实际工程部署，包括CIoT系统部署时对现有无线网络的影响、站址获取及利旧策略、基站建设方式、设备选型、站址改造方案、设计要求及图纸规范等。第六章CIoT业务及应用全方位地介绍了产业链发展情况、当前运营商建设试点应用情况、CIoT系统典型应用，在此基础上总结CIoT应用及业务发展应对策略。第七章演进和展望对CIoT系统未来技术融合演进、创新应用进行展望。
全书由华信咨询设计研究院有限公司总工程师朱东照统稿。汪伟编写了第一、六、七章，黄小光编写了第五章及第四章eMTC部分，张建国编写了第四章NB-IoT部分，李燕春编写了第二、三章。华信设计院专业从事移动通信网络的规划、设计与优化，在蜂窝无线网规划、咨询、设计方面具备雄厚的技术实力和丰富的实践经验。在本书的编写过程中，得到了华信多位领导和同事的大力支持，特别是余征然总经理、王鑫荣副总经理、肖清华博士、彭宇博士以及综合院夏世峰院长和赵品勇副院长的大力支持，在此表示感谢！在本书的编写过程中，还得到各大电信运营商、主设备厂商、集成应用商等单位的支持和帮助，另外，我们还参考了许多学者的专著和研究论文，在此一并致谢！
本书适合从事NB-IoT、eMTC蜂窝物联网系统规划、设计、工程建设和维护工作的工程技术人员与管理人员参考使用，也可作为高等院校移动通信相关专业师生的参考书。
由于时间仓促，加之编者水平有限，书中难免有疏漏与不当之处，恳请读者批评指正。编者2019年3月于杭州第一章 物联网概述导读本章节梳理并详细介绍了物联网概念的产生、发展、特点、网络架构和接入。物联网不是某种简单的技术或网络，是推动改变整个世界进入数字化和智能化的一系列基础平台。本书从物联网利用的网络、技术特征及应用场景这个角度出发，将物联网分为三类：蜂窝物联网CIoT、基于蜂窝网的物联网应用、非蜂窝物联网技术及应用。重点介绍了两类CIoT技术：NB-IoT和eMTC。同时，诠释了物联网和5G、互联网之间的关系。物联网平台是产业生态链构建的核心要素，也是整个产业竞争最为激烈和价值最大的环节。最后，从硬件、标准、存储、分析、应用和安全6个方面简要分析了物联网存在的问题。1.1 什么是物联网1.1.1 概念的形成和发展
物联网已经成为第四次科技革命的重要标志，在驱动国民经济各行各业转型升级方面发挥着不可替代的作用。在全球经济大变革的背景下，物联网已不再是对传统行业和企业的小修小补，而是从深层次上改变产业的生产经营方式，重塑各大企业的商业模式，也从很大程度上开始改变人们的生活方式，引发经济发展新形态。
2017年，物联网（Internet of Things，IoT）再次成为大众热点，各类媒体宣传、行业应用和解决方案层出不穷，尤其是以NB-IoT为代表的蜂窝物联网走到前台，借助全球主流统一标准优势和国家层面政策的大力支持，三大电信运营商纷纷启动大规模建网，上下产业链共同积极推动各类规模应用的落地，如智慧停车、智能抄表、自动监测等业务。
1995年，比尔·盖茨在其《未来之路》（The Road Ahead）一书中描述和展示了物联网的雏形，但真正物联网的概念和实践来自于MIT Auto-ID Center的Ashton等人于1999年正式提出的构想：在计算机互联网的基础上，利用射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）、无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）、数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“物联网”，从而把所有物品与互联网连接起来，实现智能识别和管理的目的。在这个网络中，物品（商品）能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。从Ashton提出的物联网技术、架构和目标愿景来看，着眼于静态（无源）物体（特别是商品）的连接和智能管理，所以首先应用在大型超市、仓储物流企业的物品运输和销售管理上。
2005年，国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）在突尼斯举行的信息社会世界峰会（World Summit on the Information Society，WSIS）上发布《国际电信联盟ITU互联网报告2005：物联网》（ITU Internet Reports 2005：The Internet of Things），官方首次承认并定义了物联网的概念。报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体，从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过互联网主动进行数据交换。RFID技术、传感器技术、纳米技术、智能嵌入四项技术将得到更加广泛的应用。根据ITU的设想，在物联网时代，通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器，人类在信息与通信世界里将获得一个新的沟通维度，从任何时间、任何地点的人与人之间的沟通连接，扩展到人与物、物与物之间的沟通连接。报告共有7章，内容包括了何为物联网；物联网技术支持；市场机遇；物联网面临的挑战和存在的问题；发展中国家的机遇；展望2020年的某一天和一种新型生态系统。
2008年，国际商业机器公司（International Business Machines Corporation，IBM）提出“智慧地球”的概念，建议政府在宽带网络、智慧医疗和智慧电网等新一代的智慧型基础设施方面加大投入，从而拉动就业，提升竞争力，其中，物联网就是这些智慧型基础设施中间的一个重要组成部分。IBM认为智慧地球意味着更透彻的感知、更全面的互联互通和更深入的智能化，其实这也是物联网核心的三要素：感知、网络、智能（平台+应用）。IBM认为物联网将物理世界和互联网紧密连接从而更好地管理物理世界，是信息技术（IT）和控制技术（OT）的融合，它借助数据采集技术和智能网络分析预测和优化物理世界，创造新的价值。
2010年，在第十一届全国人民代表大会第五次会议上，物联网被首次写入《政府工作报告》，并列入国家“十二五发展规划”，成为国家的重要战略性产业，物联网产业在中国正式走向前台。2013年，国务院专门出台《关于推进物联网有序健康发展的指导意见》（国家〔2013〕3号）。2017年，工业和信息化部先后颁布《物联网的十三五规划（2016—2020年）》《工业和信息化部办公厅关于全面推进移动物联网（NB-IoT）建设发展的通知》《中华人民共和国工业和信息化部公告2017年第27号》等一系列关键性、纲领性的政策文件，将我国物联网产业从初期的感知为主、区域性发展推向全网性、全面爆发式发展。1.1.2 物联网的定义
从字面理解，所谓的物联网就是将所有物体联接起来的网络，不同于现有的互联网（联接计算机为主）和移动通信网（联接手机/智能终端为主），物联网联接的主体是非智能化的物体或设备，绝大多数的物体本身属于静态无源型。根据ITU的定义：物联网是基于现有的/演进的可互操作的信息通信技术，通过互联（物理和虚拟）物件提供先进服务的全球信息社会基础设施，其中虚拟物件是在信息世界可存储、处理和接入的内容，如多媒体内容和应用软件等。物联网主要解决物品与物品（Thing to Thing，T2T）、人与物品（Human to Thing，H2T）、人与人（Human to Human，H2H）之间的互连，着重是连接并使能Things。业界还经常会提及另外一个概念M2M，它包含了3个方面的含义：人到人（Man to Man）、人到机器（Man to Machine）、机器到机器（Machine to Machine）。从本质上看，M2M可以说是物联网的一个子集，Things包含Machine的概念。
物联网必须和计算机、互联网、电子信息技术充分相结合，才有可能实现物体与物体之间关于环境、状态等信息的实时共享，以及智能化的收集、传递、处理和执行。物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息的承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络。
物联网包含了以下几层关键步骤：
• 识别物体，将物体有价值的物理特性转换为数字信号，或者有源物体能够直接提供数字信号；
• 联接物体，表征物体特性的数字信号可通过各类网络传输手段采集上传，也可接受下发的控制信号并做出响应；
• 处理数据，收集的数据集中到数据中心进行统一分类处理，提高数据价值；
• 应用数据，集中处理后的数据会被深度加工，提炼出各类应用，从而更好地管理、利用物体，服务于社会。
综上所述，本书认为物联网本质是扩充了互联网和通信网的触角和内涵，将所有的物体接入到网络中，形成人与物、物与物、物与数据之间的信息交互和影响，同时针对不同物体数据特别的特性和用途，采用特定的网络连接、数据处理和应用实现方法，从而实现物体的数字化、自动化、智能化处理。物联网不仅仅是一种网络形态，也是特定的业务和应用，是二者的有机结合体。从技术标准化的角度来看，物联网是全球信息社会的基础设施，以物质互连（物理和虚拟）的方式，在现有和新兴互操作信息通信技术（ICT）的基础上提供先进的业务和应用。
本文从物联网利用的网络、技术特征及应用场景出发，将物联网分为以下三大类。
蜂窝物联网（Cellular Internet of Things，CIoT）：基于蜂窝网的专用物联网技术，以及搭建的网络、平台和应用。
基于蜂窝网的物联网应用：指基于2G/3G/4G等蜂窝网的特性而开展的物联网应用，不是专用技术和网络，也没有基于物联网应用的特殊性而对网络架构、技术做特别的处理。
非蜂窝物联网技术及应用：泛指所有不是基于蜂窝网的物联网技术和应用。基于技术特征可以分为两种：一种是专用物联网技术，如远距离（Long Range，LoRa）、SigFox（法国的一家公司，其技术主要用于低功耗物联网）、ZigBee（紫蜂协议）等，与蜂窝物联网CIoT类似；另一种是基于公用计算机技术和网络开展的物联网应用，如无线保真（Wireless Fridelity，Wi-Fi）、蓝牙（BlueTooth）等。1.1.3 物联网的特点
物联网具有全面感知物体、可靠网络传输、智能数据处理和特定应用场景四大特点。
1. 全面感知物体
物联网要将大量物体接入网络并进行通信活动，全面感知各物体的重要特性是十分重要的。全面感知是指物联网随时随地获取物体的信息，获取物体所处环境的温度、湿度、位置、运动速度、耗电量、运行数据等各种各样有价值的数据。全面感知就像人身体系统的各个感觉器官，眼睛收集各种图像信息，耳朵收集各种音频信息，皮肤感知外界温度，手指感受重量，脚步丈量出速度，所有器官协同工作才能全方位扫描外界环境。物联网正是通过射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）、各种传感器、二维码等感知设备获取物体的多方面信息。
2. 可靠网络传输
全面感知物体的数据需要通过一个可靠、安全的网络进行传输，物体接受控制信号及物体之间互通也同样需要可靠网络传输。可靠传输是物联网的一个重要特征，通过对各种无线网、有线网和互联网进行融合，将物体的信息实时准确地传递给用户。获取信息是为了对信息进行分析处理从而进行相应的操作控制，将获取的信息可靠地传输给信息处理方。可靠网络传输相当于人体系统中的神经系统，把各个器官收集到的各种不同信息传递给大脑这个中枢系统，并且将大脑做出的指示传递给各个器官。
通过各种形式的高速、高带宽的无线/有线通信工具形成可靠网络，将个人电子设备、组织和政府信息系统中收集和储存的分散的信息及数据连接起来，进行交互和多方共享，从而更好地实时监控环境和业务状况，从全局的角度分析形势并实时解决问题，可以通过多方协作远程完成工作和任务，将彻底地改变整个世界的运作方式。
3. 智能数字处理
智能数字处理是指深入分析收集到的数据，以获取更加新颖、系统而且全面的洞察来解决特定问题。这要求使用先进技术（如数据挖掘和分析工具、科学模型和功能强大的运算系统）来处理复杂的数据分析、汇总和计算，以便整合和分析海量的、跨地域、跨行业和职能部门的数据和信息，并将特定的知识应用到特定行业、特定的场景、特定的解决方案中，以便更好地支持决策和行动。这是物联网的核心，相当于人体器官中的大脑，它会根据神经系统传递来的各种信号做出决策，指导相应器官的活动。
4. 特定应用场景
物联网搭建了从底层感知、网络传输到数字信息处理的全套系统，最终是为了解决某一类或几类特定的应用场景，比如智能家居、智能抄表、智慧医疗、智慧工厂等。其实物联网从最初概念的萌芽、诞生直至发展，都紧紧围绕着应用场景，可以说物联网因应用而生，也正因为日常生活、工作和社会中各式各样的碎片化应用太多，导致物联网发展没有像互联网、移动通信网这样快速壮大，始终面临碎片化市场、多样化技术手段、解决方案需应对不同应用的困境。不同于计算机互联网和移动通信网，在物联网终端构建的行业应用中，各领域应用对信息采集、传递、计算的质量要求差异很大，系统和终端部署的环境也各不相同，特别是千差万别的工业环境。在构建具体的应用时，还需要考量技术限制（供电问题、终端体积等）和成本控制（包括建设成本和运营成本）。因此，特定应用场景是物联网的一个本质特征。1.1.4 物联网应用
目前，信息通信技术迅速发展，物联网作为信息通信技术的典型代表，在全球范围内呈现迅猛发展的态势。物联网应用涉及城市管理、智慧家庭、物流管理、零售、医疗、安全等在内的重要领域。物联网应用的普及和物联网技术的成熟推动世界进入万物互联的新时代，可穿戴设备、智慧家庭等数以百亿计的新设备接入网络。预计到2020年，全球联网设备数量将达到400亿，物联网市场规模达到1.9万亿美元。在2018年年底，全球车联网的市场规模达到400亿欧元，年均复合增长率达到25％；全球智能制造及智能工厂相关市场规模达到2500亿美元；全球可穿戴设备出货量从2014年1960万部增长到2019年1.26亿部。万物互联在推动海量设备接入的同时，将在网络中形成海量数据，预计2020年全球联网设备带来的数据将达到44ZB（Zettabyte十万亿亿字节），物联数据价值的发掘将进一步推动物联网应用呈现爆发性。随着物联网基础技术的突破，LoRa、蜂窝组网技术基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）、增强性机器通信技术（enhanced Machine-Type Communication，eMTC）、5G等技术标准不断深化成熟，连接成本不断下降，最终将迎来一个万物互联的时代。
物联网应用从接入速率和接入技术角度可以分为三大类：第一类是低速率应用，要求宽带的速率在100 kbit/s以下，主要用于智能电/水/气表，各类烟雾、温湿度等环境检测器，消防栓、物流跟踪、共享单车、智慧农业等，这类应用和物联网节点占整个物联网节点的60％；第二类是中速率应用，要求宽带的速率在1 Mbit/s以下，包括智能家居、POS等，基本上占到市场的30％；第三类是高速率应用，要求宽带的速率在10 Mbit/s以上，如视频监控，大约占市场的10％。不同速率要求的物联网应用及对应的技术如图1-1所示。图1-1 不同速率要求的物联网应用及对应技术
对于高速率的物联网应用，适合使用4G/5G或光纤接入，而对于量大面广的低速率广域应用，不但所需带宽低，而且联网时间短，使用Wi-Fi、ZigBee或蓝牙等技术要通过手机、中继网关或无线访问接入点（Access Point，AP）送到基站，数据准确率低，耗电量大，这类应用很难找到合适的接入手段。对于智能家居、M2M等中速应用也没有非常合适的接入技术。目前，接入到运营商网络的物联网终端仅有6％，低成本和低速率物联网的发展催生了蜂窝物联网CIoT技术的发展。1.1.5 物联网业务特征
1. 连接海量化
根据Analysys Mason预测，到2020年全球将有400亿物联网设备，而DHL（敦豪航空货运公司）和思科联合发布的报告则预测2020年物联网连接数将达到500亿。无论是哪种预测，物联网产业形成海量连接已成为趋势。
2. 业务碎片化
物联网业务与个人及家庭生活、工业生产深度融合，应用场景多，产业链中的终端、网络、芯片、操作系统、平台、业务等具体实现各不相同。各类应用场景的业务规模、终端功能、数据种类也存在差异，碎片化现象严重。
3. 服务开放化
物联网业务平台既有运营商平台，也有互联网或垂直行业用户自建的平台，可满足各种业务需求；同时，部分业务需要平台开放云计算、位置查询、设备状态查询、认证等必要的能力，使整个网络更加开放。因此，物联网的服务模式和传统通信的服务模式有较大不同，产业链将更长且不断产生各类新兴的商业模式，也相应地提出了新的网络信息安全需求。1.1.6 与互联网的区别
物联网与互联网的区别如图1-2所示。图1-2 物联网和互联网的区别“物联网”是在“互联网”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间进行信息交换和通信。互联网着重信息的互联互通和共享，解决的是人与人的信息沟通问题；物联网则是通过人与人、人与物、物与物的相联，解决的是物理实体世界信息化的智能管理和决策控制问题。
互联网与物联网在终端系统的接入方式也不相同。互联网用户通过端系统的服务器、台式计算机、笔记本电脑和移动终端访问互联网资源；物联网终端一般无法直接接入网络，需要无线传感器网络、RFID应用系统或通过转换为电信号发送至专用通信模块才能接入网络。
除了这些，还有更重要的一点区别就是物联网对互联网的一个巨大优势：感知层的运用。对物联网而言，信息的产生和传输在很大程度上都是主动的，人不必深入参与到信息的采集和分析中，大量不需要亲自关注的信息由设备和网络处理，从而能够将人从信息爆炸的困局中解脱出来。1.2 网络架构
目前，比较公认的物联网网络架构分为感知识别层、网络传输层和平台应用层3层，如图1-3所示。图1-3 物联网网络架构1.2.1 感知识别层
感知识别层在物联网中如同人的感觉器官对人体系统的作用，用来感知外界环境的温度、湿度、压强、光照、气压，以及人体自身的身体状况，通过采集这些信息来识别、监控物体。感知识别层包括传感器、RFID、EPC等数据采集设备，也包括在数据传送到接入网关之前的小型数据处理设备和传感器网络。感知识别层主要实现物理世界信息的采集、自动识别和智能控制。感知识别层是物联网发展的关键环节和基础部分，也是初期物联网产业链研究的重点。作为物联网应用和发展的基础，感知识别层涉及的主要技术包括RFID技术、传感和控制技术、短距离无线通信技术，以及对应的RFID阅读器研究、传感器材料技术、短距离无线通信协议、芯片开发和智能传感器节点等。
感知识别层在逻辑实体上包括了大量的传感器、控制部件（例如，开关）、测量部件（例如，电表），以及与之互联的通信部件，映射到物理实体上则是由各类终端组成，如各种IoT智能终端、RFID读写器、感知终端、传感器节点、接入网关等。各类部件既可独立完成智能感知，也可与其他部件结合进行感知并将感知的数据上报给上层业务及应用。
传感器作为一种有效的数据采集设备，在物联网感知层中扮演了重要的角色。现有传感器的种类不断增多，出现了智能化、小型化、微型化等新技术传感器。基于传感器而建的传感器网络也是目前物联网发展和研究的一个重要方向。1.2.2 网络传输层
网络传输层完成信号的传输和集中，相当于人的神经系统。神经系统将感觉器官获得的信息传递到大脑进行处理，网络传输层将感知识别层获取的各种不同信息传递到平台进行集中处理，使物联网能从容应对各种复杂的环境。目前，物联网网络传输层都是基于现有通信网和互联网建立的，包括各种无线网、有线网、接入网和核心网，主要实现感知识别层数据和控制信息的双向传递、路由和控制。通过对有线传输系统和无线传输系统的综合使用，结合ZigBee、蓝牙、Wi-Fi、Sigfox、LoRa等技术实现以数据为中心的数据管理和处理，也就是实现对数据的存储、查询、挖掘、分析以及针对不同应用的数据决策和分析。
电信运营商对物联网网络识别层定位为提供整个物联网数据传输通道及面向行业应用的业务服务，具体包括了两大方面：面向感知识别层的网络接入服务平台；面向行业应用的物联网管理及服务平台。网络接入服务平台主要依托当前移动蜂窝接入网络，包括2G/3G/4G/5G，CIoT是电信运营商针对物联网量身定制的专用网络，可实现不同速率、时延和可靠性要求的物联网业务数据的汇聚和传输，同时基于物联网专用网元向行业应用提供专网服务。物联网管理及服务平台包括连接服务管理和业务应用服务管理，连接服务管理主要基于物联网支撑管理平台提供SIM和设备的管理、运营、计费等功能，通过集成支撑管理平台和业务开放平台对行业应用服务提供API开放管理和数据管理服务。1.2.3 平台应用层
平台应用层可以理解为物联网的数据平台和业务平台：数据平台作为所有物联网终端数据的集合点，负责数据的统一存储、分析，通过标准的API接口提供给业务平台做数据调用；业务平台基于数据平台的原始数据实现各种业务逻辑，对外呈现的是服务。
平台应用层包括各行业应用解决方案和服务端口、应用基础设施/中间件和各种物联网应用。为物联网业务提供信息处理、计算等通用基础服务、能力及资源调用接口，实现物联网在众多领域的应用。逻辑实体上包括数据存储和处理部件、应用服务部件等；物理实体上包括云端数据服务器、终端应用程序等。平台应用层直接面向物联网用户，为用户提供丰富的服务功能，用户通过智能终端在平台应用层定制所需的服务，例如，查询信息、监控信息、控制信息等。
平台应用层位于物联网3层结构中的最顶层，其功能为“处理”，即通过云计算平台进行信息处理。平台应用层与感知识别层，是物联网的显著特征和核心所在，平台应用层可以对感知识别层采集的数据进行计算、处理和知识挖掘，从而实现对物理世界的实时控制、精确管理和科学决策。
平台应用层的核心功能主要有两个方面：一是“数据”，应用层需要完成数据的管理和数据的处理；二是“应用”，仅仅管理和处理数据还是远远不够的，必须将这些数据与各行业的应用相结合。例如，在智能电网中的远程电力抄表应用中，安置于用户家中的读表器就是感知识别层中的传感器，这些传感器在收集到用户用电的信息后，通过网络发送并汇总到发电厂的处理器上，该处理器及其对应工作就属于平台应用层，它将完成对用户用电信息的分析，并自动采取相关措施。
从结构上划分，物联网的平台应用层包括以下三个部分。
• 物联网中间件：物联网中间件是一种独立的系统软件或服务程序，中间件将各种可以公用的能力统一封装提供给物联网应用使用。
• 物联网应用：物联网应用就是用户直接使用的各种应用，如智能操控、安防、电力抄表、远程医疗、智能农业等。
• 云计算：云计算可以助力物联网海量数据的存储和分析。依据云计算的服务类型可以将云分为基础架构即服务（Infrastructure-as-a-Service，IaaS）、平台即服务（Platform-as-a-Service，PaaS）、软件即服务（Software-as-a-Service，SaaS）。1.3 无线接入技术
无线接入技术处于网络层，是连接感知识别层收集数据的关键环节，也是物联网整个产业发展的热点。
物联网无线接入技术种类众多，短距和长距无线通信技术。短距无线技术包括ZigBee、Wi-Fi、蓝牙、Z-Wave等。长距无线技术分为两类：包括工作于未授权频段的LoRa、SigFox等技术；工作于授权频段下传统的2G/3G/4G蜂窝技术及其3GPP支持的LTE演进技术，如LTE-eMTC、NB-IoT等。近两年受到业界关注的低功耗广域网络（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）既包括广域非授权频谱技术LoRa和SigFox，也包括授权频谱技术的LTE eMTC和NB-IoT等。物联网无线接入技术如图1-4所示。图1-4 物联网无线接入技术
各类无线接入技术基于各自的技术特征，如图1-5所示。各类无线接入技术提供不同的接入能力，适合于应用在不同场景，如图1-6所示。图1-5 各类无线接入技术性能比较图1-6 各类无线接入技术和物联网应用的关系1.4 非蜂窝制式的LPWAN
LPWAN是面向物联网中远距离和低功耗的通信需求而演变出的一种物联网通信技术。LPWAN的技术特点包括传输距离远、节点功耗低、网络结构简单、运行维护成本低。LPWAN填补了现有无线通信技术的空白，为物联网的更大规模发展奠定了坚实的基础。
如今，物联网领域的无线通信技术选择之多已经超乎想象。在一个平台上，不仅联网设备高速增长，同时，还对电池寿命和低数据速率提出了更高的要求。于是，LPWAN被视为支撑这一需求的核心要素。在LPWAN领域相继出现了多种无线通信的创新技术，这一领域的竞争愈演愈烈。物联网的世界不可能仅有一个标准，短距离与长距离多种通信技术共存是最合理和最能解决问题的手段。物联网应用需要考虑许多因素，如节点成本、网络成本、电池寿命、数据传输速率、时延、移动性、网络覆盖范围和部署类型等。
LPWAN技术又分为两大类。（1）工作在非授权频谱的非蜂窝技术，包括LoRa、SigFox等。（2）工作在授权频谱的蜂窝物联网技术，包括第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）组织定义的NB-IoT、eMTC国际标准。
以下对非蜂窝LPWAN技术做个简要介绍。1.4.1 SigFox
2009年，法国公司SigFox展示了自己的超窄带（Ultra Narrow Band，UNB）技术，被业界视为是LPWAN领域最早的开拓者。UNB技术每秒只能处理10～1000 bit的数据，传输功耗水平非常低，却能支持成千上万的连接。
SigFox无线链路使用未授权的ISM（Industrial Scientific Medical）射频频段。具体频率根据各个国家的法规有所不同，在欧洲广泛使用868 MHz，在美国使用915 MHz。SigFox网络中单元的密度，在农村地区大约为30～50 km，在城市中常有更多的障碍物和噪声影响，单元密度可能减少到3～10 km。SigFox的UNB技术使用标准的二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）的无线传输方式，采用非常窄的频谱改变无线载波相位对数据进行编码。
SigFox公司不仅是标准的制定者，同时也是网络运营者和云平台提供商，目标是与合作伙伴建造一个覆盖全球的IoT网络，独立于现有电信运营商的移动蜂窝网络。目前，SigFox在欧洲已经部署了不少网络。1.4.2 LoRa
LoRa（Long Range）是美国Semtech公司推广的一种超远距离无线传输方案。2013年8月，Semtech公司发布了一种基于1 GHz以下的超长距低功耗数据传输技术的芯片，接受灵敏度为-148 dBm，与业界其他先进水平的Sub-GHz芯片相比，最高的接收灵敏度改善了20 dB以上，这确保了网络连接的可靠性。LoRa使用线性调频扩频调制技术，工作在非授权频段，数据传输速率为0.3 kbit/s～37.5 kbit/s。LoRa还采用了自适应速率（Adaptive Data Rate，ADR）方案来控制速率和终端设备的发射功率，从而最大化终端设备的续航能力。
LoRa与Sigfox最大的不同之处在于LoRa是技术提供商，不是网络运营商，谁都可以购买和运行LoRa设备，LoRa联盟也鼓励电信运营商部署LoRa网络。1.4.3 Weightless
Weightless是由一个非营利全球标准组织Weightless特别兴趣小组（Weightless Special Interest Group，Weightless SIG）提出的技术。与LoRa、SigFox类似，Weightless也是一种专为物联网设计的无线技术。Weightless既可以工作在Sub-GHz免授权频段，也可以工作在授权频段，其通信距离可以达到10 km。Weightless有Weightless-N、Weightless-P和Weightless-W三个不同的开放标准：如果考虑成本，可选择单向通信的Weightless-N；如果考虑高性能，可选择双向通信Weightless-P；如果当地TV空白频段可用，可选择Weightless-W。1.4.4 RPMA
随机相位多址接入技术（Random Phase Multiple Access，RPMA）是由美国Ingenu公司开发的。RPMA技术工作在2.4 GHz免授权频段，支持全双工通信，这点是比SigFox和LoRa有优势的地方：SigFox采用的是单向传输，LoRa采用的是半双工的通信方式。Ingenu为开发人员提供了收发器模组，可以连接到RPMA网络，这个网络是由Ingenu公司及其合作伙伴在全球范围内建立的网络，这与SigFox比较类似。RPMA网络将来自终端节点的信息转发至使用者的IT系统，RPMA也可适用于想要搭建私有网络的客户人群。1.5 蜂窝物联网
不同于以往2G/3G/4G兼带提供物联网连接功能，CIoT是基于移动通信网络的专门开发的物联网技术标准体系，主要有NB-IoT技术、eMTC技术以及将来的5G海量机器类通信（massive Machine Type of Communication，mMTC）技术。NB-IoT和eMTC面向不同的应用场景，具有互补性。NB-IoT侧重在低成本、广覆盖、大连接和长续航，而eMTC满足语音通话、中带宽速率、移动性的物联网应用需求。NB-IoT和eMTC都是面向5G的mMTC场景的初级阶段，是未来走向5G物联网的基础。
根据物联网垂直应用领域的发展需求，全球各大电信运营商倾向于支持3GPP所提出的NB-IoT技术。由于其使用授权频段，并且可以在现有的蜂窝网络上快速部署NB-IoT，对运营商而言，可以节省部署成本并快速整合现有的LTE网络，是全球大多数电信运营商的中意之选。1.5.1 NB-IoT
NB-IoT是NB-CIoT（华为、Vodafone、高通、Neul联合提出）和NB-LTE（爱立信、诺基亚）的合体，也被称为Cat-NB1。基于蜂窝的NB-IoT成为万物互联网络的一个重要分支，只消耗200 kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本，实现平滑升级。
NB-IoT聚焦于低功耗广覆盖（LPWAN）的物联网市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术，具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点，既克服了传统物联网技术碎片化、局部应用、难以规模应用的缺点，又解决了传统移动2G/3G/4G技术用于物联网功耗大、成本高、系统容量限制的问题。NB-IoT使用授权频段，可采取带内、保护带或独立载波三种部署方式，与现有网络共存。
NB-IoT具有以下特点。
• 频谱窄，只消耗200 kHz的带宽。
• 终端发射窄带信号提升了信号的功率谱密度，提升了信号的覆盖增益，提高了频谱的利用效率。
• 相同的数据包重复传输也可获得更好的覆盖增益。
• 降低了终端的激活比，降低了终端基带的复杂度。
• NB-IoT具备广覆盖、海量连接、更低功耗、更低芯片成本的四大优势。
• NB-IoT基于现有蜂窝网络的技术，可以通过升级现网来快速支持行业市场需求，成为GSM/UMTS/LTE网络上的第四种模式。
NB-IoT具有与其他的非蜂窝低功耗广覆盖（Low Power Wide Area，LPWA）技术LoRa、Sigfox没有的优势。
• 可以重用现网资源，支持广覆盖。
• 标准化技术，支持切换，移动性好。
• 产业链丰富。
• 20 dB+增益（vs GSM）。
• 授权频段，抗干扰性好。1.5.2 eMTC
eMTC在3GPP R13中命名是LTE-M（LTE-Machine-to-Machine），它是基于LTE演进的物联网技术，在R12中被称为Low-Cost MTC，在R13中被称为LTE enhanced MTC（eMTC），即Cat-M1，旨在基于现有的LTE载波满足物联网设备的需求。
eMTC作为窄带蜂窝物联网主流网络制式标准之一，与非蜂窝物联网相比同样具备了LPWAN基本的功耗低、海量连接、覆盖广、成本低、专用频段干扰小的能力。
1. 功耗低
终端续航时间长，目前2G终端待机时长仅20天左右，在一些LPWA典型应用如抄表类业务中，2G模块显然无法符合特殊地点如深井、烟囱等无法更换电池的应用要求。而eMTC的耗电仅为2G Modem的1％，终端待机时间理论上可达10年。
2. 海量连接
满足“大连接”应用需求，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，而eMTC可支持每小区超过1万个终端。
3. 覆盖广
eMTC比LTE增强15 dB（可多穿一堵墙），比GPRS增强了11 dB，信号可覆盖至地下2～3层。
4. 成本低
目前，智能家居应用主流通信技术是Wi-Fi，Wi-Fi模块虽然本身价格较低，已经降到10元以内了，但支持Wi-Fi的物联网设备通常还需无线路由器或无线AP做网络接入、或只能做局域网通信。2G通信模块一般在20元以上，而4G通信模块则要150元以上，相比之下，eMTC终端有望通过产业链交叉补贴，不断降低成本。
5. 专用频段干扰小
相对非蜂窝物联网技术，eMTC基于授权频段传输，干扰小，安全性较好，能够确保信号的可靠传输。1.5.3 二者关系
蜂窝物联网CIoT的两种制式eMTC与NB-IoT，应该选择哪种网络制式，业内一直争论不休。其实双方各有技术优势，同时又有合作的基础，很多时候比拼的是谁的模组芯片成本下降得更快，谁的商用化程度更高，以及谁的网络建设更完善。
2017年6月，在3GPP第76次全会上，业界就移动物联网技术（包括NB-IoT和eMTC）Rel.15演进方向达成了相关共识：不再新增系统带宽低于1.4 MHz的eMTC终端类型；不再新增系统带宽高于200 kHz的NB-IoT终端类型。
3GPP的这一决议推动了CIoT的有序发展，使eMTC与NB-IoT彻底划分开了应用界限，转为了混合组网、差异化互补的合作关系，二者在技术和应用上的主要区别如下。
1. 从技术层面看两者的关系
NB-IoT和eMTC（即LTE-M）作为CIoT的两种主要承载技术，同属3GPP标准内的LPWA技术，两者的标准化进程、产业发展、实际应用等也几乎是齐头并进的，两者有很多相似之处。NB-IoT与eMTC技术特点及参数差异对比，见表1-1。表1-1 NB-IoT和eMTC技术特点及参数差异
在峰值速率上，NB-IoT对数据速率支持较差，只为200 kbit/s，而eMTC能够达到1 Mbit/s；在移动性来看，NB-IoT由于无法实现自动的小区切换，因此几乎不具备移动性，eMTC在移动性上表现更好；在语音上，NB-IoT不支持语音传输，而eMTC支持语音传输；在终端成本上，NB-IoT由于模组、芯片制式统一，现已降至5美元左右，但是eMTC目前的价格仍然偏高，且下降缓慢；在小区容量上，eMTC没有进行过定向优化，难以满足超大容量的连接需求；在覆盖程度上，NB-IoT覆盖半径比eMTC大30％，eMTC覆盖较NB-IoT差9 dB左右。NB-IoT在覆盖、成本等方面性能更优，最符合LPWA类业务需求，但难以满足中高移动性、中高速率、语音等业务需求。eMTC在覆盖、成本方面弱于NB-IoT，优势是峰值速率、移动性、语音能力适用于其他对峰值速率、移动性有要求的业务。因此，NB-IoT与eMTC既相互竞争，又相互补充。
2. 从应用场景看两者的混合组网
从双方的技术特征可以看出，NB-IoT在覆盖、功耗、成本、连接数等方面具有优势，通常使用在追求更低成本、更广覆盖和长续航的静态场景下；eMTC其在覆盖及模组成本方面目前弱于NB-IoT，但在峰值速率、移动性、语音能力方面存在优势，更适合应用在有语音通话、高带宽速率以及有移动需求的场景下。在真实的市场使用场景中，双方可以形成互补关系。
有预测数据显示，NB-IoT由于其低成本、广覆盖的特征，连接数量与eMTC相比是8:2的关系。但相对来说，eMTC网络下的应用场景更加丰富，应用与人的关系更加直接，eMTC网络环境下用户的ARPU值会更高。NB-IoT与eMTC混合组网的解决方案应用场景将更加丰富，如图1-7所示。图1-7 NB-IoT和eMTC相互补充
NB-IoT技术应用涉及静态场景，如智能抄表、智能开关、智能井盖等。但NB-IoT/eMTC混合组网后，将涉及更多交互协同类的物联网应用，如产品全流程管理、智能泊车、融资租赁、智慧大棚、动物溯源、林业数据采集、远程健康、智能路灯、空气监测、智能家庭等，因此，NB-IoT与eMTC同步推进可满足解决多场景的综合需求。
NB-IoT与eMTC由于应用场景的不同，运营商会选择将两者协同，共同做大产业链，不断拉动消费升级，为B端厂商提供更多不受技术限制的应用场景，让C端用户提升体验，激发用户的刚性需求，并为5G与各行业的融合发展打下基础，这才是未来NB-IoT与eMTC的融合发展之路。1.6 5G和物联网
移动通信网络从2G到4G都是面向人的连接，5G将扩充到人与物和物与物的连接，可以说5G和物联网是密不可分的。5G定义了eMMB（增强移动宽带）、uRLLC（超可靠低时延通信）、mMTC（海量机器类通信）3种业务场景：eMMB对应的是3D/超高清视频、VR/AR等大数据量、流媒体业务，其下载速率可达到1 Gbit/s，峰值速率可以达到20 Gbit/s以上；mMTC对应的是大规模物联网业务，5G的目标是在一平方千米内要做到100万个传感器的数据能够联网；uRLLC支撑的是无人驾驶、车联网、工业自动化等需要低时延和高可靠连接的业务。mMTC和uRLLC都是为了满足物物互联需求而设计的，eMMB更多的是与人的体验有关，但其VR和AR的应用也与物联网紧密结合，VR/AR借助头盔中的陀螺仪和运动传感器可跟踪头和手及身体的位置，头盔中显示的内容可以随使用者的视角或手势操控而做相应变化，用户通过感官能更好地融入界面中，加速互动并做出更好的判断，动画、声音、视频等实时仿真也可被纳入到虚拟场景中，交互性、情景化、现实性和逼真的沉浸度使用户有置身虚拟世界的体验。满足上述场景的应用面临最大的挑战就是如何完美达到高带宽、大连接和低时延及高可靠性，对于物联网应用还要关注低功耗和低成本。
5G和物联网是什么关系？物联网是一个较为宽泛的应用，接入方式可以使Wi-Fi、蓝牙、移动网络，移动网络又包括2G/3G/4G/5G，5G网络是物联网的接入方式之一。5G网络的设计更符合物联网所需要的基本特性，不仅体现在高带宽、低时延的“增项能力”，更具有低能耗、大连接、深度覆盖的低成本优势。寄托千亿链接的NB-IoT，也是5G的网络标准之一，5G的发展必会推动物联网的发展。1.7 物联网平台
当前物联网产业已经度过了企业自由生长为主的早期阶段，巨头企业围绕产业生态主导权展开竞争，加强战略性布局，加速推动产业整合。在物联网“碎片化”的发展阶段，企业之间的竞争主要在特定产业环节针对产品技术、价格和质量以“点对点”的形式展开，如围绕同类终端设备的制造商之间的竞争、围绕同类网络服务的运营商之间的竞争、围绕同类应用的软件开发商之间的竞争。当前，面向芯片、操作系统、网络服务、物联网平台和应用开发等关键环节，以IBM、苹果、GE、亚马逊、谷歌、华为、阿里等为代表的各大巨头企业积极开展跨环节的链式布局，产业竞争已转变为生态链之间跨行业、跨环节的综合整合能力的竞争，未来，巨头企业将进一步发挥产业整合的能力，依托关键环节布局打造生态核心，聚合中下游中小企业形成产业阵营价值竞争的格局。
物联网平台是产业生态链构建的核心要素：一方面，面对碎片化的物联网市场格局，构建开放共享、合作共赢的产业生态已成为产业界共识；另一方面，包括终端侧芯片、传感器、操作系统和边缘计算，网络侧的低功率广域网连接和短距离连接，应用侧的物联网平台和应用，以及作为共性基础的标准体系和开源社区等，构建物联网产业生态的关键环节和基础要素已经完备且不断发展成熟。在产业价值不断向软件和基于数据的服务转移的大趋势下，物联网平台凭借其对产业链上下游企业整合，促进开放应用发展的关键作用，成为产业生态构建的核心要素。当前，IT软件服务商、垂直行业、互联网企业、电信领域四大阵营均围绕物联网平台，依托各自优势，从不同切入点展开产业生态建设。（1）电信领域：以移动、联通、电信、华为、新华三为代表的电信运营商和电信设备商。（2）互联网领域：阿里、腾讯、百度、小米等。（3）IT软件服务领域：IBM、微软、PTC等。（4）垂直行业领域主要分为以下两个部分：
• 以三一重工、GE、西门子等为代表的工业类企业；
• 以基本立子、普奥、涂鸦智能、寄云科技等为代表的创业企业。
各类物联网平台，见表1-2。表1-2 各类物联网平台
电信运营商发挥连接优势，立足通信管道构建生态。得益于广阔的网络覆盖与生产或认证提供连接能力的物联网通信模块，电信运营商以M2M应用为核心着手布局物联网平台生态。开放平台能力成为电信运营商构建生态的一个主要策略，美国Verizon推出Thing Space平台，通过简易自助式服务界面面向开发者提供诸多免费的APIs和与配套件捆绑的硬件，简化物联网应用的开发和部署。美国AT&T向合作伙伴提供M2X、Flow、Connection Kite等平台服务，开放网络、存储、测试、认证等能力。中国移动从2014年就推出自主研发的One NET平台，向合作伙伴提供开放的API、应用开发模板、组态工具软件等能力，帮助合作伙伴降低应用开发和部署成本，打造开放、共赢的物联网生态系统。2017年，中国移动又发布自主研发的全球最大规模的物联网连接管理平台CCMP 3.0版本，该平台是由中国移动历时5年自主研发、逐步演进而来的新一代物联网连接管理平台。全新的CCMP 3.0主要提供业务运营能力、应用集成能力、国际业务拓展能力、NB-IoT能力和安全防护能力。其中，业务运营、应用集成和安全防护三个能力是在2.0版本的基础上进行了完全的内核更新，演变成全新的业务能力；国际业务拓展和NB-IoT两大能力是新上线的，为企业客户拓展跨国业务以及更丰富的物联网业务场景提供了新的可能。中国电信物联网开放平台于2012年推出，现在支持超过25家电信运营商和超过2000家企业用户，并且成为爱立信IoT加速器平台的一部分。该平台由连接管理、应用使能和垂直服务三大板块构成，全球化、安全可信的端到端服务贯穿始终。该平台具备三大优势：一是全球连接、一点服务；二是开放创新、安全可信；三是数据感知、智能决策。中国电信将依托物联网开放平台，借鉴行业经验，整合内部资源，联合全球合作伙伴，打造产业核心竞争力，共创商业价值。
此外，聚合行业应用的领军企业，促进终端、网络和平台的协同发展成为电信运营商构建生态的另一个主要策略。AT&T瞄准车联网、智慧城市、家庭连接、商业连接、智能设备和智慧医疗六大应用领域，成立车联网研究室，先后与Maersk船舶公司、红牛、BD医疗、Otis电梯和SunPower太阳能等公司建立合作关系。Verizon收购Sensity Systems物联网创业公司加强物联网业务，力图掌控和驱动城市、大学和场馆等数字化转型。中国移动发布“物联网开放平台
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]