运营商角度的物联网技术发展应用浅析

【摘 要】为了促进物联网产业的发展，寻找电信运营商的物联网商机，在分析国内外物联网系统研究的基础上，讨论了物联网相关的技术范畴、关键理论和技术瓶颈，着重从电信行业的角度，研究基于移动通信网络的物联网技术应用，探讨运营商在物联网发展所遇到的挑战，提出要抓住万物互联发展新机遇需关注的问题以及相关建议。

【关键词】万物互联 物联网 NB-IoT eMTC LPWA

[Abstract] In order to promote the development of IoT industry， look for the IoT business opportunities for the telecom operators， the technical scope， key theoretical and technical issues of the IoT were discussed in view of analysis of the IoT architecture study domestic and abroad. The paper focused on the technology application of IoT from the perspective of the communications industry， addressing serious challenges in embracing the IoT development， and giving suggestions of concerned problems to catch the opportunity IOE development.

[Key words]IoE IoT NB-IoT eMTC LPWA

1 引言

信息领域正发生着由互联网到物联网的新一轮技术革命，电信业也开始步入物联网阶段，新阶段有望给传统客户群增长放缓的移动运营商带来新的收入来源。然而物联网产业相对复杂，具有领域广泛、主体众多、专业性强等特征，呈现出一个令人困惑的格局，许多一度被认为是不同行业的公司开始争夺相同的客户和资源。本文从电信行业角度出发，分析运营商关注的物联网技术的发展和应用，探讨运营商在物联网发展中的布局。

文章主要关注3个方面的内容：

（1）物联网的定义和技术范畴界定。根据国内外近年大量对于物联网深入系统研究的相关工作分析，较为准确地把握物联网定义和技术范畴，以及其未来发展方向。

（2）物联网技术应用研究。物联网市场和技术研究领域有许多值得深入探讨的问题，万物互联市场应用业务种类繁多，产业界各方协力推动物联网相关技术的商业进程。但同时本文对最新的理论和技术研究进行梳理，着重从电信行业的角度讨论基于移动通信网络的物联网技术应用研究。

（3）电信运营商在物联网发展中创造服务新价值。探讨运营商如何应对物联网发展所带来的挑战，抓住万物互联发展新机遇的一些问题。

2 基于移动通信网络的物联网技术应用

物联网理论和技术研究领域有许多值得深入探讨的问题，这里主要从电信行业的角度，讨论基于移动通信网络的物联网技术应用研究[1-5]。

2.1 技术比较与选择

物联网业务种类繁多，难以以单一技术满足[6-8]，按网络性能和覆盖要求，物联网的无线通信技术大致可划分为高/低速率、短/长距离四个象限分布：一类象限是Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等短距离通信技术；二类象限是LPWAN（Low-power Wide-Area Network，低功耗广域网），即广域网通信技术，LPWA又可分为两类：一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术，另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的2G/3G/4G蜂窝通信技术，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等；三类象限是传统的2G/3G/4G蜂窝技术；而4G拓展演进和5G技术发展涉及了四个象限。事实上，四个象限的技术涉及范围相互交织，如图1所示：

面对各种兴起的物联网技术，其中长距离类业务最适合运营商网络承载。LPWA连接规模巨大，同时也存在多个通讯阵营标准的竞争，是运营商掌控入口、争夺市场的主战场，从运营商的角度上更关注3GPP主要的3种标准：LTE-M、EC-GSM和NB-IoT，分别基于LTE演进、GSM演进和Clean Slate技术。

（1）LTE-M（LTE-Machine-to-Machine）

LTE-M是基于LTE演进的物联网技术，初期在R12中被称为“Low-Cost MTC”，在R13中被称为“LTE enhanced MTC（eMTC）”，旨在基于现有的LTE载波满足物联网设备需求。LTE-M覆盖增强15 dB增益，可支持语音、高速移动（

（2）EC-GSM（Extended Coverage-GSM）

EC-GSM，即扩展覆盖GSM技术。随着各种LPWA技术的兴起，传统GPRS应用于物联网的劣势凸显。2014年3月，3GPP GERAN #62会议“Cellular System Support for Ultra Low Complexity and Low Throughput Internet of Things”研究项目提出，将窄带（200 kHz）物联网技术迁移到GSM上，寻求比传统GPRS高20 dB的更广的覆盖范围，并提出了五大目标：提升室内覆盖性能、支持大规模设备连接、减小设备复杂性、减小功耗和时延。2015年，TSG GERAN #67会议报告表示，EC-GSM已满足五大目标。GERAN将继续研究EC-GSM，直到R13 NB-IoT标准冻结。

（3）NB-IoT（Narrow Band-Internet of Things）

2015年8月，3GPP RAN开始立项研究窄带无线接入全新的空口技术，称之为“Clean Slate CIoT”。NB-IoT技术并不基于GSM，而是一种Clean-Slate方案。

NB-IoT是3GPP R13阶段LTE的一项重要增强技术，射频带宽可以低至0.18 MHz。目前基于LTE FDD系统对NB-IoT的支持，标准已完成大部分，预计将于2016年6月冻结；标准上TD-LTE系统暂不支持NB-IoT技术。NB-IoT的物理层设计也大部分沿用LTE系统技术，如上行采用SC-FDMA，下行采用OFDM。高层协议设计沿用LTE协议，针对其小数据包、低功耗和大连接特性进行功能增强。核心网部分基于S1接口连接，支持独立部署升级两种方式。

NB-IoT是NB-CIoT和NB-LTE两种标准的融合。NB-CIoT是由华为、高通和沃达丰联合提出，NB-LTE是由爱立信、诺基亚、中兴、三星、英特尔、MTK等厂家提出。NB-CIoT提出了全新的空口技术，相对来说在现有LTE网络上改动较大，是六大Clean Slate技术中唯一满足TSG GERAN 67#会议中提出的五大目标的蜂窝物联网技术，特别是NB-CIoT的通信模块成本低于GSM模块和NB-LTE模块。而NB-LTE更倾向于与现有LTE兼容，其主要优势在于容易部署。最终，在2015年9月的RAN 69#会议上协商统一形成NB-IoT，平衡了各方利益，并适用于更广泛的部署场景。

传统的蜂窝移动通信技术在物联网应用场景下面临着几大挑战，主要包括：1）网络覆盖范围小；2）终端电池寿命短；3）达不到深度覆盖而影响业务质量；4）模组成本居高不下。而NB-IoT技术具有广覆盖（20 dB增益）、低功耗（10年电池寿命）、大连接（50k连接数每小区）和低成本（模组成本降至5美元以下）的优点，成为运营商低速低功耗物联网建设的技术首选。第三方分析公司Machina预测，NB-IoT未来将覆盖25%的M2M连接。

另外，基于标准的3GPP蜂窝技术并不是物联网的唯一解决方案。低功耗广域（LPWA）领域还有Sigfox和LoRa等专有系统在与蜂窝技术展开竞争。基于标准的解决方案相比专有解决方案的优点在于标准规模和许可的频谱使用：基于标准的解决方案出自3GPP标准，3GPP为GSM、 UMTS和LTE等移动技术设立全球标准；基于标准的解决方案使用获得许可的频谱，而专有系统与Wi-Fi、Bluetooth和ZigBee一样，使用未经授权的频谱。

2.2 应用场景及进展

物联网业务种类繁多，存在多种解决方案[9-12]，各种物联网应用要求和技术的选择影响服务质量（QoS）、成本效率和其他指标。而从物联网通信要求看，大概可归纳为如下几点：1）上行链路和下行链路的数据传输速率的要求；2）物联网应用覆盖范围要求；3）物联网应用所需的时延范围要求；4）物联网应用中连接物联网设备的数量要求；5）物联网设备的电池要求；6）内容安全维护的要求。

从物联网连接分类看，大致可分为3类主要应用场景，如表1所示。

万物互联已成为全球运营商积极布局的重要战略方向，主流运营商将IoT产业作为营收增长的新引擎。Vodafone自建并运营了全球第三大M2M平台（GDSP）；AT&T推出了一个基于云的数据存储服务M2X，以及一个用来为物联网世界构建应用的开发门户网站“Data Flow”，重点布局车联网、物流跟踪管理等业务；SK Telecom2016年计划在全国范围部署基于LoRa协议的LPWA网络。我国三大运营商也开始发力物联网业务。

3 移动运营商策略建议

物联网的发展给运营商带来了不小的挑战。由于运营商对实体行业的了解不够，缺少相应行业专家，故对需要聚焦的垂直领域、需要发展的物联网核心业务把握不准确。二是技术方面，很多物联网业务有其自身的特性需求，包括对时延、高可靠性的要求或高并发、广覆盖的要求等，运营商作为管道和网络设施提供者，要考虑怎样才能经济有效地支撑各种各样的物联网业务。三是物联网终端方面，物联网终端的集采、渠道铺设都有很大困难，而且工业级物联网要求高，如何衡量数量与成本的关系是个大问题。四是安全方面，需要一个端到端的安全信息设计，能对系统的安全做主动的监测、修复和系统的升级[13-14]。

运营商需借助自身优势，迎接物联网发展的挑战，抓住万物互联发展新机遇，寻求新型商业模式，创造新服务价值。

（1）切入点：电信运营商需要有针对性地选择拥有现有优势的垂直行业或有高收入价值的垂直行业。

物联网的应用市场有无限可能，有针对性地选择和发展垂直行业是最紧迫的问题之一。由于许多企业希望其供应商有特定行业的知识，则电信运营商的初始焦点应该集中在拥有现有优势的垂直行业或有高收入价值的垂直行业。并且对于未有现有优势或类似购买模式经验的垂直行业来说，移动运营商应该与第三方服务和应用提供商合作，构建特定行业的解决方案。

运营商切入物联网的独特优势在于无线网络基于授权频谱，传输更具可靠性和安全性，而且运营商具有丰富的网络运维经验，可以帮助物联网业务提供商解决网络部署和维护问题。

一方面，移动运营商及其服务合作伙伴可先锁定带宽需求较高、电池寿命和模块成本不形成障碍的物联网应用，比如车联网高清视频监控等应用。首先，支持这些应用的网络和模块已经到位。其次，在物联网重点行业领域中，消费电子及汽车行业ARPU最高，占总市场份额56%，以全球生产制造、全球销售、全球部署的产业形态为主，是最有价值的市场。再次，鉴于蜂窝网络带来了低速率网络无法提供的新机会，能满足车联服务等高速安全的价值创造要求，因此运营商在车联服务这些新物联网应用的垂直行业处于有利的发展位置。

另一方面，现有LTE技术不适应带宽需求较低、且在电池寿命和模块成本方面有瓶颈的物联网应用。首先，模块还没有准备好支持相应的应用需求。其次，许多垂直行业可能已经在使用GSM模块，而GSM模块也以较长的更换周期著称，故基本没有时间窗口来取代这些模块。对于这类垂直行业，移动运营商及其服务合作伙伴需要采取更大投入推出NB-IoT等新网络建设，来规划定位于运营商级、基于授权频谱的低速率物联网市场，例如智能停车、智能抄表、智能井盖等，虽然ARPU很低，但规模很大，拥有广阔的应用前景。

特别是针对一些行业壁垒比较高的业务应用，例如在水电气热等公共事业服务和车联网领域等，建议运营商尽早参与，即使早期轻量参与收益较薄，但抢占了行业市场先机后，后期有望规模响应。

目前来看，车联网、智能家居、安防监控和智慧投资等几个垂直领域是较好的切入点。

（2）建网：物联网的发展、窄带物联网的出现促进了运营商的网络重构，运营商需积极发展窄带物联网部署，推动多网络协同。

物联网从一个碎片化市场驱动边缘的应用技术逐渐发展成为了一个互联网+的核心技术。上文介绍的物联网3类主要应用场景中市场占比最大的传感类、控制类连接的连接速率要求很低，但对功耗和成本非常敏感，且分布很广、连接数海量，现有的4G技术速率高、成本高，而2G能力弱且无法长期存在，故都无法满足LPWA业务需求。从技术能力角度看，NB-IoT最匹配LPWA业务需求，是运营商抢占窄带物联网市场的重要手段。

1）面向不同细分市场考虑网络改建或新建。NB-IoT在覆盖、功耗、成本、连接数等方面性能最优，最符合低速物联网领域的业务需求；NB-IoT无法满足对移动性及速率要求较高、数据量大、需要语音业务的应用需求，则可考虑eMTC等候选技术。内容涉及到芯片模组、无线网络、核心网络、平台的新建改造，如核心网即考虑现网升级或叠加组网；如无线网则考虑频点选择、独立新建或基于站点升级组网方案，或采用BBU集中化低成本部署等。

2）大数据分析提升物联网应用的价值。电信运营商既有平台主要还是面对通信和各个分离业务，物联网平台建设策略要考虑构建大数据运营服务基础，建设数据业务云平台，利用云计算技术，把通讯、资费、补贴、定位、上网的信息行为整合后分析，汇聚所有物联网数据，避免在NB-IoT时代被互联网公司通道化。

3）打造开放合作的平台。把物联网定义为一种在全球范围内的信息基础设施或网络，从而可以在物联网这类基础设施之上运行无数的智能应用和服务，因此不管是运营商还是设备商，一定是相互合作的关系，运营商打造物联网生产平台一定是开放的，绝对不是封闭的系统，各方合作研发，实现能力聚合、业务快速开发和部署。

4）做好系统成本评估和效益评估。NB-IoT涉及频点选择，腾频有难度，故需要新建或改造网络，会产生一定的建设风险和投入成本，则需要做好系统成本评估和效益评估。

（3）终端：引导产业研发具有低成本、低功耗、高可靠性技术优势的芯片和终端产品方案。

运营商在终端领域的工作重点主要是产业引导方面，引导研发具备低成本、低功耗、高可靠性技术优势的芯片和终端产品方案，降低应用开发的难度，关注点包括：

1）模组标准化。通过模组的标准化实现规模化，包括芯片集成化、射频前端集成化、硬件接口标准化等，降低物联网应用部署成本。

2）电池寿命长。低功耗类物联网应用要求终端续航时间长，且其应用环境复杂，则需要推动长续航电池产业发展。延长电池寿命可以通过几种不同的方法，比如简化终端（与LTE宽带调制解调器/模块相比）以及改变它们与网络通信的方式，包括只使用一条天线，从而限制终端连接到网络的间隔时间，或以较低（1 Mbps）或更低的速率来运作等。

3）功能集成化。低成本和低复杂性要求是联系在一起的，提高集成度可以降低芯片/模组的功耗和成本，也有助于降低终端和应用的研发门槛。

（4）安全：物联网连接端点无需人工干预是一个本质的变革，故需要有一个端到端的安全信息设计。

预计在未来会有大量的终端连接到互联网，物联网随时连线，并由终端驱动，不需要人工参与。物联网连接端点无需人工干预是一个本质的变革，长期无人值守的运作需要有一个端到端的安全信息设计，能对系统的安全做出主动的监测、修复和系统升级。运营商发展物联网，首先需要考虑这一基础设施可能带来的各种安全威胁，以及安全防护手段。

物联网带来的安全挑战来自多方面，可大致分为：1）规模，即管理的终端数量；2）数据量，即由大量终端传输的数据量，3）隐秘，即一个被攻击的传感器可能不会被人发现，并逐渐开始破坏活动。

因此对于运营商发展物联网在安全防护方面有以下几个关注点：

1）端到端安全传输。运营商可考虑采用网络分段（vLAN）和虚拟专用网络（VPN）等安全传输保护方式实现端到端安全传输。例如向传感器网络分配专用vLAN或多个vLAN，有助于保留住流量，然后将这些流量分配到企业网络其它区域的终端，通过VPN也可实现物联网终端“第一英里”的保护等；或可采用由SP自行完成端到端安全传输保护。

2）边界安全。使用诸如防火墙、入侵检测/预防系统（IDS/IPS）和数据丢失防护（DLP）等边缘安全产品调解物联网和其他网络之间的通信安全。可引入大数据安全管控平台解决网关及开放平台与开放网络中的业务系统间的数据访问传输安全，对数据访问进行认证和授权，检测异常行为，实现敏感数据脱敏、生成数据关联视图等。

3）终端安全加固。窄带物联网终端需考虑无人值守、能力受限等带来的安全新挑战与新需求，如机卡绑定与软件防篡改、数据的安全存储、固件系统的安全更新和特定场景下的隐私保护。

另外，运营商正努力参与标准的制定，帮助定义和推动标准采用，将这些标准融入到公司产品中，增强运营商对物联网的安全防护能力。

4 结束语

本文根据国内外近年大量的对于物联网深入系统研究的相关工作分析，对最新的理论和技术研究进行梳理，着重从电信行业的角度出发，讨论基于移动通信网络的物联网技术应用研究，探讨运营商在物联网发展中遇到的挑战，抓住万物互联发展新机遇的关注问题，提出运营商在物联网发展中的布局建议。未来物联网能否为电信业带来语音或流量级别的收入规模有待关注。

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