3.1　无线传输机制

无线传输机制是前端设备接入边缘计算网络的核心环节，终端设备一般是低功耗、低速率且能量受限的（在面向物联网的边缘计算系统中尤为明显），同时终端设备总是通过无线连接进行任务卸载，任务数据的传输效率成为了影响边缘计算整体性能的一大因素。终端设备使用的无线传输机制直接决定了该场景下任务数据的传输效率。根据构建的网络系统类型，可以将这些传输机制分为以下几类，如图3-1所示。

①无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）传输机制：无线局域网传输机制主要基于IEEE 802.11标准，目前主流的协议为Wi-Fi。

②无线个域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）传输机制：无线个域网传输机制主要基于IEEE 802.15.1标准和IEEE 802.15.4标准。其中IEEE 802.15.1标准中主要的协议为蓝牙（Bluetooth），基于IEEE 802.15.4标准的协议主要有WirelessHART、ISA 1000.11和ZigBee等。由这些协议构成的网络也称为低速无线个域网，主要工作在2.4GHz频段。

③移动蜂窝网络传输机制：采用蜂窝无线组网方式，主要特征是终端具有较高的移动性，可以灵活地跨本地网络进行自动漫游。主要技术包括3G、4G和5G等。

④低功耗广域网（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）传输机制：低功耗广域网传输机制主要包括LTE-M、LoRa、Sigfox、NB-IoT等通信技术。

3.1.1　无线局域网传输机制

无线局域网是一种利用无线技术进行数据传输的系统，该技术的出现能够弥补有线局域网络的不足，以达到网络延伸的目的。Wi-Fi是目前使用最为广泛的一种无线局域网协议，多应用于智慧家居等室内的边缘计算场景，目前由IEEE 802.11工作组进行维护和更新。

至2020年，Wi-Fi已经更新至IEEE 802.11ax标准，即Wi-Fi 6协议。最早的Wi-Fi协议（IEEE 802.11标准）由1997年正式出版，主要包含了跳频（Frequency Hopping）和直接序列扩频（Direct Sequence）两种模式，支持1Mbps和2Mbps两种速率。随后，在IEEE 802.11标准的基础上，IEEE 802.11b标准在物理层增加了高速直接序列扩频（High-Rate Direct Sequence，HR/DSSS）模式，提供5.5Mbps和11Mbps两种新的速率。2000年新推出的IEEE 802.11a首次引入正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术。2003年推出的IEEE 802.11g标准运行在2.4GHz频段上，并加上了一些协议兼容性的设计。为了改善IEEE 802.11a标准和IEEE 802.11g标准在网络流量上的不足，IEEE 802.11n标准（Wi-Fi4协议）增加了多输入多输出（Multi-Input Multi-Output，MIMO）技术，使得最大传输速率提高至450Mbps。2014年IEEE 802.11ac（Wi-Fi5协议）标准更进一步引入了多用户多输入多输出（Multi-User Multi-Input Multi-Output，MU-MIMO）技术，并提供了5GHz频段运行的支持。在IEEE 802.11ac标准中，只存在下行MU-MIMO，不支持上行MU-MIMO。IEEE 802.11ax标准（即Wi-Fi6协议）上下行都需要支持MU-MIMO。

Wi-Fi6标准不仅向下兼容此前的IEEE 802.11a/b/g/n/ac标准，还支持从1GHz到6GHz的所有ISM频段。此外，IEEE 802.11ax标准还参考了LTE中正交频分多址（Orthogonal Frequency-Division Multiple Access，OFDMA）的使用，可以让多个用户通过不同子载波资源同时接入信道，提高信道的利用率。在Wi-Fi6协议中的关键技术包括：

①正交频分多址技术，使用大量正交的子载波传输信息，从而使得多个Wi-Fi终端可以同时并行传输，减少信道的冲突，在提升传输效率的同时降低能耗。

②多用户多输入多输出技术，依靠波束赋形和多用户分集，使得路由器可以利用多根天线同时和多个终端通信，极大地扩充了网络总吞吐量和容量，提高了网络传输速度。此外，正交频分复用、信道绑定等技术也在Wi-Fi通信中起到了关键作用。

作为最为广泛使用的无线广域网协议，Wi-Fi在边缘计算的任务卸载方面具有巨大潜力。Wi-Fi接入点往往被较为密集地部署在室内，可以提供高速的数据传输服务，因此终端设备上复杂的计算任务可以被快速地卸载到边缘服务器上，以实现低延时的边缘计算任务卸载。例如在智能家居场景、智能设备会与智能网关使用Wi-Fi连接。当智能设备产生计算任务时，例如语音识别或图像识别，可以将计算任务（请求或数据）通过Wi-Fi传输至智能网关，以此降低自身能耗并提高计算效率。

3.1.2　无线个域网传输机制

无线个域网主要基于IEEE 802.15.1标准和IEEE 802.15.4标准，被广泛应用于工业物联网场景。基于IEEE 802.15.1标准的协议主要有蓝牙等，被广泛使用于智能手环、智能眼镜等智能穿戴设备上。IEEE 802.15.4只定义了物理层和媒体接入层子层的规范。基于IEEE 802.15.4标准，通过定义上层规范产生了许多协议，例如ZigBee、WirelessHART和ISA 100等，这些协议也被广泛运用于自动控制和传感器网络等应用。无线个域网可以被用于基于可穿戴设备等短距离的边缘计算场景，例如人体健康大数据监测。

1. 蓝牙

蓝牙是一种用于短距离无线通信的技术，由爱立信（Ericsson）、诺基亚（Nokia）、东芝（Toshiba）、国际商用机器公司（IBM）和英特尔（Intel）成立的蓝牙特别兴趣小组（Special Interest Group）于1998年提出。随着蓝牙技术不断得到行业的认可和推广，该特别兴趣小组不断壮大，现已成为由超过36 000家公司组成的全球技术联盟，即蓝牙技术联盟（Bluetooth Special Interest Group），同时蓝牙技术标准也得到了不断更新和升级，至2020年已经发展到蓝牙5.2版本。

如图3-2所示，蓝牙1.0版本于1999年推出，为两个蓝牙设备提供相互连接和通信的服务，确定蓝牙设备的工作频段为2.4GHz频段。2001年蓝牙1.1版本推出，并被正式列入IEEE 802.15.1标准，由IEEE 802.15.1标准定义蓝牙的物理层和媒体访问控制层。随后，蓝牙2.0版本提供了支持多种蓝牙设备运行的能力，并且支持双工的工作模式，可以在传输音频的同时进行文件传输，大幅度提高了数据传输率。蓝牙2.1版本在此基础上又增加了省电功能，降低了蓝牙设备的功耗。蓝牙3.0版本引入AMP（Generic Alternate MAC/PHY）技术并兼容了IEEE 802.11标准，允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择所使用的射频技术，更进一步提高了数据传输率并降低了设备功耗。

为了满足更多种类的低功耗物联网设备的通信需求，2010年提出的蓝牙4.0版本是迄今为止第一个蓝牙综合协议规范。它提出了低功耗蓝牙、传统蓝牙和高速蓝牙三种模式，在传输距离、响应速度和安全性方面均得到了大幅提高，能耗得到进一步降低。蓝牙4.1版本更进一步为蓝牙技术在物联网领域的发展铺平了道路。支持蓝牙4.1版本的蓝牙设备可以在扩展设备和中心设备间切换，从而能实现设备之间的自主收发数据，例如使用蓝牙的智能手环和智能手表能直接进行数据交换，而不需要手机或者电脑等第三方的帮助。蓝牙4.2版本可以看作蓝牙拥抱物联网的一个里程碑版本，在4.1版本的基础上改善了传输速率，加强了隐私保护，并且支持另一个无线个域网协议——6LoWPAN协议，支持蓝牙4.2版本的蓝牙设备可以通过6LoWPAN协议，利用IPv6地址接入互联网，使得蓝牙智能设备能够更加便捷地接入互联网。

蓝牙5.0版本针对物联网设备的需求进一步进行了优化，以求更好地为智能家居场景服务。在低功耗模式下其理论传输速率达到2Mbps，理论有效传输距离可达300米，且支持室内导航定位，结合Wi-Fi定位精度可达1米以内。蓝牙5.1版本进一步强化了定位功能，使用波达角（Angle of Arival，AoA）和发射角（Angle of Departure，AoD）精确计算蓝牙信号波的到达方向，可以实现厘米级的定位精度。蓝牙5.2版本引入了增强型ATT协议（Enhanced Attribute Protocol）、低功耗音频蓝牙（Low Energy Audio）和低功耗同步信道（Low Energy Isochronous Channels），进一步降低蓝牙在音频传输方面的能耗。

低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy，BLE）由蓝牙特别兴趣小组提出，其目标场景包括医疗保健、数据安全和家庭娱乐等。该规范于2009年12月被集成到蓝牙4.0版本中。与经典蓝牙相比，BLE旨在保障通信质量和通信范围的同时显著降低功耗和成本，包括iOS、Android、Windows Phone和BlackBerry在内的移动操作系统以及MacOS、Linux、Windows 8和Windows 10等主机系统都支持低功耗蓝牙。

BLE与经典蓝牙技术在相同的频谱范围（2.400～2.4835GHz ISM频段）内运行，但使用不同的信道集。BLE具有40个2MHz信道，而不是经典蓝牙的79个1MHz信道，在信道内，数据使用高斯频移调制进行传输，类似于经典蓝牙的基本方案，比特率是1Mbps（在蓝牙5.0版本中为2Mbps），最大发射功率是10毫瓦（在蓝牙5.0版本中为100毫瓦）。BLE使用跳频来解决窄带干扰问题，并使用分层数据结构来定义信息交换结构，从而支持大量设备同时接入边缘计算系统当中。

2. IEEE 802.15.4标准

IEEE 802.15.4标准定义了低速率无线个域网（Low Rate Wireless Personal Area Network，LR-WPAN）的物理层和媒体访问控制层，被广泛使用于工业控制、工业物联网等领域。以IEEE 802.15.4标准中的物理层和媒体访问控制层为基础，通过开发其未定义的上层，得到了许多完备的通信规范，例如ZigBee、WirelessHART和ISA100.11a等。这些通信规范服务于低功耗的设备通信与组网要求，也具备轻量级计算任务卸载的能力。

LR-WPAN是一种简单的低成本通信网络，可在功率有限且吞吐量要求宽松的应用中实现无线连接。LR-WPAN的主要特点是易于安装，具有可靠的数据传输、极低的成本以及较长的电池寿命，同时可以保持简单灵活的协议。IEEE 802.15.4标准网络主要包含两种不同的设备类型：全功能设备（Full Function Device，FFD）和简化功能设备（Reduced Function Device，RFD）。FFD是一种能够充当个人局域网（Personal Area Network，PAN）协调器的设备，协调器是PAN的控制器，负责网络中的基本功能控制。RFD无法充当PAN协调器的设备，适用于极其简单的应用，例如电灯开关或无源红外传感器，不需要发送大量数据，一次只与一个FFD相关联，因此RFD可以通过最少的资源和存储容量来实现。

低功耗的无线信号传播不存在定义明确的覆盖区域，因为传播特性是动态且不确定的，位置或方向的微小变化通常会导致通信链路的信号强度或质量出现巨大差异。无论设备是静止的还是移动的，这些影响都会存在，因为环境中移动的物体本身就会影响信号的传播。因此，为简化标准，IEEE 802.15.4标准的体系结构是由多个层来定义的，每一层负责IEEE 802.15.4标准的一部分，并为更高层提供服务。多层之间的接口用于定义IEEE 802.15.4标准中描述的逻辑链接。LR-WPAN设备至少包括射频（Radio Frequency，RF）收发器及其低级控制机制以及MAC层，该MAC层为所有类型的传输提供对物理信道的访问接入控制。

IEEE 802.15.4标准有以下几个主要特点：可选择250kbps、40kbps和20kbps的数据速率；两种寻址方式为16位和64位IEEE寻址；支持关键延迟设备；CSMA/CA信道接入；自主组建网络；确保传输可靠性的全握手协议；确保低功耗的电源管理；2.4GHz ISM频段中的16个信道，915MHz频段中的10个信道和868MHz频段中的1个信道。

①ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准规范的一组高级通信协议，用于低功耗数字无线通信创建的小型个域网络，例如家庭自动化、医疗设备数据收集和其他低功耗低带宽需求、需要无线连接的小型项目等，包括家庭能源监控、交通管理系统以及其他需要短距离、低速率、无线数据传输的场景。ZigBee的低功耗取决于功率输出和环境特性，其传输距离通常在视线范围（10～100米）内。ZigBee设备可以通过自组织网络层层转发的方式将数据传递到更远的设备上，从而实现远距离的数据传输。ZigBee通常用于需要较长电池寿命和安全网络的低数据速率场景中，通常采用低占比的间歇性数据传输。

②WirelessHART［4］使用与Wi-Fi相同的2.4GHz频段作为多种无线通信技术的传输介质。但WirelessHART使用平面网状网络，其中所有无线设备组成一个网络，WirelessHART网络架构如图3-3所示。每个参与的基站同时充当信号源和中继器，发送端向其最近的邻居设备发送一条消息，后者将消息继续传递，直到该消息到达基站和目的接收端为止。另外，WirelessHART在初始化阶段设置备用路由，如果由于障碍物或接收器故障而无法在特定的路径上发送消息，消息则会自动传递到备用路由。因此，除了扩展网络范围外，扁平网状网络还提供了冗余的通信路径以提高可靠性。无线网络中的通信与时分多址技术（Time Divided Multiple Access，TDMA）进行协调，TDMA在10毫秒的时间内同步网络中的参与设备，以建立可靠、无冲突的网络。为了避免干扰，WirelessHART还使用跳频扩频（Frequency Hopping Spread Spectrum，FHSS），并行使用IEEE 802.15.4标准中定义的所有15个信道，在这些信道之间进行跳频传输，以避免与其他无线通信系统发生冲突。

③ISA100.11a标准是国际自动化协会ISA［1］开发的标准。ISA是一家位于美国的非营利组织，由约2万名自动化专业人员组成。ISA100.11a标准旨在成为无线工业工厂（包括过程自动化和工厂自动化等）的一部分，包括灵活性、支持多种协议、使用开放标准、支持多种应用、可靠性、确定性以及安全性。ISA100.11a标准定义了协议堆栈、系统管理和安全功能，可在低功率、低速率无线网络（当前为IEEE 802.15.4标准）上使用。ISA100.11a标准网络的架构如图3-4所示。ISA100.11a标准的网络和传输层基于6LoWPAN、IPv6和UDP标准，数据链路层则是ISA100.11a标准独有的不兼容的IEEE 802.15.4 MAC形式。数据链路层实现了图形路由、跳频和时隙时域多址访问功能。ISA100.11a标准网络和WirelessHART都具有以下特性：网格和星形拓扑，无路由的传感器节点，通过网关连接到网络，数据完整性、隐私、真实性和延迟保护，与其他无线网络共存以及应对干扰时的鲁棒性。

3. IEEE 802.15.4e标准

IEEE 802.15.4 MAC协议的性能已经在大量的工作中被全面地研究，其局限性和不足之处主要包括以下几点：

①无限延迟。

由于IEEE 802.15.4 MAC协议基于随机访问方法CSMA-CA（Carrier-Sense Multiple Access with Collision Avoidance）算法，因此无法保证数据在给定时间限制内到达目的端。这使得IEEE 802.15.4标准不适合要求低延迟和确定性延迟的应用场景（例如工业和医疗应用）。

②通信可靠性较低。

IEEE 802.15.4 MAC采用的CSMA-CA和周期性信标的同步机制导致数据的传输率很低，即使网络中节点的数量不多时，也难以适用于某些对延迟和可靠性要求较高的关键应用场景，而当大量节点开始同时传输时，通信的可靠性会进一步降低。

③没有针对干扰与多径衰减的保护措施。

干扰和多径衰减是非常普遍的现象，与其他无线网络技术（例如ISA 100.11a和WirelessHART）不同，IEEE 802.15.4 MAC采用单信道方法，并且没有内置的跳频机制来抵抗干扰和多径衰落。因此，其网络经常发生不稳定甚至崩溃的情况，这使得IEEE 802.15.4标准不适合用于关键应用场景。

为了解决上述局限性，IEEE设计了IEEE 802.15.4e［6］，其目的是定义一种低功耗多跳的MAC协议，以满足嵌入式工业应用的新兴需求。具体来说，IEEE 802.15.4e标准通过引入两种不同的MAC强化类型，即支持特定应用领域的MAC行为和与应用领域无关的常规功能改进。IEEE 802.1.5.4e标准借鉴了工业应用现有标准（例如WirelessHART和ISA 100.11.a）中的许多想法，包括时隙访问、多信道通信和跳频技术等。

IEEE 802.1.5.4e标准定义的MAC行为模式主要包括：

①射频识别闪烁BLINK，适用于物体和人脸识别、位置和跟踪等应用。

②异步多信道自适应（Asynchronous Multi-Channel Adaptation，AMCA）主要针对需要大规模部署的应用领域，例如流程自动化等。

③确定性同步多信道扩展（Deterministic and Synchronous Multi-channel Extension，DSME）主要支持有严格的时效性和可靠性要求的工业与商业应用。

④低延迟确定性网络（Low Latency Deterministic Network，LLDN）适用于对延迟要求极低的应用，例如工厂自动化。

⑤时隙信道跳频（Time-Slotted Channel Hopping，TSCH）针对流程自动化等应用领域。

通用的与特定应用领域无关的功能增强主要包含：

①低能耗。此机制旨在以延迟换取能量效率，它允许设备以非常低的占空比Duty Cycle工作（设备处于激活状态的时间占周期时间的比例，例如1%或更低）。这对于实现物联网的应用极为重要，因为此前多数网络协议都假定网络节点始终处于打开状态，能量消耗较高。

②信息元素（Information Element，IE）。信息元素的概念已经存在于IEEE 802.15.4标准中，这是在MAC层交换信息的可扩展机制。

③强化信标（Enhanced Beacon，EB）。强化信标是IEEE 802.15.4标准信标帧的扩展，并提供了更强的灵活性，它们允许通过相关的信息元素创建特定于应用程序的信标，并在DSME和TSCH模式下使用。

④多用途框架。该机制提供了一种灵活的帧格式，可以处理许多MAC操作。

⑤MAC性能指标。可向网络和上层提供有关信道质量的反馈，以便做出适当的决策。

⑥快速关联。IEEE 802.15.4标准通过低占空比高延迟的方式降低能量消耗，而对于延迟优先于能效的时间紧迫的应用程序，FastA机制令设备可以在更短的时间内进行关联。

3.1.3　无线广域网传输机制

无线广域网传输机制主要包括移动通信蜂窝网络（包括4G/5G/6G）和低功耗广域网传输技术（如NB-IoT/LoRa/Sigfox等）。这些技术可以支持公里级的无线通信，将城市范围的大量前端设备方便地接入网络当中。

1. 4G LTE（Long Term Evolution）

4G LTE是3GPP开发的第四代移动通信技术（长期演进）的缩写。LTE是4G的一种特殊类型，旨在为智能手机、平板电脑、笔记本电脑和无线热点等移动设备提供快速的移动互联网体验（比3G速度快10倍），使移动设备上的互联网体验与家用计算机上的互联网体验相同。在2008年，国际电信联盟要求所有使用4G的服务都必须遵守设定的速度和连接标准，这使得3G和4G之间在服务和功能方面的差距巨大。4G LTE与超移动宽带和WiMax（IEEE 802.16标准）一样，是几种竞争的4G标准之一，全球有超过800家运营商支持LTE的使用，有超过40亿的用户。

在电信领域，LTE是基于移动设备和数据终端的无线宽带通信的标准，基于GSM/EDGE和UMTS/HSPA技术，使用不同的无线通信接口以及核心网络的改进来提高容量和速度。LTE分为两种双工模式，分别为FDD-LTE和TDD-LTE，LTE具有以下特点。

①通信速度：下行峰值速率达到100Mbps，上行达到50Mbps。

②频谱效率：下行链路为5bps/Hz（3～4倍于R6 HSDPA），上行链路为2.5bps/Hz。

③频带分配：支持1.25MHz、1.6MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz七种不同的带宽，支持对称和非对称的频谱分配。

4G LTE关键技术包括以下方面。

①OFDM调制技术：其原理是将高速数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个相互正交的子信道中进行传输，可以减轻由无线信道的多径时延扩展对系统造成的影响。OFDM符号之间还可以插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径带来的符号间干扰（Inter-Symbol Interference，ISI），而且一般都采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免由于多径带来的信道间干扰。

②MIMO技术：MIMO是一种使用多个发射和接收天线来扩大无线链路容量，以利用多径传播的无线通信技术，如今已被提及并用于许多新技术中。

根据GS MEC 011规范，接入网络将前端流量导入到边缘计算应用程序中［7］，具体可通过以下集中模式处理流量：

①Breakout模式。会话连接将重定向到边缘计算应用程序，该应用程序可以本地托管在边缘计算平台或远程服务器上。典型应用包括本地CDN、视频游戏、媒体内容服务以及企业LAN。

②串联模式。会话保持与原始网络服务器的连接，而所有流量都会经过边缘计算应用程序。

③Tap模式。指定的流量将被复制并转发到Tap边缘计算应用程序，例如在部署虚拟网络探针或安全应用程序时。

④独立模式。不需要流量分流功能，但仍在边缘计算平台上注册了边缘计算应用程序并会接收DNS、无线网络信息服务（Radio Network Information Service，RNIS）等其他边缘计算服务。

将4G LTE用作边缘计算的部署，主要面临着以下几方面的挑战：

①移动性管理。终端设备在边缘网络内部的移动会直接影响到服务连续性。以保持服务的连续性，边缘计算设备需要了解底层网络中终端设备在多接入点之间的切换情况。一种解决方案是通过分组数据网关（Packet Data Network GateWay，PGW）更新边缘计算中终端设备的上下文，通常使用3GPP标准中的S1切换和服务网关（Serving GateWay，SGW）重定位来支持边缘计算中的移动性管理。边缘计算的应用程序负责在应用级别进行同步并维护会话。

②安全性。边缘计算提供服务环境和云计算功能，用于在移动网络边缘托管应用程序。在某些部署模型中，边缘计算的应用程序在某些网络功能相同的物理平台上运行。第三方应用程序不受运营商直接控制，因此存在这些应用程序耗尽网络功能所需资源的风险。另外，边缘计算还存在应用程序设计不当的风险，这些应用程序可能是恶意软件，存在令黑客渗透到边缘计算平台的风险，从而影响平台上运行的各种网络功能。

③计费问题。边缘计算需要支持离线计费和在线计费，流量通过边缘计算应用程序，然后再流向中心网络，而3GPP功能负责计费。相反，对于在边缘计算应用程序处终止或中断到外部网络的流量，需要考虑替代解决方案以提供必要的计费支持。

④识别特定用户。流量路由是边缘计算平台基本功能的一部分，通过应用可配置的流量规则来启用，例如平台将加密的用户流量分流到本地网络，这样的业务路由使用户直接享受快速宽带连接，而无须通过高延迟的传输网络穿越移动核心网络。

考虑以上挑战，5G技术的出现为边缘计算的接入提供了全新的选项。

2. 5G NR（New Radio）

第五代移动通信技术是最新一代蜂窝移动通信技术。5G NR是基于OFDM的全新空口（基站和移动终端之间的无线传输规范）设计的全球性5G标准，用于实现超低时延、高可靠性的无线通信。5G技术相比于4G，拥有更高的数据传输速率（最高可达10Gbps，是4G的一百倍）、带宽、吞吐率和更低的传输时延（低于1毫秒），并且可以提供更大的网络容量和更多的设备连接数目。

3GPP公布的5G网络标准提出整个网络标准分两个阶段：2018年6月完成的R15 5G标准，该阶段实现独立组网的5G标准，支持增强移动宽带和低时延高可靠的物联网，完成网络接口协议；2019年12月的R16 5G标准，完成满足国际电信联盟要求的完整的5G标准。

回顾5G的发展历程，主要包括以下几点：

• 2018年3月，在印度召开的3GPP第79次全会决定，R15还将新增一个版本，即R15 Late Drop。
• 2018年12月，在3GPP RAN第82次全会上，3GPP决定将R15 Late Drop版本的冻结时间推迟到2019年3月，ASN.1完成时间顺延至2019年6月，同时R16的冻结时间也将相应推迟至2020年3月，均比原计划推迟了3个月，从而预留更多的时间以确保3GPP各种工作组之间充分协调，保证网络与终端、芯片之间更完善的兼容性等。

世界各国都在加紧5G技术的开发与研究。韩国是第一个启动5G商用的国家，在运营商投放、网络覆盖率、用户使用率、5G频谱可用性和监管生态系统这五项指标表现良好。2020年初，中国三大运营商都披露了如表3-1所示的2020年5G投资计划。中国于2019年11月1日正式实现5G商用，各大通信运营商也纷纷出台了5G套餐，随之各大手机厂商也推出了各自的5G手机。但是，5G网络的基站覆盖还远远达不到要求，只有少部分城市的少部分区域才覆盖了5G信号，离5G的大规模使用还有一段路要走。2020年4月，日本三大电信运营商正式对外推出了5G网络商用服务，意味着日本正式进入5G时代。日本企业主要致力于日本5G通信网络建设，日本内务和通信省于2020年6月宣布，到2023年底将5G基站数量增加到21万个，为初始计划的3倍。其他国家如美国、英国、瑞士等国也在近些年开启了5G的商用。

5G网络的典型架构如图3-5所示，该架构由应用程序云服务器、软件定义网络（Software Defined Network，SDN）控制器、基于SDN的C-RAN、传输网络和核心网络组成。应用程序云服务器提供各种服务，例如网络管理和性能监视器等［11］。SDN控制器为目标网络元素提供集中控制服务。基于SDN的C-RAN由大规模的基带资源池（Base-Band Unit，BBU）、光纤无线系统（Radio over Fiber，RoF）和分布式无线接入点（Remote Access Point，RAP）和轻型RAP（Light RAP，LRAP）组成。BBU提供了集中化的，远超单个基站能力的基带信号处理能力。RAP实现信令覆盖，而LRAP在更小范围内实现数据传输。RAP和LRAP通过RoF系统连接BBU，RoF系统实现RAP/LRAP和BBU之间的智能连接，SDN控制器为每个RAP/LRAP到BBU连接和BBU池管理（包括网络RAT和版本）提供动态带宽调整。基于SDN的传输网络实现了灵活的回程网络管理、每个RAN与核心网络连接的动态传输带宽调整以及路由选择。基于SDN的核心网络由统一控制实体（Unified Control Entity，UCE）和统一数据网关（Unified Data Gateway，UDG）组成。UCE实现了统一的控制功能，该功能集成了移动性管理实体（Mobility Management Entity，MME）、服务网关控制平面（Service GateWay Control，SGW-C）和分组数据网络网关控制平面（Packet Data Network GateWay Control，PGW-C）。UCE与SDN控制器一起管理用户平面信道的通用分组无线服务（General Packet Radio Service，GPRS）信道协议。UDG实现了数据转发功能，该功能集成了服务网关数据平面（Service GateWay Data，SGW-D）和分组数据网络网关数据平面（Packet Data Network Gateway Data，PGW-D）。

5G主要采用的技术手段包括：5G通信采用的通信波段为毫米波，频率在30GHz到300GHz波段内，频宽最高可达800MHz，更高的频率和频宽意味着更高的数据传输速率。在此基础上，再采用OFDM技术和MIMO技术，可以使5G设备在多个信道使用多条天线组成的天线阵列同时发送和接收数据，更加提升了数据传输速率。同时，5G设备还采用了波束赋形技术，可以使5G基站能利用天线阵列控制所产生的无线信号的方向，再通过选路算法选择信号到达无线设备的最佳路径，从而减少到达无线设备信号的衰落。SDN与网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）技术也在5G网络中扮演了重要角色，利用数据分离、软件化、虚拟化概念，为5G移动通信网络提供技术支撑。除此之外，5G还使用了滤波组多载波（Filter Bank Multi-Carrier，FBM）、非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）、大规模MIMO（3D/Massive MIMO）、超带宽频谱、超密集异构网络（Ultra-dense Hetnets）、网络切片等技术。

5G的发展方向和挑战：由于毫米波辐射范围小，且绕射能力弱，很容易被障碍物遮挡，导致5G网络的蜂窝范围相比4G网络要小很多，需要更多的基站覆盖大小相同的区域。因此，如何使用更少的5G基站服务更大的范围成为一个挑战。同时，考虑到超密集网络下，将会有海量的设备接入5G网络，如何使一个基站服务尽可能多的设备也成为一个巨大挑战。具体地，需要考虑更快速的路由算法以保证设备移动时仍能具有较高的链路质量，同时也需要考虑性能更高的消除信号干扰的机制，以保障数据传输不被干扰或者能尽快从干扰信号中恢复出原始数据。

基于虚拟化平台，边缘计算被欧洲5G PPP研究机构认可为5G网络的关键新兴技术之一［9］。除了定义更先进的空中接口技术外，5G网络还将利用更多的可编程方法进行软件联网，并在电信基础设施、功能和应用程序中广泛使用虚拟化技术。因此，边缘计算是实现向5G演进的关键技术和架构，因为它有助于推动移动宽带网络向可编程环境的转变，并有助于在预期的整体性、时延、可扩展性方面满足5G的严格要求。边缘计算的特点是低延迟、高带宽以及对无线网络信息和位置感知的实时洞察力，所有这些都可以为移动运营商、应用程序和内容提供商创造机会，使其能够在各自的业务模型中扮演互补的角色，并使他们能够更好地提供移动宽带体验。

3. 6G前沿技术

随着第一批全套5G标准的完成，5G无线网络的商业化部署已于2019年开始。5G无线网络标志着一个真正的数字社会的开始，并在时延、速率、移动性和连接设备的数量方面取得了重大突破。回顾移动通信的发展，从最初的概念研究到商业部署大约需要十年时间，而其随后的使用至少还要持续10年。当上一代移动网络进入商业阶段时，下一代将会开始概念研究。由于5G尚处于商业化的初期阶段，现在正是对5G后续产品进行研究的合适时机。

在过去的几年中，一些国家发布了发展6G的战略计划。2018年，芬兰宣布了6Genesis旗舰计划，该计划为期8年，总金额为2.9亿美元，用于开发完整的6G生态系统。英国和德国政府已经投资了一些潜在的6G技术，例如量子技术。美国也开始研究基于太赫兹的6G移动网络。中国工业和信息技术部部长正式宣布开始致力于6G的发展。新颖的服务要求和规模的增长是无线网络发展的原动力。新兴应用程序的快速发展导致移动数据流量的不断增长。根据国际电信联盟ITU的预测，到2030年，全球移动数据流量将达到5ZB。即将到来的应用程序（例如电子医疗保健和自动驾驶）对延迟和吞吐量的要求更加严格，预计将在十年左右超过5G网络的能力。为解决该问题，6G网络的主要技术目标将是：超高数据速率（高达1Tbps）和超低延迟、资源受限设备的高能效、无处不在的全球网络覆盖、整个网络之间的可信和智能连接［10］。

目前前沿研究中，关于6G网络比较有前景的关键技术大致有以下几项：

（1）太赫兹通信

THz频段是微波频段和光学频段之间的光谱频段，频率范围从0.1THz到10THz［31］。除了丰富的未开发频谱资源外，还有许多特征促使THz频段可以用于未来的通信网络。

①太赫兹通信系统有望在太赫兹频谱中支持100Gbps或更高级别的数据速率，而毫米波频带内只有9GHz带宽。

②由于太窄的波束和太短的脉冲持续时间极大地限制了窃听的可能性，太赫兹波可以实现安全的通信。

③太赫兹波能够以很小的衰减穿透某些材料，适用于某些特殊场景例如跨障碍物的通信等。因此，太赫兹波在超高速无线通信和空间通信中具有广阔的应用前景，全球监管机构和标准机构已经在尝试加快太赫兹频谱新通信技术的开发。

（2）可见光通信

光学无线通信（Optical Wireless Communication，OWC）被认为是基于RF的移动通信的补充技术，其频率范围包括红外、可见光和紫外光谱。由于LED的技术进步和广泛使用，可见光光谱（430～790THz）是OWC最有希望的光谱。与旧式照明技术不同的是，LED最引人注目的特性之一是它可以快速地切换到不同的光强级别，这使数据能够以多种方式编码在发射的可见光中。可见光通信（Visible Light Communication，VLC）充分利用了LED的优势，实现了高速数据通信。与经典的无线通信技术相比，短距离通信（可达几米）的VLC具有许多优势。

①可见光谱提供了超高带宽（THz），并且该光谱是免费的。

②可见光是VLC的传播媒介，无法穿透不透明的障碍物，这意味着网络信息的传输仅限于一栋大楼之内，大楼外的接收器将无法接收信号，保证了信息传输的安全性并减少了小区间的干扰，小区间干扰在高频射频通信中非常严重。

③VLC利用照明源作为基站，不需要无线射频通信中所需的昂贵的基站建设和维护成本。

④VLC不会产生电磁辐射，并且不受外部电磁干扰的影响。因此，它适用于对电磁辐射敏感的特殊情况，例如飞机和医院等。

（3）量子通信

量子通信（Quantum Communication，QC）是另一个具有无条件安全性的有前途的通信范例［32］。量子通信与经典的二进制通信之间的根本区别在于是否可以在现场检测到信号窃听。该信息使用光子或粒子以量子状态进行编码，并且由于纠缠粒子的相关性和不可分割的定律，无法在不对数据进行篡改的情况下进行访问或复制。此外，由于量子位的叠加性质，QC可以提高数据速率。经过数十年的探索，QC产生了许多分支：量子密钥分发、量子隐形传态、量子秘密共享和量子安全直接通信。

（4）区块链技术

区块链是基于分布式账本的数据库，可以在没有集中式控制器的情况下安全地注册和更新交易［34］考虑到6G将会把越来越多的数据带入网络中，防篡改和匿名性等区块链的固有功能使其成为各种应用的理想选择。区块链被认为是未来移动通信技术的下一场革命，它使整个网络实体能够安全地访问关键数据，并且在所有相关实体之间共享了不可篡改的分布式账本，从而保证了整个通信过程中更强的安全性。除了安全性外，区块链在资源协调和网络访问方面存在多种优势。

①基于区块链的分散控制机制可以在网络实体之间建立直接的通信链接，从而降低了管理成本。

②代替集中式数据库，将区块链集成到频谱共享系统中可以提高频谱效率。

③区块链通过提供统一的身份验证、授权机制以及计费系统，促进了由不同运营商开发的各个系统的集成。

3.1.4　低功耗广域网传输机制

低功耗广域网（Low Power Wide Area Network，LPWAN）是物联网的核心组成网络之一。并且，由于其覆盖的物联网业务连接需求规模大，网络覆盖范围广，市场潜力巨大，受到全球各运营商和通信设备提供商的广泛关注。LPWAN作为物联网设备的通信技术，自然成为边缘计算的接入手段之一，其特征主要包括。

①低功耗：连接LPWAN的物联网终端设备通常仅使用电池供电或者从环境中获得能量，因此一般能耗较低并且运行时间更久。

②覆盖范围广：LPWAN一般可以达到3～20千米的通信距离，因此一个网关就可以覆盖数十甚至数百平方千米的终端设备。

③低成本：由于低功耗的特征，连接LPWAN的物联网终端设备往往要求能工作5到10年，从而降低了维护成本。并且由于覆盖范围广，少量的网关即可覆盖很大一片区域，因此也降低了部署网络的基础设施成本。

目前，各种国际组织和公司相继推出了多种用于LPWAN的物联网通信技术，如LTE-M、LoRa、Sigfox、NB-IoT等。根据所使用的频段是否为授权频段，可将这些通信技术分为两类。

使用授权频段的通信技术：LTE-M和NB-IoT等。此类技术主要由3GPP主导的通信运营商和通信设备提供商投入建设和运营，并且设备在授权频段内通信，干扰小，可靠性高，但由于需要额外给通信运营商付费，部署和使用的成本也相对较高。

使用非授权频段的通信技术：Sigfox和LoRa等。此类技术主要为私有技术，部分开源。

工作于授权频段的LPWAN技术主要优势在于网络通信基础设施完善，干扰少，缺点是需要协调通信运营商办理并且缴纳额外的流量费用。工作于无须授权频段的LPWAN技术则支持自行搭建网络，也更适合内部局域网的搭建。

1. LoRa

长距离通信技术（Long Range，LoRa）是Semtech公司提出和推广的一类LPWAN通信技术。LoRa由于其开源性，是目前LPWAN技术中被广泛研究的一种通信技术。LoRa使用ISM（Industrial，Scientific，and Medical bands）频段，通信距离最远可达数千米。LoRa采用CSS（Chirp Spread Spectrum）技术调制信号，对无线干扰、多普勒效应和多径效应有较强的鲁棒性，因此相比其他的LPWAN技术，LoRa可以支持网络中的许多设备同时传输。

2015年3月LoRa联盟（LoRa Alliance）宣布成立。该联盟由Semtech公司牵头，是一个开放的非营性组织，旨在推动LoRa技术标准的建立以及LoRa技术的商用和推广。LoRa联盟目前全球成员超过500家，其中也包括阿里、腾讯等许多中国企业。

2016年1月28日，为建立中国LoRa应用合作生态圈，推动LoRa产业链在中国应用和发展，中国LoRa应用联盟成立。该联盟是在LoRa联盟支持下，由中兴通信发起，各行业物联网应用创新主体广泛参与、合作共建的技术联盟，是一个跨行业、跨部门的全国性组织。目前，CLAA成员超过90家，涵盖了网络、芯片、模组、终端、应用等产业链各环节，将进一步推动LoRa技术在中国各行各业的创新应用，加快LoRa网络相关产业在中国的落地和发展。

LoRa信号在频谱图上表示为从起始频率线性增大，增大到信道上界再反转到信道下界继续增大，直到扫过整个信道的信号，也叫作一个Chirp。图3-6为一个LoRa数据包在频域上的显示。LoRa信号根据有效载荷的数据确定信号增大的起始频率，同时，根据所选的扩频因子（Spreading Factor，SF）不同，频率增加的速率也不同，因此相应单个符号的传输时间也不同，图3-6分别显示了不同信道、不同扩频因子下的LoRa信号。扩频因子最大为12、最小为7，可以看到，扩频因子越大，数据传输速率越低，传输距离越远。不同扩频因子的LoRa信号之间具有伪正交的特性。

LoRa通信具有远距离、低功耗、低数据率的特点。

①远距离：LoRa宣称可以达到数十公里的通信距离。实验测得，在传播路径没有明显遮挡的情况下，采用最大的扩频因子可以达到10公里左右的通信范围，最小的扩频因子也能达到5～7公里的通信范围，且SF越大，对信号干扰的鲁棒性越强。但是LoRa信号受环境影响较大，在建筑物密集的区域或者遮蔽较多的区域中，信号强度衰减很快，通信距离会急剧缩减到1～2公里内。

②低功耗：实验测得LoRa设备射频芯片发送功率约150毫瓦，接收功率约50毫瓦。在使用容量为2安的电池供电时，最长续航时间约为4年6个月。但是LoRa设备的功率与其选择的通信参数密切相关，包括SF和发送功率。SF和发送功率越大，能耗越高。实验测得，选用最大的SF和最高的发送功率，用容量为2安的电池供电时，最长续航时间约为1年5个月。

③低数据传输率和高信道容量：LoRa参数设置SF为7，带宽为500kHz，达到的最大数据传输率为27kbps。另外，由于选用不同扩频因子的LoRa信号之间具有伪正交性，即便两个LoRa设备同时发送，只要扩频因子不同，仍有很大概率能成功解码。因此，LoRa网关允许单个信道内可以有更多的终端设备同时工作。

LoRaWAN协议是LoRa联盟推出的LoRa MAC层协议。LoRaWAN采用星型的网络架构，通过一个LoRa网关和若干LoRa发送终端设备，可以轻易地部署一个覆盖范围达数公里的LoRa组网。LoRaWAN包括三种通信模式：Class A（All end-devices）、Class B（Beacon）和Class C（Continuous）。Class A是LoRaWAN强制要求所有LoRa终端设备必须支持的通信模式，Class B和Class C是可额外选择的通信模式。三种模式工作流程如图3-7所示。

在Class A模式下，终端设备只在有数据需要处理或发送的时候才从休眠模式中醒来，并且一切通信都只能由发送终端设备主动发起，网关一直处于侦听模式。当发送终端设备进行一次发送（TX），等待时间T_（RX_DELAY1）后初始化一个接收窗口RX1，若RX1内发送终端设备未收到任何数据，则会在T_（RX_DELAY2）时间后再初始化一个接收窗口RX2，继续等待接收数据，窗口关闭后则进入睡眠模式。网关可在此窗口时间内向终端设备发送数据。

模式Class B为需要双向交互的应用设计。在Class A的基础上增加了可以由网关主动唤醒发送终端设备的机制，网关每隔T_Beacon时间会发送一个信标Beacon来主动唤醒终端设备，在两个Beacon之间，终端设备的通信模式和Class A相同。通过Class B主动唤醒节点的方式，网关可以定期开启终端设备的下载和上传功能。相比Class A，Class B降低了数据的传输时延，但也增加了终端设备的能耗。

模式Class C用于时延要求高的应用，发送终端设备在发送完成之后会立即初始化接收窗口，若未收到任何数据，则会一直开启随后的RX2窗口持续侦听信道，用于接收网关返回的数据。

虽然LoRa声称能达到数十公里的覆盖范围和数十年的设备寿命，但是在实地部署时， LoRa网络性能往往达不到其声称的性能［14］。主要原因有两点：

①信号遮蔽和衰减效应。虽然LoRa信号具有较好的信号敏感度，但是当LoRa信号传播路径上具有遮挡时，LoRa信号将会很快衰减，大大减少传输距离，从而减小网络的覆盖范围。对一些位于遮蔽地区的节点，往往需要采用大的SF和传输功率才能保证与网关的数据传输，极大地增加了这些节点的能耗。

②信号冲突。由于LoRa采取星型网络结构组网，所有节点连接同一网关，且LoRaWAN协议基于ALOHA协议，没有冲突避免或解决机制，不同SF的LoRa信号也只具有伪正交性，所以LoRa网络中信号冲突不可避免。信号冲突导致的重传不仅降低了网络吞吐量，也大大降低了节点使用寿命。

现有的研究基于以上两点原因提出了各自的解决方案。针对LoRa信号遮蔽和衰减的问题，研究工作［15］提出了一个快速进行LoRa链路信道质量估计的模型，通过遥感地图快速得到信号传播路径的地物特征，并根据这些特征建立信号衰减模型，从而能在网络实地部署前得到任意两点间的信号衰减，为LoRa网关和节点的部署提供指导。研究工作［16-17］提供了将LoRa网络的星型架构转化为网状架构的思路，可以有效对抗信号衰减，提高网络覆盖范围。

针对信号冲突的问题，一些工作致力于冲突避免，例如文献［18-19］提出了LoRa网络的参数分配问题，以此减小节点间的冲突概率。研究工作［20-22］针对LoRaWAN没有冲突避免机制的缺陷，重新设计了MAC层协议，引入时分复用的机制，通过对每个节点的传输时间片和信道进行调度，减少冲突。还有一些工作致力于冲突解决，从冲突的信号中恢复原始数据，例如研究工作［23-26］。另外，其他的机制也能有效地提高LoRa网络的性能，例如使用反向散射技术能在不增加额外能耗的情况下提升网络吞吐量，研究工作［27］设计了一个LoRa的反向散射系统，其中带有散射标签的LoRa节点可以调制并散射环境中的LoRa信号，实现不需要电池便能发送自身数据。研究工作［28］提出了LoRa网络中节点的能量均衡机制，防止网络中的部分节点因为高能耗的参数设定而过早耗尽能量无法工作，从而延长了整个网络的使用寿命。研究工作［29］提出了交错LoRa Chirp的信号调制和解调方式，通过是否对原始Chirp进行交错处理暗示该Chirp传输了额外的一位1或0，这样对每一个Chirp可以额外多传输一位，提高了节点的数据传输率和网络吞吐量。研究工作［30］提出了一种可以在低于奈奎斯特采样率的情况下解调LoRa信号的方法，通过降低节点接收信号时的信道采样率减少节点解调下行链路数据的能耗，从而延长节点寿命。

2. Sigfox

Sigfox技术由Sigfox公司发起，该公司成立于2009年，总部位于法国，是全球第一家提供低功耗广域物联网技术的公司。Sigfox使用二进制相移键控（Binary Phase-Shift Keying，BPSK）方式，在868MHz和902MHz频段上工作。

Sigfox是一种窄带（或超窄带）技术，使用二进制相移键控的标准无线通信传输方法，它采用非常窄的频谱并改变载波无线通信波的相位以对数据进行编码，允许接收器仅在一小片频谱中接收信号，从而降低噪声的干扰。Sigfox需要廉价的无线终端和相对复杂的基站来管理网络。Sigfox支持双向通信功能，从终端到基站的通信性能相对较高，但其从基站到终端的数据传输容量受到限制，并且费用也高，这是因为终端设备上的接收器灵敏度要远低于性能强大的基站。

截至2017年底，Sigfox已在超过36个国家/地区开展业务（其中17个国家/地区全覆盖）。

通过使用超窄带调制，Sigfox可以在公共可用频段的200kHz中进行操作，以交换无线射频消息。每个消息的带宽为100Hz，并以每秒100或600比特的数据速率传输。因此，可以达到长距离传输，同时对噪声具有较强的鲁棒性。

Sigfox工作在窄带BPSK调制，上行速率为100bps，上行数据包有效载荷最大为12字节，下行数据包有效载荷为8字节，单个数据包最大为26字节。同时，Sigfox还通过限制设备通信的占空比来进一步降低设备的能耗。

Sigfox网络架构如图3-8所示，Sigfox节点通过无线信道与Sigfox基站相连，基站将数据返回给Sigfox云服务器，而使用Sigfox服务的应用服务器则从Sigfox云服务器获取所需信息或者下达命令。

Sigfox已在全球范围内部署自己的基站。根据Sigfox的官网数据，截至2020年7月，Sigfox已在全球70个国家/地区部署了Sigfox网络，覆盖了全球近500万平方千米的面积和11亿人口，中国台湾和中国香港地区也有Sigfox网络的部署。

3. NB-IoT

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）是由3GPP制订的LPWAN无线标准，目的是提供更远的服务范围，此标准在2016年6月的3GPP Release 13（LTE Advanced Pro）文件中提出，其他的3GPP物联网技术包括有eMTC（增强型机器类通信）及EC-GSM-IoT。

NB-IoT的上行和下行链路采取不同的调制解调方式。其上行链路采用的单载波频分多址（Single-carrier Frequency-Division Multiple Access，SC-FDMA）是LTE上行链路的主流技术。下行链路使用的OFDMA也是LTE中采用的通信技术。因此，只需要稍做调整，NB-IoT可直接使用现有的LTE网络基础设施，并且部署于现有的LTE网络，甚至GSM网络和UMTS网络。另外，NB-IoT还可根据运营商的不同需求，支持三种灵活的频段部署，如图3-9所示。

①独立部署（Standalone Operation）：NB-IoT可以独立部署于单独的频段内，例如对GSM频段的重复利用。GSM的信道带宽为200kHz，刚好可以容纳NB-IoT的180kHz的带宽，并且可以在信道两边各留下10kHz的保护带。

②保护带部署（Guard Band Operation）：NB-IoT部署在LTE边缘的无用频段中，利用LTE信道边缘的保护频段中未被使用的带宽资源（180kHz），进行NB-IoT设备的通信，但是由于该部署模式占用了保护频段，需要解决信号干扰等问题。

③带内部署（Inband Operation）：NB-IoT部署在LTE的频段内，与LTE共用频段，直接利用LTE载波中的物理资源块（Physical Resource Block，PRB）。同样地，带内部署也需要考虑NB-IoT信号和现有的LTE信号共存的问题。

为了满足LPWAN网络低功耗的要求，NB-IoT终端设备还具有三种不同能耗的工作模式：

①不连续接收（Discontinuous Reception，DRX）模式。

该模式为传统技术模式。在每个DRX周期（常见的DRX周期为1.28秒或2.56秒）内，在该模式下工作的终端设备都会监听一次信道，以检测是否有下行数据到达。由于DRX周期一般较短，对物联网平台来说终端设备一直处于在线状态，物联网平台的下行数据随时可达终端设备。该模式下端到端时延较低，适用于对实时性要求较高的业务，但同时能耗也较高。

②增强型不连续接收（extended DRX，eDRX）模式。

该模式是基于DRX的拓展模式，是由3GPP Rel.13引入的技术，主要通过延长原来DRX周期的时间、减少终端设备的DRX频次来节省能耗。此外，在该模式下的每个eDRX周期（eDRX周期为20.48秒到2.92小时），终端设备只有在设置的寻呼时间窗口（Paging Time Window，PTW）内，才接收物联网平台的下行数据，其余时间处于休眠状态，不接收下行数据。物联网平台只能根据终端设备是否处于休眠状态缓存消息或者立即下发消息。相比于DRX模式，eDRX模式的下行链路数据传输时延稍大，但能耗也更低，适用于无须频繁发送数据，但要快速响应的应用场景。

③功率节省模式（Power Saving Mode，PSM）模式。

该模式可以最大限度地降低终端设备的能耗。处于该模式下的终端设备不与网络有任何交互，近似于休眠状态。此时若物联网平台需要发送下行数据至终端设备，必须等待终端设备离开PSM状态进入连接状态。终端设备退出PSM状态需要满足以下条件：终端设备主动上报数据；位置更新（Tracking Area Update，TAU）周期到达，终端设备上报位置信息。因此，对于该模式下的终端设备，物联网平台只能在该设备主动上传数据时，才能进行数据下发。此模式只适用于对实时性要求极低的应用场景。

NB-IoT的主要优势：

①使用的频段位于2G通信频段，可以直接在现有通信基础设施上升级兼容NB-IoT通信。

②使用授权频段，干扰少，可靠性高。

③快速部署，基础设施由运营商提供。

由于NB-IoT在物联网应用上的优势以及我国基站的广泛覆盖，NB-IoT已在我国产生了诸多实际的应用案例，在多种应用场景中带来了实际的效益。

①共享单车。

华为和中国移动提供支持的摩拜共享单车是全球第一个基于NB-IoT 900M的共享单车业务，这也标志着共享单车NB-IoT应用产品化。其后华为与中国电信合作，为ofo共享单车项目提供了基于NB-IoT的智能车锁，可保证用户任何地方都能正常开锁，解决了车锁功耗高、电池使用寿命短的问题，电池使用寿命可以达到2～3年，该技术的推广可以更有效地管理共享单车，并引入新的商业模式。

②智能烟雾检测。

在实际应用中按照消防要求，烟雾传感器的安装分布密集，不方便走线，并且施工成本高，耗电量大，维护成本高。中国电信与骐俊物联在厦门市海沧区投放的智能独立烟感报警系统以NB-IoT低功耗广域网无线传输为核心，为存在监管难度的小微场所提供一体化的智能火灾报警物联网管理措施。

③智能抄表。

深圳水务通过与华为、中国电信合作，在水务管理与服务中通过NB-IoT智慧水表提供的高精度、大规模的动态水务数据，实现更加精准高效的水务管理与调度，降低管理成本，有效提升水务服务的质量与效率。

其他许多应用案例，如智慧照明、智慧泊车等都有采用基于NB-IoT技术的解决方案，从而提供灵活、工作时间长的物联网服务。作为边缘接入技术而言，虽然其传输速率不理想，但考虑到其低功耗、可靠、可复用移动基站等特点，仍不失为一种很有竞争力的接入方案。

3.1.5　新型无线传输机制

除了上述几种常见的无线传输机制，近些年来，一些其他的无线传输机制被提出并应用于终端设备接入边缘网络。通常来讲，区别于传统的无线传输机制，这些传输机制往往在某方面（如安全性等）具有较为突出的性能。

1. VLC

有限的无线频谱资源限制了对更强的连接性和更高容量的不断增长的需求。接入移动网络的设备数量的增加是移动数据流量急剧增加的主要原因，随之而来的在线社交服务的发展进一步提高了移动数据流量。除了无线通信中的频谱不足问题外，还存在无线干扰的问题，例如在飞机上使用手机会干扰通信和导航系统，也会对地面系统塔造成破坏；另外，在某些需要非常低时延要求的无线通信系统中（例如在车辆通信、安全系统中），由于带宽限制，不适合使用射频通信；其次，由于射频波很容易穿透墙壁，因此存在数据的安全问题；射频通信存在功率效率低下的问题，因为其需要单独部署射频通信的基础设施。为了克服射频通信系统的缺点，VLC技术是一种较为可行的替代方案。

VLC系统采用可见光的频谱进行通信，包含了380纳米至750纳米的频谱，对应于430THz至790THz的电磁波频谱，如图3-10所示［59］。由于其具有较大的带宽，射频通信中的低带宽问题可以由VLC技术解决。VLC接收器仅在信号与发送器位于同一房间的情况下才接收信号，VLC光源房间外的接收器将无法接收信号，因此，它可以抵抗射频通信系统中存在的安全问题。由于可见光源既可用于照明也可用于通信，节省了射频通信所需的额外功率。考虑到上述优点，VLC由于具有非授权通道、高带宽和低功耗的特性，因此是较有发展前途的技术之一。

可见光通信的潜在应用包括Li-Fi、车对车通信、室内机器人以及水下通信等。Li-Fi使用可见光进行通信，以提供高达10Gbps的高速网络连接。VLC也可用于车辆通信中，提供变道警告、碰撞前感知和交通信号违规警告等服务，以避免发生交通事故。由于VLC具有较高的带宽，可以提供低延迟的通信以保证安全，另外，由于道路上本身存在的车灯和交通信号，使得VLC系统的部署安装更为便捷。VLC还可以在对电磁波敏感的领域，例如飞机和医院中使用，在这些场景中无线射频信号会产生相互干扰。VLC也可用于通过照明信息提供识别服务。例如，在房间中使用不同的照明来提供房间编号识别和有关建筑物的其他信息。

目前有几个因素促使人们越来越关注VLC技术［60］。其中，最主要的是发光二极管LED的普及，由于其价格低廉，LED已成为VLC的主要媒介。LED是一种使用电致发光半导体以产生光的设备，更具体地说，LED由部分能够传导电流的材料制成。光线以可见光谱发射，该光谱从低频到高频变化，对应于特定的颜色。如今，LED的数量呈指数级增长，其主要原因是能效高、耐用性好和成本低，且LED灯泡可以将光聚焦在单个方向上。因此，LED被用于各种设备，例如智能手机、车辆、视频屏幕、标牌等。这项技术的使用为行业带来了许多好处，而未来的住宅照明将会完全基于LED。

随着对VLC系统日益增长的兴趣，近年来出现了新的机会和技术。研究人员考虑将VLC与其他现有技术（例如Wi-Fi）进行结合，通过VLC提高Wi-Fi（例如WLAN和4G）的性能。最近已经有许多工作集中在混合系统的开发上，将Wi-Fi和VLC集成在一起。在这种情况下，像PLi-Fi这样的产品应运而生，并受到了学术界的关注［1］。PLi-Fi是一种混合系统，该体系结构通过使用电力线通信（Power Line Communication，PLC）将Wi-Fi和VLC技术结合在一起。

前沿研究探索了在智能手机利用VLC的特殊应用［3］。具体来说，信息可以被编码为图像流并在智能手机屏幕上播放，而智能手机可以使用相机记录图像，然后解码视频流。与射频技术相比，屏幕摄像机的方向和距离可以轻松控制，从而保护了通信的私密性和安全性，并潜在地简化或避免了烦琐的认证过程，这通常是诸如蓝牙和Wi-Fi之类的无线通信所必需的。该技术将信息编码为专门设计的2D彩色条形码，如图3-11所示，处理环境中的动态图像并实现智能手机之间的实时条形码流解码。与流行的静态二维码相比，它可以通过商店或博物馆中大量的LCD（Liquid-Crystal Display）显示屏，轻松为顾客提供更多的信息（例如优惠券小册子和地图）。

此外，在未来的无线技术中，尤其是在5G/6G环境中，VLC的实现方式也可能成为一个新的研究问题。智能手机、平板电脑和物联网设备的使用越来越多，要求当今的技术不断发展并适应未来日益增长的应用需求。为此，近年来的研究尝试在5G中集成VLC［44-45］，研究工作发现当前VLC技术的大部分需求都属于室内场景，在这种情况下，可以使用预先存在的基础结构来实现VLC系统。智能手机已成为人们生活中越来越不可或缺的部分，因此，一些研究正在努力使用摄像头和外部LED［46］将VLC与智能手机集成在一起。由于智能手机已经配备了摄像头，因此面临的挑战是在不对硬件进行任何修改的情况下适应设备，以将其集成到VLC系统中［47］。

2. RFID

物联网允许嵌入式对象实现互联和互操作性，射频识别（Radio-Frequency Identification，RFID）是物联网中的关键技术之一，可以通过无线通信自动识别对象，也可以作为物联网终端设备接入边缘网络［48］。通常，RFID系统包括标签Tag、读取器Reader和后端系统，如图3-12所示。

标签由天线、耦合组件和微芯片组成。每个标签都带有唯一标识符。由于标签采用了反向散射方法，因此可以响应读取器的请求。读取器通过广播查询命令来初始化标识过程。收到查询命令后，附近的标签以其ID响应读取器。因此，RFID可以在有遮挡的情况下识别多个物体，并轻松地将物理世界映射到网络世界。根据电源模式，RFID标签可以分为无源或有源标签。体积小、成本低的无源标签没有板载电源，其工作能量来自读取器传输的连续波。因此，传输距离非常有限。相反，有源标签具有内部电池，可为微芯片提供能量并确保标签和读取器之间的通信，因此其潜在的传输范围可以达到几百米。但是，由于需要定期更换电池，因此生产成本高并且使用寿命短。

无源RFID通信的概念基于逆调制或反向散射原理，其中不带电池（或任何内部电源）的RFID标签从RFID读取器的传输中接收能量，并使用相同的能量发送回复。标签通过从读取器/天线传播的电磁波接收能量，一旦波到达标签，能量就会通过标签的内部天线传播，并激活芯片或集成电路（Integrated Circuit，IC），剩余的能量由芯片的数据调制，并以电磁波的形式通过标签的天线流回读取器的天线。发射器以给定的频率和恒定的幅度辐射电磁波，该波既是标签的能源，也是发送目标而使用的逆调制波的支撑，接收者（处于接收模式的读取器）对信息进行解调，然后将其发送到数据库。实际上，RFID芯片集成了多个基本模块，其中整流器能够将RF读取器信号转换为直流电，以流入芯片内的所有其他电路。

因此，基于目标应用，RFID驱动了许多物联网应用的发展，并存在许多不同形状和大小的标签。例如，通过准确跟踪物品的有效期或是否存在泄漏，RFID可以帮助减少包装和冷藏操作中的浪费和能源消耗［1］。随着将RFID集成到物联网系统的未来发展趋势，读取器的格式不一定是固定设备，移动读取器甚至电池供电的无线传感器节点都可以用作读取器设备。因此，能源效率是评估RFID系统整体性能的重要指标［49］。节能的RFID协议可以延长读取器和标签的使用寿命，并促进绿色RFID及其预期的各种应用的增长。为了实现这一目标，读取器需要采用一种节能的防冲突算法，以优化标签心率估计，自适应地调制发射功率水平并减少标签碰撞和窃听等。

另外，许多前沿工作也在研究基于反向散射技术开发新的应用场景，从结合其他无线通信技术到增强RFID本身的能力等，如下所示。

①VLC技术终端设备无法负担上行链路传输中LED的高功耗。实际上，早期基于VLC的移动系统已经将BLE用于从设备到LED的上行链路通信，但这会导致额外的成本和系统复杂性。结合反向散射技术的VLC系统可以很好地解决这个问题，使用反射器向后散射入射光，并使用LCD隔离开关对其进行调制，

其基本结构如图3-13所示［39］。整个系统由位于照明基础设施的读取器ViReader和集成在终端设备中的标签ViTag组成。ViTag包含光传感器、逆反射镜面、透明LCD快门、太阳能电池板和控制电路，而ViReader则是典型VLC设备。对于下行链路，ViReader中的LED以高频率（例如1MHz，以避免人为察觉的闪烁）打开和关闭，从而将照明光变成通信载体。该系统使用某种调制方法来承载信息位，并且光信号由ViTag上的光传感器捕捉并在其中解码。上行链路通过反射来利用相同的载波，ViTag使用回射器反射来自光源的光，并通过重新调制该回射链接来进一步携带信息位，太阳能MCU通过电子方式控制顶部LCD快门的状态（通过/遮挡），从而实现基于OOK调制的逆向通信，然后调制的反射光载波被ViReader上的光电二极管拾取，并进一步解调和解码。

②计算型RFID（CRFID）是一种新兴技术，其传感和计算能力被添加到了传统的RFID标签中［38］。由于无源RFID标签使用从附近RFID读取器的传输中收集到的能量来运行和传输标识符，其不需要电池或长期储能，使它们在商业环境中被广泛使用。使用附加传感和计算功能的CRFID可实现更广泛的传感应用，包括冷链监控、访问控制、桥梁和飞机的嵌入式监控、手势界面、活动识别和非侵入式生理监控等。这些应用程序和其他应用程序都依赖于小型的、工作寿命长的节点，这些节点可以以接近“智能尘埃”的原始视觉方式，超出传感器节点的范围并嵌入物理环境中。节点的能量限制了其可以执行的计算量，因为必须以低速率从远处的读取器传输的信号中获取能量。此外，与传感器网络节点相比，为了保持物理尺寸小和快速上电，CRFID的能量存储量很小。例如，WISP［35］原型标签的储能器比常用的Telos传感器的电池小八个数量级。这意味着CRFID通常会每秒多次耗尽电量和充电。相比传感器网络，CRFID运行时必须采取短期措施，以匹配毫秒为单位测量的寿命。

3.1.6　总结

在能源供应问题没有得到根本解决之前，低功耗的通信技术将长期存在，并且是物联网系统的主流技术之一。在这样的背景下，作为接入边缘计算的手段，选择的余地较小，想要同时满足高速率和低功耗，几乎是不可能的。但根据具体场景和技术特点的不同，依然需要选择恰当的边缘接入技术，提升边缘计算效率的同时尽量少地引入传输能耗。