1、低功耗物联网技术发展现状
从第一代（1G）开始，蜂窝移动通信系统一直致力于满足人与人之间的通信需求，特别是对于更高传输速率业务的需求。因此，提升频谱效率，逼近香农容量始终是系统设计目标。物理层的研究因而主要集中在不同通信场景下，如何刻划信道容量限，以及如何设计能够逼近容量限的各种调制编码技术等。
近年来，随着人工智能、大数据等在工业制造、交通、建造、环保、医疗等领域的应用，新的机器对机器（machine-to-mochine，M2M）通信业务不断涌现，极大促进了物联网的快速发展。预测表明，到2020年，互联的M2M设备和消费电子产品数量将超过使用手机、个人电脑、笔记本电脑和平板电脑的用户数量[1]。到2024年，整个物联网行业预计将在设备制造等不同行业创造4.3万亿美元的收入[2]。
总体来看，物联网技术可以分成三类：
- 短距离无线通信系统
第一类是短距离无线通信系统，如Zig-Bee、蓝牙、传统无线局域网（WLAN）等。传统来看，这些非蜂窝无线技术应用范围不超过几百米。对于环境、基础设施监控所需的分布在超大地理区域的低功耗设备，以及智能城市、物流和个人健康等许多物联网业务所要求的可随意部署或移动的终端设备[3]而言，上述短距离无线系统只能通过密集部署多跳网络来支持，其成本以及功耗均高得令人望而却步[4]。
- 专用低功耗广域网
第二类为专用低功耗广域网（Low Power Wide Area Network, LPWAN），典型的LPWAN技术包括LoRaWAN[5]、SIGFOX[6]、INGENU[4]、Weightless W, N and P等[7]。LPWAN通信范围可达数公里至数十公里，电池寿命达到10年及以上，因而在低功耗、低成本和低吞吐量的物联网上有着广阔的前景。但由于牺牲了传输速率来降低功耗和成本，一般来说，LPWAN技术只适用于智能城市、智能计量、家庭自动化、可穿戴电子设备、物流、环境监测等传输数据量少且不频繁，对错误和延时不敏感的应用，而不适用于工业物联网、车联网、视频传输等数据量大、对延时和可靠性要求高的业务[8]。
- 蜂窝系统
第三类是蜂窝网络。由于可以提供广域覆盖，第二代（2G）和第三代（3G）技术被广泛用于M2M通信[4]。然而，如前所述，这类系统的设计目标是提供高频谱效率的人与人之间通信业务，终端设备的复杂性、成本、功耗都很难直接满足物联网业务的需求。因此，3GPP在R13中标准化了一组针对MTC（Machine- Type-Communications）的低成本和低复杂性设备，包括基于LTE的eMTC（增强MTC）、基于GSM的EC-GSM-IOT以及与GSM/GPRS/LTE兼容的NB-IOT。这些技术通过最大限度重用现有蜂窝基础设施和无线频谱，来为物联网应用提供解决方案，然而，其设备的能耗和成本，与非3GPP的LPWAN技术相比仍有差距[9]。此外，物联网设备升级周期往往远远大于移动电话，若新一代手机出现导致原有移动网络淘汰，会对物联网应用产生影响。
为了更好满足新兴业务特别是物联网发展的需求，3GPP将5G分为三种场景，即eMBB（增强型移动宽带）、mMTC(海量机器类通信)和uRLLC（超可靠、低时延通信）。其中eMBB支持稳定连接，具有极高的峰值数据速率，并且对小区边缘用户支持中等速率；mMTC支持大量的物联网（IOT）设备，这些设备只是偶尔激活并发送小的数据负载；URLLC支持有限个数终端以及小有效负载的低延迟高可靠传输，主要应用在工业物联网、车联网中[8]。
总体来看，低功耗物联网的共性特征包括[10]：
1)小数据包，可能会短到只有几个字节；
2)巨大数量的用户，单个蜂窝中可能多达300,000个设备；
3)上行传输为主，可能会带来上下行传输非对称，从而导致ACK难以实现；
4)低用户速率，例如每用户大约10 kbps；
5)零星的用户活动，例如，周期和事件驱动的混合业务模型；
6)低复杂性和电池限制（低能耗）的MTC设备等。
2、低功耗物联网物理层技术综述
下面结合物联网业务需求，针对SIGFOX、LoRaWAN、INGENU、Weightless W/N/P、NB-IoT、mMTC六大类低功耗物联网物理层技术特征进行综述。
(1) 工作频段
SigFox与LoRa均工作在免许可证ISM频段，因而其占空比均受到ISM频段限制在每小时0.1%到10%范围之内[11]，限制了其信噪比。与通常工作在868兆ISM频段的SigFox和LoRa相比，INGENU在频谱规则更宽松的2.4 GHzISM频段运行，因而具有更高吞吐量。
NB-IoT可与GSM、GPRS和LTE共存。可以部署在200 kHz的单个GSM载波内、180 kHz的单个LTE物理资源块（PRB）内或LTE保护频段内，也可在专用许可频谱中独立部署。
WEIGHTLESS SIG[18]提出的三个开放的LPWA标准中，WEIGHTLESS-W利用电视空白区出色的信号传播特性（只在部分地区可以使用），WEIGHTLESS-N/P标准则在SUB-GHz ISM频段运行。
(2) 调制、扩频与分集技术
SigFox技术采用超窄带（Ultra-Narrow Band，UNB)差分BPSK调制，速率为100bps，其设备通过在三个随机的载波频率上依次发送三个上行包来启动传输。即使由于与其它设备碰撞或收到其它使用相同频段系统的干扰导致其中的两个包丢失，基站也能够成功接收数据。
LoRa采用啁啾扩频(chirp spectrum spreading，CSS)技术[12]，支持多个扩频因子（介于7-12之间），增大扩频因子意味着降低数据速率提升通信范围，反之亦然。LoRa支持的数据速率范围从300 bps到37.5 kbps，使用不同扩展因子的多个传输可以被一个LoRa基站同时接收。LoRa终端设备发送信息由通信范围内所有基站接收，通过接收分集提高成功率。此外，LoRa不同基站利用接收到的相同信息，采用TDOA技术来定位发送终端设备，支持基站间精确时间同步。
NB-IOT上行链路使用单载波频分多址（FDMA），数据速率限制为20 kbps；下行链路使用正交FDMA（OFDMA），数据速率限制为250 kbps[13]。[14]中指出，对于164dB的耦合损耗，当每天平均传输200字节数据时，基于NB-IOT的无线电可以达到10年的电池寿命。
INGENU上行传输采用随机相位多址（RPMA）[15]技术。作为一种CDMA技术，RPMA允许多个发射机共享同一时隙，通过增加时隙持续时间并为每个发射机分配随机时延来减少传输信号间重叠，在接收端，基站利用多个解调器对时隙内不同时间到达的信号进行解码，提高了每个链路的信噪比[16]。
WEIGHTLESS-W[17]支持16-QAM、DBPSK等几种调制方式以及多种扩频因子。根据链路预算，大小超过10字节的数据包可以以1 Kbps到10 Mbps之间的速率传输。终端设备以窄带传输到基站，但功率比基站低，以节省能源。WEIGHTLESS-N采用DBPSK调制，仅提供上行UNB传输，这一方面使得其能耗与成本远远低于其它WEIGHTLESS标准，但同时也限制了它能够支持的物联网应用。WEIGHTLESS-P用每个12.5 kHz窄信道提供0.2~100k bps的数据速率，能够支持ACK和双向通信，采用GMSK和QPSK调制由于这两种方案在不同的商用产品中采用。因此，终端设备不需要专用芯片组。在SUB-GHz ISM频段中，以及固件无线升级。
(3) 覆盖性能与容量
Vejlgaard等[11]比较了SigFox、LoRa、NB-IoT和GPRS的覆盖性能与容量。仿真与分析结果表明，四种技术的室外覆盖率均超过99%的室外覆盖率；有40%的用户GPRS无法提供室内覆盖，而另三种技术则覆盖了超过95%的室内用户，这些用户穿透损耗为20分贝。SigFox提供非常好的室外和室内上行链路性能，但由于ISM频段的阻塞和占空比违规问题，其下行链路受限。LORA可在未确认模式下运行，但由于所有设备都将使用最可靠的通信设置，因此上行链路碰撞概率很高。在下行链路中使用确认模式时，可调整上行链路传输设置并提高性能。尽管上行链路LoRa性能比SigFox差，下行链路其阻塞概率和占空比违规较低，但覆盖率也较低。NB-IOT优于其他技术，即使有10台设备，其95%的上行失败概率也低于4%。原因包括最佳覆盖范围以及采用了链路自适应，而缺点是空中通话时间（time on air）最长。
[18]针对R13的NB-IOT标准进行了如下评价：第一，由于下行链路容量有限，只有一半的消息在NB-IOT中得到确认，因而无法应用于所有上行链路业务据需要确认的物联网应用；第二，在基于3GPP的解决方案中使用数据包聚合，可以提高效率，但代价是额外的延迟，这可能不适合延迟敏感的物联网应用；NB-IoT业务类型是best effort，因此在话音/数据流量大的时候，动态重新分配频谱以缓解后一类流量的拥塞可能会影响NB-IoT应用的性能。
(4) 5G物联网业务需求与挑战
Bockelmann等[10]针对5G中mMTC业务需求与设计挑战进行了分析，指出从根本上来说mMTC物理层和MAC层的设计，是在性能（吞吐量、错误率、延迟等）与复杂性和开销（例如反馈或控制信号）间进行权衡。进一步，作者指出，非正交接入比正交接入更适合上行链路的大量设备接入，免授权接入控制更适合mMTC，而低信令开销的MAC协议与高效的PHY技术可以有效降低功耗。据此，文章探讨了通过SCMA实现非正交多址，基于CS-MUD降级基站接收机处理复杂度，同时基于SIC和置信传播-擦除译码算法改进时隙ALOHA（slotted ALOHA，SA）实现编码随机接入（Coded Random Access ，CRA)。
[10]中还探讨了MTC小数据包传输带来的其它挑战，包括对更高资源粒度的需求和对短数据包的信道编码，指出对帧结构重新设计从而以非常低的开销提高资源粒度和分配灵活性，对于支持大量设备和实现低延迟通信至关重要。此外，目前在蜂窝网络中使用的使得长数据包接近信道容量的信道码设计，不适用于mMTC中的短数据包。
Popovski等[19]针对5G三种业务（即EMBB、MMTC和URLLC）在可靠性、延迟以及设备数量方面的差异，提出在上行链路中对业务之间共享的资源进行切片。针对EMBB/URLLC与EMBB/MMTC两种业务共存情况，考虑正交和非正交两种切片模式以及各自的传输方案H-OMA和H-NOMA，给出了一种理论分析框架。分析结果表明，与正交切片相比，H-NOMA在某些情况下可以在三种服务之间的性能权衡方面带来增益。
【参考文献】
[1]“Cellular networks for massive iot: Enabling low power wide area applications,” Ericsson, Tech. Rep., January 2016, ericsson White Paper. [Online]. Available: https://www.ericsson.com/res/docs/whitepapers/wpiot.pdf
[2]E. Berthelsen and J. Morrish, “Forecasting the internet of things revenue opportunity,” Machina Research, Tech. Rep., April 2015. [Online]. Available: https://machinaresearch.com/reportpdf/313
[3]X. Xiong, K. Zheng, R. Xu, W. Xiang, and P. Chatzimisios, “Low power wide area machine-to-machine networks: key techniques and prototype,” IEEE Communications Magazine, vol. 53, no. 9, pp. 64–71, Sep.2015.
[4]U.Raza, P.Kulkarni, and M.Sooriyabandara, “Low Power Wide Area Networks: An Overview,” IEEE Comm.Surveys & Tutorials, vol.19, issue.2, pp.855-873, 2017.
[5]N. Sornin, M. Luis, T. Eirich, and T. Kramp, “LoRaWAN specification,” LoRa Alliance, Tech. Rep., 2015. [Online].Available: https://www.lora-alliance.org/portals/0/specs/LoRaWAN Specification 1R0.pdf
[6]Sigfox. [Online]. Available: http://www.sigfox.com/
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[8]F.Adelantado etc.,“Understanding the Limits of LoRaWAN,” IEEE Comm. Magazine, vol.55, issue.9, pp.34-40, 2017.
[9]Nokia, “LTE evolution for IoT connectivity,” White Paper, 2016. [Online, Accessed on 2016-12-19]. Available at: http://resources.alcatel-lucent.com/asset/200178
[10]C.Bockelmann etc., "Massive machine-type communications in 5g: physical and MAC-layer solutions, " IEEE Commun. Mag., vol.54, issue.9, pp.59-65, 2016.
[11]B. Vejlgaard, M. Lauridsen, H. Nguyen, I. Kovacs, P. Mogensen, M. Sorensen, “Coverage and Capacity Analysis of Sigfox LoRa GPRS and NB-IoT”, IEEE 85th Vehicular Technology Conference, Jun. 2017.
[12]B. Reynders, S. Pollin, “Chirp spread spectrum as a modulation technique for long range communication”, 2016 Symposium on Communications and Vehicular Technologies (SCVT), pp. 1-5, 2016.
[13]D. Flore, “3gpp standards for the internet-of-things,” February 2016, gSMA MIoT. [Online]. Available: http://www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1766-iot progress
[14]Y.-P. E. Wang, X. Lin, A. Adhikary, A. Grovlen, Y. Sui, Y. Blankenship, J. Bergman, and H. S. Razaghi, “A primer on 3gpp narrowband internet of things (nb-iot),” arXiv preprint arXiv:1606.04171, 2016.
[15]T. Myers, D. Werner, K. Sinsuan, J. Wilson, S. Reuland, P. Singler, and M. Huovila, “Light monitoring system using a random phase multiple access system,” Jul. 2 2013, uS Patent 8,477,830. [Online]. Available:https://www.google.com/patents/US8477830
[16]“Rpma technology for the internet of things,” Ingenu, Tech.Rep., 2016. [Online].Available:http://theinternetofthings.report/Resources/Whitepapers/4cbc5e5e-6ef8-4455-b8cd-f6e3888624cbRPMA Technology.pdf
[17]Weightless. [Online]. Available: http://www.weightless.org/
[18]“7 nb-iot surprises you need to know about,” Ingenu, Tech. Rep., October 2016. [Online]. Available: http://www.ingenu.com/portfolio/seven-nb-iot-surprises-you-need-to-know-about
[19]P.Popovski, K.F.Trillingsgaard, O.Simeone and G.Durisi, “5G Wireless Network Slicing for eMBB, URLLC, and mMTC: A Communication-Theoretic View,” IEEE Access, vol.6, pp.55765-55799, 2018.