移動蜂窩廣域網與局域物聯網的愛恨情仇

2020-05-28由聞人海瑤發佈於科技

2G/3G退網的大形勢下，無疑給各種物聯網技術帶來了大量的新機會，同時給蜂窩網運營商帶來了更多挑戰。在物聯網高速發展的今天，蜂窩廣域網技術與局域網技術展開了各種較量，同時網絡安全也提到了更高的高度。那麼今後的物聯網發展態勢會如何呢？

工信部文件解讀

5月7日，工信部辦公廳正式發佈了《關於深入推進移動物聯網全面發展的通知》，這是2020年度專門針對物聯網領域的首個文件。

這裏我留下了該《通知》的網址：

http://www.miit.gov.cn/n1146295/n1652858/n1652930/n3757020/c7901465/content.html

通知內容不多，大家都看得懂通知的內容。我這裏精簡一下，就是運營商2G/3G的業務要遷移轉網，建議轉到NB-IoT、4G（包含CAT1）和5G上。工信部又擔心運營商做不好，進行細緻入微的關心。

首先國家工信部最關心原有用户的使用情況，如果運營商2G/3G關閉，那麼原來的用户的業務怎麼辦呢，就要求運營商儘快把NB-IoT、4G（包含CAT1）和5G的覆蓋服務做好，不能影響原來用户的業務發展；與此同時作為運營商親媽的工信部又擔心運營商在這次業務遷移的過程中吃虧太多，首先公開表示建議原有2G/3G用户將原有業務轉到運營商的其他平台上，然後又細心的指導運營商應該尋找更多的應用和配套技術、降低成本、做好解決方案等。

説白了《通知》主要就是兩點，一要求運營商服務好客户維護國家物聯網的高速發展，二是幫運營商出主意，好好幹、多賺錢。這裏我們通過高鐵的例子來類比，由於我國要高速發展，原有的綠皮鐵路（2G/3G）要淘汰了，現在要換上效率更高的鐵路和諧號（NB-IoT）、復興號（5G），原來的T字頭特快列車進行下提速（LTE Cat1）。

那麼鐵路公司（電信運營商）就需要有大量的投入。此時國家鐵路局（工信部）擔心了，表示一定要把鐵路修好，不能影響原有旅客的出行，而且不能只修大城市，小城市也要覆蓋，班次頻率不能降低，原有的鐵路網要求全部覆蓋（要求NB-IoT全面覆蓋和深度覆蓋）。

此時鐵路局又説了，票價也不能太貴，否則原來的乘客都去坐飛機、坐汽車（其他物聯網技術）了，另外一定要做更多的服務，比如列車上要提供餐飲、小食，提供按摩座椅，一定讓更多的人過來坐火車，儘量少虧錢，否則每天空車跑來跑去虧死了（NB-IoT的大量基站處於輕載、空載狀態）

2G/3G退網的大蛋糕何去何從？

《通知》中明確提出到2020年底移動物聯網連接數達到12億的要求，實現這一目標沒有太大懸念。

2019年通信業統計公報數據顯示，截止2019年底移動物聯網連接數已超過10.3億，而在2018年底，這一數字為6.71億。從歷年通信業統計公報數據來看，近年來移動物聯網連接數增長速度是非常快的。

根據最新數據，截止2020年3月底，移動物聯網連接數已達到10.78億，一個季度增長了4800萬。按照這個速度，到年底突破12億也就一步之遙，移動物聯網連接數超過人與人連接數的“物超人”態勢在不久很快就能實現。

然而，這10億以上的移動物聯網設備中，大部分還是基於2G網絡的連接。在2G退網的大背景下，這一結構並不健康。因此，《通知》在發展目標中也明確提出“建立NB-IoT、4G（含LTE-Cat1）和5G協同發展的移動物聯網綜合生態體系”。

一個亮點是《通知》中特別強調Cat1的作用。業界一致認為，未來幾年中，移動物聯網連接結構中，NB-IoT 4G將成為主流方式，而4G中Cat1佔據絕大部分份額，與NB-IoT一起構成中速率和低速率物聯網連接的主力。

目前，國內Cat1產業生態也逐漸完善，以紫光展鋭和ASR為代表的芯片廠商平台佔據主要份額，各家模組廠商相繼推出Cat1模組，使Cat1成為2020年物聯網的一個熱點，模組成本也開啓了下降的通道。從芯片設計的角度看Cat1模組的價格最終會和NB-IoT的相當。

那麼這10億多的移動設備的大蛋糕會被如何分配呢？在分析這個問題之前，需要看一看原有的2G業務的應用範疇，現階段使用量最大的2G物聯網卡主要為POS機，車載，追蹤器、智能穿戴等，還有大量的電網、工廠管理等固定設備。

針對這些需求，可以承接的技術包括NB-IoT、Cat1以及私有局域網（LoRa和小無線技術）。對於網絡安全和管理的要求，大量的企業、工廠、園區都在建設自己的私有網絡，在2G退網後不會再繼續使用移動物聯網，而會使用私有企業網，這一部分約佔總量的5%。

剩下的設備多為移動終端設備，必須使用運營商網絡，也就是NB-IoT與Cat1的競爭。工信部信息通信發展司副司長劉鬱林曾明確提出NB-IoT市場面臨的三大挑戰：

NB-IoT應用有待進一步普及。目前我國大部分NB-IoT連接集中在少數城市，在全國範圍內得到普及的程度還有所欠缺，大量基站處於輕載、空載狀態。

NB-IoT網絡覆蓋還有待進一步完善。部分地區NB-IoT網絡覆蓋水平還不能完全滿足承載2G連接遷移的要求，在局部覆蓋深度方面還需加強。

採用先進移動技術的比例有待進一步提升。現有存量物聯網連接中，2G、3G連接仍佔較大份額，需要加快形成以4G、5G技術梯次承接各類物聯網連接的發展格局。

同時，針對重點應用場景需求，進一步完善優化NB-IoT網絡質量，加強深度覆蓋，有力支撐各類應用繼續上量發展。相對於連接數，物聯網連接結構分佈的目標更為重要，加速淘汰落後產能，以最先進和主流的技術來支撐形成從低速到高速、從高時延到低時延的多層次合理結構的物聯網連接格局，才能在支撐下一個十年各行業數字化轉型過程中承擔“新基建”作用。

對比NB-IoT技術和Cat1技術與2G技術的相似性，Cat1技術相似性更強，其速率完全兼容原2G需求。然而NB-IoT技術的更低功耗和更遠距離對於原有2G的業務沒有任何優勢，其優勢的表計和煙感都是這兩年開發的新業務，都不是2G的原有業務，而助動車管理等一些追蹤類型的應用，NB-IoT技術對於Cat1也沒有任何優勢，加上Cat1的網絡升級和覆蓋更快速，後續此類應用NB-IoT一定也處於下風。綜合考慮大概有10%的原有2G業務會切換到NB-IoT業務，剩下的85%的業務會切換到CAT1。

總結一下原有的2G業務切換，5%為私有網絡，10%為NB-IoT網絡，85%為4G（包含CAT1）。

局域物聯網與蜂窩移動物聯網的恩怨情仇

隨着運營商的手機用户飽和，將工作重心轉移到物聯網市場，於此同時，局域網技術也在物聯網市場進行快速發展，從而形成了授權頻段和非授權頻段的技術之爭。授權頻段的移動蜂窩網技術為NB-IoT、4G（包含CAT1）和5G，而局域物聯網技術有Wi-Fi、ZigBee、LoRa等。

其中最早吹響戰鬥號角的是5G對Wi-Fi的攻擊，號稱5G商業運營之後就不會再有Wi-Fi的市場了，5G會搶佔之前Wi-Fi的市場，再之後就是NB-IoT對LoRa發起長期的攻擊。結果如何呢Wi-Fi和LoRa依然發展的很好，Wi-Fi推出了Wi-Fi6，而越來越多的國內項目都使用LoRa進行私有、專有的佈網。

Wi-Fi是手機和智能家居的標配，幾乎每個家庭和企業都有自己的Wi-Fi局域網；而LoRa是智慧樓宇智慧社區、智慧工廠的標配，招商、萬科等房地產企業都在使用LoRa進行樓宇社區覆蓋，騰訊、阿里等大量的企業都使用LoRa對其園區進行覆蓋。顯然沒有因為受到運營商的網絡炮彈後有所退縮，反而發展的更好。

當時埃隆馬斯克還號稱他的衞星聯網方案可以幹掉電信運營商呢。我們還用剛剛的鐵路案例做類比，運營商的網絡就相當於軌道交通，衞星通訊相當於飛機，而其他局域網通信相當於汽車，運營商説大家都來用火車、地鐵（5G和NB-IoT）不要開汽車（Wi-Fi、LoRa）了，埃隆馬斯克説今後大家出門都別做地鐵和火車（5G和NB-IoT），都坐飛機（衞星通信）。

這是不可能的，是經濟成本決定的，在傳輸同樣數據量和區域覆蓋的總體成本，衞星通信是蜂窩移動網的100倍，蜂窩移動網是局域網的10倍左右。也就是説如果一户家庭對比使用5G和Wi-Fi做同樣的網絡應用，實際產生的社會資源總體成本5G要比Wi-Fi高10倍，這是由物理原理決定的。

同理如果計算平均每個終端設備背後的NB-IoT基站折舊和維護費用是LoRa終端的10倍左右。大家現在看到的NB-IoT成本與LoRa相當只是因為政府補貼導致的，2019年補貼後NB-IoT的物聯網卡每年的流量費1元不到，對此工信部專門出文要求整改不得惡意補貼。2020年運營商的NB-IoT的物聯網卡大幅漲價（現在已經漲價為5元/年），不少此前批量上了NB-IoT產品的企業後悔不已。

其實私有網絡和運營商公有網絡各有其特點，私有網絡的優勢是按需建網，投入成本低，維護靈活，而運營商的網絡投入較大，且服務無法快速及時。不過運營商的蜂窩網具有廣覆蓋和統一標準的優勢，用户可以再大範圍進行漫遊使用。

所以私有網絡僅僅適合一個區域內的網絡，無法實現廣域的覆蓋。每個用户的Wi-Fi的覆蓋僅限於家庭和辦公室內，而每個用户的LoRa覆蓋為一户、一棟樓、或者一個園區。私有網絡與運營商蜂窩網是相輔相成互相支持的。

大家可以設想一下，如果你使用的運營商網絡，當信號不好時，你打電話給運營商，運營商是否馬上來幫你做網絡優化，當網絡設備出現故障或干擾時，運營商能否及時幫用户解決問題，我相信答案一定是否定的。

但是使用私有網絡不存在這個問題，如果這裏信號不好，就增加一個Wi-Fi路由器或增加一個LoRa網關即可，設備故障信號干擾容量超載都可以快速的處理。而公有網絡就很難處理，很可能還存在退網的風險，所以越來越多的企業都在架設自己的私有網絡。

實際上運營商在實際的網絡部署上也採用了建設私有網絡的按需部署方式，比如NB-IoT的項目在做了一些城市的室外覆蓋後，網絡架設的速度很慢，只有在有具體項目的時候才會去做深度覆蓋，沒有項目就不做深度覆蓋，這也是《通知》中強調的問題點。

而現在各大運營商的5G項目都是幫助一些國有大企業做5G專網。這樣運營商才能少許的投入產出比，其他的項目建網投入很大而收入甚微。運營商網絡覆蓋活脱脱的變成了私有局域網的樣子，真的非常惋惜。

針對區域範圍的物聯網應用，從成本考慮，私有網絡更具有優勢。運營商由於5G和NB-IoT的建設投入非常大，而收入甚微，工信部信息通信發展司劉鬱林副司長也説了，大量的NB-IoT基站都處於空載狀態，經過統計平均一個NB-IoT基站一年的收入還不如一個高端4G手機用户，連電費都支撐不起來。這也是NB-IoT有項目才佈網的苦衷。

安全討論

運營商的網絡和私有網絡到底哪個更安全呢？安全問題一直是運營商攻擊私有網絡的口號，但是事實上是私有網絡更安全，運營商的網絡很不安全。我們可以從市場和技術兩個層面進行分析。

首先看市場，軍隊的網絡覆蓋都沒有采用運營商網絡；公安在各個城市的安全網絡都是自己獨立部署的包括對講系統、通信系統等；國家電網也是採用自己的協議標準大力的建設自己的私有網絡，從專網光纖到230MHz網絡，每一步都是要儘快脱離運營商網絡。

其並不在乎每年幾千萬的通信費，更在乎的是安全；同樣國內大量的企業和房地產公司都使用自己的私有網絡進行覆蓋，近距離的一般採用Wi-Fi，長距離的採用LoRa。這些市場現象都表明私有網絡更加安全。

在網絡攻擊上，在深圳華強北都可以買到偽基站，可以收集一定範圍內用户的數據並可以羣發短信，曾經不少犯罪分子使用它進行詐騙。這也是《通知》中強調的問題點，工信部要求運營商對移動物聯網安全防護和數據保護，從側面也説明了運營商的網絡安全漏洞問題一直是工信部頭痛的問題。

安全對比可見一斑。這也是為什麼國內的大企業都在建設自己私有的5G專網的原因，這些5G專網也是運營商積極推動的產物，既然公網和私網的5G網絡服務質量一樣，為什麼這些大企業還要建設自己的5G專網呢，是因為私網更安全。

在分析技術安全性之前，這裏有一點需要補充，LoRa其實是一個物理層的通信技術，相當於FSK、ASK、PSK的調製技術，運營商的NB-IoT、4G、5G以及WI-Fi藍牙等無線通訊技術都是採用這三種FSK、ASK、PSK這三種調製技術進行通信的。

LoRa生態在國外是運營商使用的LPWAN技術LoRaWAN，而在國內LoRa的推廣一直是作為一種局域網無線技術使用，被稱之為“長Wi-Fi”，使用方式和Wi-Fi完全相同，只是工作距離遠、功耗低、傳輸速率小而已。

根據物聯傳媒的LoRa白皮書調研報告，中國只有5%的LoRa產品採用LoRaWAN協議，剩下的95%都採用私有局域網協議。而國內的運營商一直沒有搞清楚LoRa是什麼，一直覺得是NB-IoT的對手都是爭奪LPWAN市場的，其實不然，LoRa在國外和國內完全不同。LoRa現在國內的重點是室內應用，最大的對手是ZigBee。

技術分析一個數據是否安全，可以通過射頻物理層分析、數據傳輸過程分析和安全加密方算法三個方向進行分析。

從物理層分析，數據的安全性主要為該信號的隱蔽性強，隱蔽性強又叫做可檢性低(LPI---Low Probability of Intercept)，不容易被偵破，對各種窄帶通信系統的干擾很小。如圖所示，擴頻前數據高於噪聲基底，其信號非常容易被檢測。當信號被擴頻後，信號完全在噪聲基底之下，無法通過能量強度的方式檢測出來。這也是軍工行業一直使用擴頻技術作為通信手段的原因。

由於擴頻信號在相對較寬的頻帶上被擴展了，單位頻帶內的功率很小，信號湮沒在噪聲裏，一般不容易被發現，而想進一步檢測信號的參數如隨機加密就更加困難，因此説其隱蔽性好。再者，由於擴頻信號具有很低的功率譜密度，它對使用的各種窄帶通信系統的干擾很小。在安全性上LoRa技術也繼承了擴頻技術的優點，一般設備很難偵破和干擾到LoRa信號。

在所有上述討論的物聯網通信技術中，LoRa技術可以在噪聲下25dB解調，而其他的物聯網通信技術必須高於噪聲一定強度才能實現解調。

其他的物聯網通信技術的波形可以使用頻譜儀設備輕鬆抓到數據並進行很容易被幹擾。當然Wi-Fi等技術由於工作距離近，不容易被遠距離較近，不容易泄露信號到較遠距離。相比之下，移動蜂窩網絡由於工作距離較遠，且不具有LoRa擴頻的優點，在物理層安全方面不如局域網物聯網技術。

從數據傳輸過程分析，使用公網技術的終端設備的數據先到達基站，再到達移動交換中心，最後到達運營商的雲端，再將最終的數據轉發給客户應用端或客户的雲端。而使用私網的數據是不需要到達運營商的雲端這一步驟的。

私網的Wi-Fi和LoRa數據直接在本地就完成採集和計算，數據甚至不會離開這個園區的範圍。數據傳輸越遠，中轉次數越多，安全性越差，而採用私網技術數據可以完全存儲在本地，數據一直掌握在自己手中才是真正的安全。

許多政企的網絡都是內網外網做隔離的，這個隔離就是為了網絡安全，如果採用私網可以直接對接原有政企的內網，安全級別非常高；如採用公網技術，則只能通過外網，此時如果要把數據轉移到內網，安全性會大打折扣。

這也是前面提到的國內的大企業都在建設自己私有5G專網的原因，這些5G專網會在基站本地處理並直接交付用户本地服務器。從數據傳輸過程分析移動蜂窩網技術代表的公網完敗於局域網物聯網技術代表的私網。

從數據加密方法分析，移動蜂窩網技術代表的公網由於為了方便和效率，採用相同的加密方法，其即使具有一定的加密等級，也很容易被攻破。畢竟不能為了安全而犧牲效率和便捷性，因為公網傳播的數據安全級別要求不同，絕大多數的數據都不需要較高的安全性，為了少數的安全性犧牲大多數的效率是得不償失的。

所以即使在有國家執法機關的全力支持下，依然有大量的偽基站設備出現，這個是無法避免的。因為公網的普遍性，無法針對安全做太多的定製服務，其必須在兩者之間做平衡。而私有網絡則完全不同，它們可以根據客户的需求武裝成為“裝甲車”，數據的安全加密算法和手段可以盡其所能，為了安全可以犧牲數據率，也可以犧牲成本，這是公網所完全不具備的。

尤其LoRa技術，只是一個物理層的透傳技術，用户可以在其網絡層鏈路層架設自己的安全引擎，可以進行最深度的定製，還可以加入硬加密芯片，如國民技術就開發了LoRa的安全芯片，具有比U盾還高的安全級別。從數據加密方法分析公網技術再次完敗。

近日，國家互聯網信息辦公室、國家發改委等12個部門聯合發佈了《網絡安全審查辦法》（以下簡稱《辦法》）。國家互聯網信息辦公室有關負責人就《辦法》相關問題回答了記者的提問。具體鏈接如下：

http://www.gov.cn/zhengce/2020-05/07/content_5509544.htm 。

針對網絡安全審查是否會限制或歧視國外產品和服務的問題，官方給出了準確答覆：《辦法》明確規定了要審查的內容，從中可以看出，網絡安全審查的目的是維護國家網絡安全，不是要限制或歧視國外產品和服務。

對外開放是我們的基本國策，我們歡迎國外產品和服務進入中國市場的政策沒有改變。其實準確的説來，Wi-Fi、藍牙、Zigbee、LoRa、2G、3G、4G這些都不是中國技術，即使5G和NB-IoT也不是100%的中國技術，從上述技術的芯片和模組構成分析也沒有100%中國生產的。《辦法》中也從未提及建議應使用運營商的公網，反而是建議使用更加安全可控的網絡，眾所周知私有網絡自然是更加安全可控。

這也是電力、水利、廣電、應急管理、民航等重要領域都採用私有網絡的原因，這些部門也是《辦法》中重點指出的影響或可能影響國家安全的部門，他們在國家的指引下使用私有的專網保證信息安全。事實上，上述的每個部門都有利用LoRa和Wi-Fi技術實現其專網的案例,並不斷擴大。

結束語

移動蜂窩廣域網與局域物聯網的發展各有特點，總的來説是一種相輔相成的關係，雖然免不了競爭，但互相配合共同推動物聯網發展是歷史的大方向。一個技術是否有優勢，是否可以取代另外一個技術，最主要的是看其技術的特點，是否符合市場的需求。政府的各種公告和文件的目的希望看到中國物聯網發展的大趨勢，一定不會針對某個技術進行打壓，市場會做合理的調節。

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