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边缘计算的服务对象通常是各种异构的终端设备，而这些终端设备一般是资源有限的低功耗设备，多采用无线方式接入边缘网络进行任务卸载。在任务卸载的过程中，传输速率的快慢是影响整体性能的重要因素之一，而终端设备采用的无线传输方式将直接影响任务传输速率。因此，无线传输技术是终端设备接入边缘网络中的关键技术。终端设备根据应用场景需求、边缘设备部署情况等选择合适的传输技术。通常情况下，根据构建的网络类型，相关的无线传输技术主要有以下几种：
❑无线局域网（Wireless Local Area Network, WLAN）传输技术：主要是基于IEEE802.11标准 [3] ，目前最广泛的应用是Wi-Fi。
❑无线广域网（Wireless Wide Area Network, WWAN）传输技术：主要包括移动通信蜂窝网络，如4G、5G、6G通信技术等。
❑低功耗广域网传输技术（Low Power Wide Area Network, LPWAN）：典型的技术包括Sigfox、LoRa、NB-IoT、LTE-M等通信技术。
无线局域网是通过无线通信技术进行数据传输的系统。区别于传统使用导线和电缆所连接的局域网，无线局域网采用无线电波或电场与磁场作为数据传输介质，弥补了有线网络的不足。无线局域网的主干网络使用有线电缆，而用户只需通过一个或多个无线接入器接入局域网，从而使得网络构建和终端移动更加灵活方便。目前应用最为广泛的无线局域网协议是Wi-Fi，多应用于家居、商场、机场、学校等边缘计算场景。
无线局域网最通用的标准是IEEE定义的802.11系列标准，目前已更新到IEEE 802.11ax标准，即Wi-Fi 6协议。表3-1展示了Wi-Fi世代列表。IEEE 802.11系列标准最早于1997年正式发表，定义了介质访问接入控制层和物理层，物理层定义了工作在2.4GHz和ISM频段（industrial scientific medical band）上的两种无线调频方式和一种红外传输方式，总数据传输速率定义为2Mbps。1999—2000年在此基础上补充了两个版本，分别是IEEE 802.11a和IEEE 802.11b。IEEE 802.11a标准首次引入正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）技术，使用5GHz频段提供最高54Mbps的速率。IEEE 802.11b标准在2.4GHz频段上提供最高11Mbps的速率，由于2.4GHz频段为世界上绝大多数国家通用，因此IEEE 802.11b标准得到了广泛应用。2003年提出的IEEE 802.11g标准将正交频分复用技术应用到了2.4GHz频段上，提供最高54Mbps的速率，并与IEEE 802.11b标准保持向后兼容和互操作性，在市场上大获成功。为了进一步改善IEEE 802.11a标准和802.11g标准在网络流量上的不足，2009年提出的IEEE 802.11n标准（即Wi-Fi 4协议）引入了多输入多输出（Multi-Input Multi-Output, MIMO）技术，该技术允许更多的天线创建更多的数据流，最高传输速率可达600Mbps。2014年IEEE 802.11ac标准（即Wi-Fi 5协议）进一步引入多用户多输入多输出（Multi-User Multi-Input Multi-Output, MU-MIMO）技术，支持8个MIMO空间流，使用5GHz频段且最高速率可突破1Gbps。
表3-1 Wi-Fi世代列表
目前最新的IEEE 802.11ax标准（即Wi-Fi 6协议）支持从1GHz至6GHz的所有ISM频段，包括目前已使用的2.4GHz和5GHz频段，且向下兼容IEEE 802.11a/b/g/n/ac。于2020年1月3日开始使用6GHz频段的IEEE 802.11ax称为Wi-Fi 6E协议。Wi-Fi 6协议中的主要关键技术包括：
❑正交频分多址（Orthogonal Frequency-Division Multiple Access, OFDMA）技术：是频分多址（Frequency Division Multiple Access, FDMA）技术的演进，使用大量的正交窄带子载波（subcarrier）来传输信息，同时面向上行链路和下行链路有效共享信道，使得多个终端可以同时并行传输，减少信道冲突，提高整体网络效率并有效降低时延。
❑多用户多输入多输出（MU-MIMO）技术：允许一次传输更多下行链路数据，使得接入设备能够同时和多个终端通信，扩大了网络总吞吐量和容量，提高了网络数据传输速率。
❑160MHz信道：增大带宽，能够以更低的时延提供更高的性能。
❑1024正交幅度调制（1024-Quadrature Amplitude Modulation，1024-QAM）模式：能够在同样数量的频谱中编码更多的数据，提高了设备的吞吐量。
Wi-Fi协议是目前应用最为广泛的无线局域网传输协议，在边缘计算的任务卸载中发挥着重要的作用。Wi-Fi接入点通常会被较为密集地部署在室内，提供高速的数据传输服务，终端设备上的服务请求就能够被快速卸载到边缘服务器上。例如，当用户的移动设备上产生如语音识别、视频分析等计算任务时，就能将计算任务通过Wi-Fi快速传输至边缘网关，从而降低能耗并提高了整体效率。
无线广域网是通过无线网络将物理距离极为分散的局域网连接起来的通信方式。无线广域网传输技术主要包括移动通信蜂窝网络，如目前已被广泛使用的4G、5G通信技术和仍处于发展阶段的6G技术。
1.4G通信技术
4G通信技术是第四代移动通信技术（4th Generation Mobile Communication Technology，简称4G），它在2G和3G通信技术的基础上添加了一些新的技术，从而使得无线通信信号更加稳定，数据传输速率、通信质量更高。按照国际电信联盟（ITU）的定义，4G静态传输速率最高可达1Gbps，用户在高速移动状态下可达100Mbps。同时，4G通信技术提高了兼容性，减少了软硬件工作中的冲突，在很大程度上避免了闪退、卡顿等故障的发生，使用户体验更加流畅顺利。
4G通信技术基于3G通信技术不断优化升级，它将WLAN技术和3G通信技术进行了很好的结合，比3G技术具有更大的竞争优势。首先，4G通信技术在图像、视频传输质量上得到了很大的提升，能够实现原图、原视频的高清传输。其次，4G通信能够实现文件、图片、音视频等下载速度最高达到每秒几十兆的速度，这是相较于3G通信（普遍提供2Mbps的速度）而言最大的优势，使得用户能获得更好的使用体验。
4G通信的关键技术包括以下几个方面：
❑正交频分复用技术：是一种频分复用方案，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，实现高速串行数据的并行传输。1971年，OFDM技术得到了改进，引入保护间隔，若保护间隔大于最大时延扩展，则能够最大限度地消除多径带来的符号间干扰（Inter-Symbol Interference, ISI），如果用循环前缀作为保护间隔，还可避免多径带来的信道间干扰。
❑多输入多输出技术：多输入多输出技术利用了映射技术，在发送端和接收端使用多根天线，发送设备将信息发送到无线载波天线上，天线在接收信息后迅速对其进行编译，并将编译后的数据编成数字信号发送到不同的映射区域，再利用分集和复用方式对接收到的数据信号进行融合，从而在收发之间构成了多个信道的天线系统，极大提高了信道容量和频谱效率。
❑软件无线电（Software Defined Radio, SDR）技术：是一种无线电广播通信技术，基于软件定义的无线通信协议而非传统的纯硬件电路连线。通过将宽带模拟数字变换器或数字模拟变换器充分靠近射频天线，编写特定程序代码，以软件的形式完成频段选择、调制解调等，实现具有高灵活性和开放性的无线通信系统。
2.5G通信技术
5G通信技术是目前最新一代的移动通信技术，是4G系统的演进。高速率、低时延、大连接成为5G最突出的特征，用户体验速率可达1Gbps，时延低至1ms，用户设备连接能力达到每平方公里一百万的连接密度。国际电信联盟定义了5G的八大关键性能指标，其中包括移动性、时延、峰值速率和频谱效率四项传统移动带宽的关键技术指标，以及新定义的用户体验速率、连接数密度、流量密度和能效，具体而言：
❑移动性：支持500km/h的高速移动。
❑时延：最低时延达到1ms。
❑峰值速率：峰值速率可达10Gbps～20Gbps，是4G网络的十几倍。
❑频谱效率：5G基站采用64天线发射，在密集城区的频谱效率在10bps/Hz左右。
❑用户体验速率：支持0.1Gbps～1Gbps的用户体验速率，最高速率较4G网络的10Mbps有巨大提升。
❑连接数密度：可实现每平方公里一百万的连接数密度，支持大量设备与网络并发连接，满足物联网的通信需求。而4G网络的典型连接密度仅为每平方公里2000个连接。
❑流量密度：流量密度达到10Tbps/km 2 ，相较于4G网络提升了近百倍。
❑能效：整体能效相较于4G提升了十倍。
此外，国际电信联盟还定义了5G的三大应用场景，即：
❑增强移动宽带（enhanced Mobile Broadband, eMBB）：eMBB的典型应用场景如高清视频直播、VR/AR体验等，也是5G的主要应用场景。eMBB是4G LTE移动宽带服务的演进技术，旨在满足用户对高速数据日益增长的需求，大幅提高数据传输速率，具有更高的吞吐率和更大的容量。
❑超高可靠低延迟通信（ultra-Reliable Low Latency Communication, uRLLC）：uRLLC是指将网络应用在需要不间断和稳定数据链接的关键任务场景，如自动驾驶、远程医疗、工业产线等领域，通常对可靠性和时延要求较高。uRLLC能提供低于1ms延迟的可靠无线通信连接。
❑海量机器类通信（massive Machine Type Communications, mMTC）：mMTC应用于大量设备的互联通信，如智慧城市、智能家居、云计算、环境检测等，通常对连接密度要求较高，海量设备将集中交接在较小的范围内。
eMBB是对用户体验的进一步提升，主要追求的是人的通信体验。而uRLLC和mMTC则是物联网的应用场景，但uRLLC侧重于物与物之间的通信需求，mMTC侧重于人与物之间的信息交互。
根据3GPP [4] 公布的5G网络标准制定过程，5G整个网络标准分为两个阶段完成。第一阶段是R15阶段，在2018年6月完成独立组网的5G标准，支持增强移动带宽和低时延高可靠性物联网，完成网络接口协议。第二阶段是R16阶段，在2019年12月完成满足国际电信联盟全部要求的完整的5G标准。
5G通信的关键技术主要包括：5G通信采用毫米波波段，频率在30GHz到300GHz之间，波长范围1mm～10mm。同时，采用MIMO技术和OFDM技术，使得设备能够在多个信道使用多条天线组成的天线阵列同时收发数据，由于具有足够的可用带宽和较高的天线增益，从而可以支持超高速的传输速率。5G通信还利用波束自适应和波束赋形技术，通过使用传感器阵列定向发送和接收信号，减小信号的衰落。利用滤波组多载波（Filter Bank Multi-Carrier, FBMC）技术，通过一组滤波器对信道频谱进行分割从而实现信道频率复用，极大提高了频率效率。采用非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA）技术，该技术通过利用不同的路径损耗差异来对多路发射信号进行叠加，从而提高信号增益。在正交多址（Orthogonal Multiple Access, OMA）技术中只能为一个用户分配单一的无线资源，而NOMA技术可将资源分配给多个用户，从而可以解决由于大规模连接带来的网络挑战。除此之外，5G通信还使用了超带宽频谱、网络切片、超密度异构网络等技术。
然而目前5G技术的发展也面临着许多挑战：由于5G采用了毫米波波段来提高频率，而毫米波的辐射范围小、绕射能力弱，这导致5G信号绕过障碍物的能力不如3G和4G，需要更加密集的架设基站减缓发送范围小的问题。因此，如何实现使用更少的基站服务更大的范围成了一个挑战。此外，随着5G网络的普及，连接网络的物联网设备不断增加，5G网络相比于前几代蜂窝网络具有更大的攻击面，且5G网络更加复杂，因此安全性也是一个挑战。
边缘计算在5G技术的发展上也发挥了关键作用。边缘计算技术能够在用户更靠近数据源的地方分析数据，不需要将数据传送到云端处理，能够提高整体速率。边缘计算低时延、高带宽、对无线网信息位置的实时感知等特点，都能更好地满足移动运营商、用户、应用程序对时延、可扩展性等方面的需求。
3.6G通信技术
6G通信技术是5G通信技术的延伸，目前仍处于开发阶段，已有许多国家发布了发展6G的战略计划。2018年，芬兰开始研究6G相关技术。同年，中国工业和信息化部部长苗圩宣布中国开始致力于6G的发展。美国国防高级研究计划局与SRC公司、纽约大学坦登工程学院等合作，于2018年1月成立“大学联合微电子学项目（Joint University Microelectronics Program, JUMP）”，其子项目之一“太赫兹与感知融合技术研究中心（ComSenTer）”致力于研究6G关键技术太赫辐射。韩国的三星公司和LG电子公司都在2019年设立了6G研究中心。2020年2月，国际电信联盟在瑞士日内瓦召开的第34次国际电信联盟工作组会议上正式启动面向2023年及未来6G的研究工作，此次会议明确了2023年底前国际电联6G早期研究的时间表，包含形成未来技术趋势研究报告、未来技术愿景建议书等重要报告的计划。
6G通信技术的总体愿景是基于5G愿景的进一步扩展和升级。针对5G技术在信息交互方面存在的空间范围受限以及仍无法满足某些垂直行业应用等问题，6G主要的技术目标是具有更大的传输带宽、更低的时延、更高的可靠性、更广泛的连接以及更智能化的网络特性。目前对6G通信技术的研究中，比较有前景的几项关键技术如下：
❑太赫兹（THz）通信。太赫兹通信是指用太赫兹波作为信息载体进行的空间通信。由于太赫兹波介于微波与远红外光之间，处于电子学向光学的过渡领域，因此它集成了微波通信与光通信之间的优势。太赫兹通信的传输容量更大，太赫兹波的频段介于0.1THz至10THz之间，相比于5G的毫米波频段有着更高的工作频率，可提供高达10Gbps的无线传输速率，比目前的超宽带技术快了百倍甚至上千倍 [5-9] 。太赫兹波束更窄、方向性更好，可以探测更小的目标并进行更精准的定位。同时，太赫兹波具有更好的保密性和抗干扰能力，能够实现更加安全的通信。由于太赫兹波长相对更短，在实现同样功能的情况下无线的尺寸能够做得更小，其他系统结构更加简单。此外，太赫兹波具有很好的穿透性，它能以很小的衰减穿透烟尘、墙壁、碳板、布料等介质，更好地适用于一些跨障碍物通信的特殊场景。
❑可见光通信（Visible Light Communication, VLC）。光无线通信（Optical Wireless Communications, OWC）是一种对现有的无线射频通信技术的补充，频段包括红外线、可见光和紫外线，可以有效缓解当前射频通信频带紧张的问题，其中可见光频段是OWC最重要的频段。可见光的频率介于400THz～800THz，可见光通信充分利用可见光发光二极管（Light Emitting Diode, LED）的优势，实现照明和高速数据通信的双重目的。与传统的无线电通信相比，VLC具有许多优势。首先，可见光通信技术提供了超高带宽（THz）且频谱使用不受限制，不需要频谱监管机构的授权。其次，VLC不会产生电磁辐射，也不易受到外界电磁的干扰，因此适用于医院、飞机、加油站、化工厂等对电磁干扰敏感的场景。同时，VLC的传输介质是可见光，无法穿透墙壁等不透明遮挡物，从而使得网络信息的传输被限制在了一个建筑物之内，大楼外的接收器无法接收信号，能够有效避免传输信息被外界恶意截获，也减少了区域间的相互干扰，保证了信息传输的安全性。除此之外，VLC支持快速搭建无线网络，室内可见光通信技术还能利用室内的照明光源作为基站，结合其他有线、无线通信技术为用户提供便捷的室内无线通信服务，减少了基站建设和维护成本。
低功耗广域网（Low Power Wide Area Network, LPWAN）是一种范围广、低功耗的远程无线网络通信技术，具有远距离、低功耗、低带宽、低成本、大连接等特点，是物联网的核心组成网络之一。虽然4G/5G等移动蜂窝网络应用广泛，但仍存在着物联网设备功耗大、成本高等劣势，而LPWAN正是为满足物联网需求的低功耗远程无线通信技术。目前，LPWAN尚未形成统一的标准，典型的技术包括LoRa、Sigfox、NB-IoT等，根据使用的无线电频段可分为两类：
❑使用授权频段的通信技术：主要由3GPP主导的电信运营商投入建设运营，且设备在授权频段内通信，如NB-IoT、LTE-M等，网络通信干扰小、可靠性高，但需要额外向运营商付费，因此部署成本和维护使用成本较高。
❑使用非授权频段的通信技术：主要为私有技术，工作频段未授权，如LoRa、Sigfox等，具有部署成本低、运营难度低、实施灵活的特点。
1.LoRa
远距离通信（Long Rang, LoRa）技术是Semtech公司开发的一种LPWAN通信技术 [10] ，解决了功耗与传输距离之间矛盾的问题，实现了在相同功耗条件下较其他无线通信方式具有更远的传输距离。LoRa使用ISM频段，不需要许可和费用，通信距离最远可达数千米。2015年LoRa联盟（LoRa Alliance）宣布成立，该联盟是开放的、非营利组织，旨在推动LoRa网络标准的标准化和确保所有LoRa产品技术的互操作性，目前全球成员已超过了500个，其中包括IBM、Microchip以及中国的腾讯、阿里巴巴等公司。
LoRa网络主要由终端、网关、网络服务器和应用服务器组成，应用数据可支持双向传输。LoRa网络架构是一个典型的星形拓扑结构，其中LoRa网关是一个透明传输的中继，连接终端设备和后端服务器。网络终端设备通过LoRa无线通信与网关连接，网关再通过标准IP连接与网络服务器连接。从终端设备到网关的传输称为上行链路，从网关到终端设备的传输称为下行链路，LoRa网络将终端设备划分成A、B、C三类：
❑Class A：双向通信终端设备。这类终端设备允许双向通信，每个终端设备的上行链路传输会伴随着两个下行链路接收窗口。终端设备根据自身的通信传输需求安排传输时隙，并基于ALOHA协议进行微调。Class A是功耗最低的终端设备，下行链路通信只能在终端的上行链路通信之后。
❑Class B：具有预定接受时隙的双向通信终端设备。这类终端设备在Class A的基础上，会在预设时隙中开放多余的接受窗口。为此，终端设备会同步从网关接收一个同步时间信标Beacon，通过Beacon使服务器知道终端设备何时在侦听。这种方式能够降低数据的传输时延，但同时也增加了终端设备的功耗。
❑Class C：具有最大接收时隙的双向通信终端设备。这类终端设备持续开放接收窗口，只有在传输时关闭，因此适合于需要更多下行链路传输的应用，但也会比Class A和Class B产生更多能耗。
LoRa的物理层和MAC层设计LoRa为半双工系统，上下行工作在同一频段。目前国内单芯片支持的LoRa系统带宽为2Mbps，包括8个固定带宽为125kbps的信道，每个固定带宽的信道之间需要125kHz的保护带，则至少需要2Mbps的系统带宽。每个信道支持6种扩频因子（Spreading Factor, SF），SF范围在7～12。每次终端设备进行上行链路数据发送或重发时会在8个信道中采用随机方式选择一个信道接入。终端和网关的通信会根据通信距离、信号强度、消息发送等因素选择不同的速率，即选择不同的SF。当链路环境较好时，可以选择较低的SF，获得较高的速率；而当链路环境较差时，可以通过增大SF来获得更高的灵敏度使传输距离更远，但同时传输速率会降低。
LoRa具有远距离、低功耗、大容量、低成本等特点，具体而言：
❑远距离：在城市等建筑物密集或遮蔽较多的区域中传输距离可达2公里，而在传播路径没有明显遮挡的郊区可实现10公里左右的通信范围 [11] 。扩频因子越大，对信号干扰的鲁棒性越强，传输距离越远。
❑低功耗：LoRa的接收状态电流为12mA，当发射功率在14dBm时电流大约为32Ma，当进入睡眠状态时电流消耗小于1μA。同时，采用ADR（adaptive data rate）机制能够在无线条件允许的情况下使用更高的速率发送数据，自动降低发送功率，从而降低能耗，延长电池寿命。
❑大容量：由于终端信道会根据不同的链路环境自适应地选择扩频因子，即以不同速率进行传输。即使两个设备同时发送数据，只要扩频因子不同，仍有很大概率能够成功解码。因此，LoRa网关允许单个信道内可以有多个终端同时工作。
❑低成本：采用非授权频谱，无须缴纳额外费用。
2.Sigfox
Sigfox是由2009年创立的法国网络公司Sigfox所开发的[12]，是以超窄带（Ultra Narrow Band, UNB）调制技术连接物联网设备的无线网络通信技术，采用二进制相移键控（Binary Phase-Shift Keying, BPSK）和频率偏移调变（Frequency-Shift Keying, FSK）技术，利用ISM频段通信，在欧洲是868MHz，美国是902MHz，其他国家或地区的频段范围为902～928MHz。Sigfox具有低功耗、低成本、远距离等特点。截至2019年底，Sigfox网络已覆盖全球70个国家，覆盖范围达500万平方公里。
超窄带技术的接收器具有高度选择性，它可以在接收到信号后先过滤出部分可能在窄带之外的噪声和干扰，从而具有更远的传输距离和更强的穿透力。Sigfox使用192kHz频谱带宽的公共频段来传输信号，采用超窄带调制方式，每条信息的传输宽度为100Hz，并以100bps或600bps的速率传输数据。因此，可以实现长距离传输，且对噪声具有较强的鲁棒性。
为了实现低成本的远距离传输以及终端设备的低功耗，Sigfox设计了一种短消息通信协议，消息大小支持0～12B。12B的有效负载足以传输状态（1B）、速度（1B）、温度（2B）、GPS坐标（6B）等信息，适用于水表、电表、路灯控制等应用，由于降低了信息传输量，能够有效降低物联网装置的能耗。
Sigfox网络架构如图3-3所示，主要包括终端设备、Sigfox基站、Sigfox云服务器、应用服务器。终端设备通过无线信道与Sigfox基站连接，Sigfox基站负责接收数据包并回传给Sigfox云服务器，Sigfox云服务器再将数据包分发给相应的应用服务器，实现应用服务器与终端设备之间的无线连接。
3.NB-IoT
窄频物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）是由3GPP制定的LPWAN无线电标准 [13] ，于2016年6月的3GPP Release 13中制定，目的是提供更远的服务范围。其他的3GPP物联网技术包括增强型机器类通信（enhanced Machine-Type Communication, eMTC）以及扩展覆盖GSM物联网（Extended Coverage-GSM-IoT, EC-GSM-IoT）。
NB-IoT是针对低功耗、广覆盖类业务的新一代蜂窝物联网接入技术，支持待机时间长、对网络连接要求较高的设备连接，具有覆盖广、低功耗、低成本、大连接等特点，广泛应用于智慧电表、共享单车、智慧烟感、智慧门锁、可穿戴设备等场景。
图3-3 Sigfox网络架构
NB-IoT的上行链路和下行链路采用不同的调制方式，上行链路采用单载波频分多址（Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access, SC-FDMA）技术传输，是LTE上行链路的主流技术；下行链路采用正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA），也是LTE中采用的通信技术。相比于LTE技术而言，NB-IoT精简了不必要的物理信道，上行链路只有两种物理信道和一种参考信号，下行链路去除了物理多播信道（Physical Multicast Channel, PMCH），只有三种物理信道和两种参考信号，因为NB-IoT不提供多媒体广播（组播）服务。
NB-IoT的其中一个特点是能够直接部署在运营商已有的网络中，从而实现低成本。NB-IoT沿用了LTE定义的频段号，载波频宽为200kHz，去除保护带后的有效频宽为180kHz，与LTE帧结构中的一个资源块的频宽相同，并支持以下三种灵活的频段部署，如图3-4所示。
图3-4 NB-IoT的三种部署方式
❑独立部署（stand alone operation）：NB-IoT可以不依靠现有的LTE网络，独立部署于单独的频段内，适用于全球移动通信系统（Global System for Mobile communications, GSM）频段的重耕，GSM的信道带宽为200kHz，正好可以为NB-IoT 180kHz的带宽辟出空间，并且还能在信道两边各留出10kHz的保护带。
❑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信道边缘的保护频带中未使用的180kHz带宽的资源块。由于这种部署方式占用了保护频带，因此需要满足一些额外的技术要求来避免LTE和NB-IoT之间的信号干扰。
❑带内部署（in-band operation）：NB-IoT部署在LTE的频段内，由于LTE帧结构中一个资源块的带宽为180kHz，与NB-IoT带宽相同，因此可以利用LTE中的任何资源块。
NB-IoT的工作状态通常可以分为三种：
❑CONNECT状态：该状态下仅能发送数据。
❑IDLE状态：该状态下仅能接收数据。
❑PSM状态：休眠状态，该状态下既不能发送数据也不能接收数据。
为了实现LPWAN网络低功耗的要求，NB-IoT的终端设备具有三种不同功耗的工作模式，如图3-5所示。
图3-5 NB-IoT的三种工作方式
❑非连续接收（Discontinuous Reception, DRX）模式：DRX是广泛应用于手机中的一种模式，在每个DRX周期（常见的DRX周期有1.28s、2.56s或5.12s）内，终端设备会监听一次信道以检测是否有下行数据到达。由于DRX周期通常较短，可以认为终端设备能够实时地接收数据，适用于对实时性要求较高的业务，如共享单车、智能锁等。
❑扩展非连续接收（extended DRX, eDRX）模式：eDRX是在DRX的扩展，在DRX的基础上引入寻呼时间窗口（Pagging Time Window, PTW），终端设备只有在PTW内接收下行数据，其余时间处于休眠状态，这也就是eDRX周期，eDRX周期为20.48s～2.92h之间。相比于DRX模式，eDRX模式的数据传输时延更大，但能耗较低，适用于无须频繁发送数据的场景，如物流监控等。
❑省电模式（Power Saving Mode, PSM）：在PSM状态下终端设备无法接收物联网平台的下行数据，休眠时间最长可达390h。只有当终端设备进行一次数据发送离开PSM状态进入CONNECT状态再转入IDLE状态时才能接收到平台下发的数据。因此，PSM下物联网平台只能在终端设备主动上传数据时才能进行数据下发，适用于对实时性要求很低的应用场景，如远程水表、电表等。
前面我们从物理层和数据链路层出发，介绍了许多无线通信技术，如Wi-Fi、4G/5G/6G和LPWAN等，解决了各种物联网应用场景的需求。然而在网络层想要建立统一的接入协议较为困难，因此，需要在应用层建立对数据和服务统一的通信机制，以实现物联网设备间的高效数据传递。本节将从应用层协议的角度出发，介绍物联网边缘计入的典型通信服务协议。
1.MQTT
MQTT协议是IBM于1999年发布的一种基于“发布/订阅（publish/subscribe）”模式的通信传输协议 [14] ，工作在TCP/IP协议族上，是为硬件性能低下的远程设备以及网络环境较差的情况设计的轻量级二进制通信协议。相较于HTTP而言，MQTT的一大明显优势是数据包开销较小，因此更容易进行网络传输，能够为物联网设备提供实时可靠的消息服务。
MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。发布/订阅模式提供了一对多的消息分发机制，定义了两种网络实体，即消息代理（message broker）和客户端（client），其中消息代理作为服务器用于接收来自客户端的消息并转发给目标客户端。如图3-6所示，客户端既可以作为消息发布者（publisher）发送消息也可作为订阅者（subscriber）接收消息，或者两者都是，而消息代理服务器只能作为发布者转发消息而不可能是订阅者。消息的传输是通过主题（topic）管理的，当发布者需要发布数据时，会向所连接的消息代理发送携带数据的控制消息，而消息代理会向订阅此种主题的客户端分发数据。因此，发布者不需要知道订阅者的数据和位置，订阅者也不需要了解发布者的相关信息，实现了发布者和订阅者之间的解耦。
图3-6 MQTT消息传输
MQTT协议具有速度快、开销小、低功耗、对带宽和硬件要求较低等特点，这也使得MQTT在物联网开发中应用广泛。目前国内已有许多企业使用MQTT作为Android手机客户端与服务器端消息传输的协议，其中包括搜狐和思拓合众（CmsTop）等。
2.AMQP
高级消息队列（Advanced Message Queuing Protocol, AMQP）协议是一个提供统一消息服务的应用层标准高级消息队列协议，是面向消息中间件提供的开放的应用层协议 [15] 。AMQP规范了消息传输发送方和接收方的行为，使消息在遵从规范的客户端应用和消息中间件服务器实现全功能互操作性，不受开发语言等条件的限制。
AMQP协议架构如图3-7所示。首先，生产者将消息发送给AMQP代理，代理收到消息后由交换机根据路由规则将消息路由到若干个该服务器上的消息队列中，最后代理会将消息投递给订阅了此消息的消费者或者由消费者自行获取。为了避免由于网络不可靠等原因引起的消费者未成功处理完消息就丢失了的情况，AMQP模块还包含一个消息确认（message acknowledgements）机制，当消费者处理完消息后会发送一条确认回执给对应的消息队列，消息队列在收到确认回执后才会将该消息从队列中删除。在整个AMQP协议工作过程中，生产者、交换机、队列和消费者都可以有多个，由于AMQP是一个网络协议，所以它们都可以分别存在于不同的设备上。
图3-7 AMQP协议架构
AMQP是实现消息队列的一种协议，消息队列主要应用于异步处理、应用解耦、流量缓冲和日志处理等场景。此外，RabbitMQ是一个由Erlang语言编写开发的AMQP的开源实现，能够支持Python、Java、PHP、Go等多种常用的编程语言，用于分布式系统中存储转发消息，具有可靠性高、路由灵活、可扩展性强等特点。