基于NB-IoT和5G通信模組的研究與展望

董劍峰 何英杰 郜迪 李啟偉

摘 要：通信安全是所有電子通信產品普及后都避不開的問題。當前，要不斷提升物聯網設備的身份認證能力，解決無線網絡固有的脆弱性給數據傳輸帶來泄露隱患的問題，并引領傳統產業的數字轉型，賦能垂直行業的互聯互通。在深入研究和廣泛調研的基礎上，將低功耗技術、輕量級加密算法、信息加密技術和智能化控制技術等融合到無線通信模組，使云管邊端聯合保障設備的全生命周期。經過檢測和試點應用，模組可以在復雜環境下安全、可靠地傳輸數據，終端設備可以正常運行。該類無線通信模組可以有效地保證聯網終端在復雜環境下的可靠性和安全性，為移動物聯網、工業互聯網等新型基礎設施信息化建設提供支撐。

關鍵詞：通信模組;NB-IoT;5G;信息加密;低功耗

中圖分類號：TN929.5;TP391.44 文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）04-0026-03

Abstract： Communication security is an issue that cannot be avoided after the popularization of all electronic communication products. At present， it is necessary to continuously improve the identity authentication capabilities of IoT devices， solve the problem of potential leakage of data transmission caused by the inherent vulnerability of wireless networks， and lead the digital transformation of traditional industries， empower the interconnection of vertical industries. On the basis of in-depth research and extensive investigations， low power consumption technology， lightweight encryption algorithm， information encryption technology and intelligent control technology are integrated into the wireless communication module， so that the cloud-pipe-side-end joint guarantee equipment full life cycle.After testing and pilot applications， the module can safely and reliably transmit data in a complex environment， and the terminal equipment can operate normally. This type of wireless communication module can effectively ensure the reliability and safety of networked terminals in complex environments， and provide support for the informatization construction of new infrastructure such as mobile Internet of Things and industrial Internet..

Keywords： communication module;NB-IoT;5G;information encryption;low power consumption

物聯網在萬物互聯的大趨勢下扮演著重要角色，其中，NB-IoT、5G通信模組是獲取“物”、大數據最關鍵、最核心的基礎通信單元，是新基建領域的核心通信器件，正加速滲透到生產、消費、安防和社會管理等各層面、各領域[1-2]。國家新基建力度空前，聯網設備全面升級，產業鏈計劃龐大，海量傳感、控制單元的快速發展將直接推動通信模組的爆發。通常情況下，每增加一個物聯網連接數，就需要增加1～2個無線通信模塊。

每一種事物的發展往往都伴隨著不確定性。模組和智能終端應用越廣泛[3]，面臨的安全威脅也就越大，NB-IoT信息安全體系的建立需要整個生態系統中的所有參與者從網絡設備、終端數據采集模塊、數據傳輸和系統方案等方面來一起努力。鑒于此，本研究結合近年來物聯網通信相關課題研究、學術成果和經驗教訓等，分析了物聯網面臨的各類安全特征，并對此研究開發了安全加密通信模組，賦能垂直行業的互聯互通。本研究著眼于以模組帶動物聯網終端產品和對應行業解決方案的落地實施，共同推動河南省的數字經濟轉型升級，謀求數字中原科技創新的新篇章。

1 研究意義

本研究所述的加密模組作為物聯網節點設備與網絡服務器進行數據交換的核心部分，將有效地增強各類智能終端的互操作性，便于用戶控制和運營，為用戶高效、準確地分析與執行提供支撐，終端聯網可快速降低數據傳輸成本。根據NB-IoT的超低功耗和超強連接特性以及5G的高可靠、低時延、大連接的特性，加強加密算法的研究，將有效解決當前物聯網終端設備的安全問題，遏制不法分子竊取傳輸信息，以牟取利益。研究和設計兼具加密通信功能的模組迫在眉睫，是直接關系到物聯網服務能否得到真正推廣、有效深入千家萬戶的關鍵因素之一，是推動產品智能化、裝備智能化、生產方式智能化、管理智能化和服務智能化發展的源動力。

2020年9月17日，習近平總書記在湖南長沙考察調研時提出：“創新是企業經營最重要的品質，也是今后我們爬坡過坎必須要做到的。關鍵核心技術必須牢牢掌握在我們自己手中，制造業也一定要抓在我們自己手里。”本研究緊扣習近平總書記講話思想，為城市可持續創新發展提供自主可控的扎實先進的技術理論支撐、高性價比的終端產品和解決方案，為客戶提供個性化、定制化的應用場景服務，在最少人為干預下實現更大范圍的可信管理。這必將為河南省新型基礎設施建設提供有力安全的保障，帶動中原地區物聯網通信產業高質量發展，打造河南省新一代信息技術的安全高地、人才高地和創新高地。

2 發展現狀

2020年7月9日，國際電信聯盟（ITU）國際移動通信工作組（WP 5D）第35次會議通過了中國提交的3GPP NR+NB-IoT RIT標準，前者是大家熟悉的3GPP新空口（5G NR），后者即窄帶物聯網。這意味著NB-IoT和NR一起正式成為5G標準。NB-IoT和5G網絡90%以上為物聯網終端服務，很多國家都已經開始了規模商用，如智慧三表（水電氣）、智慧停車場、遠程醫療、智能工廠/碼頭……截至2020年12月，我國已累計建成5G基站71.8萬個，運營商有望在2021年底再增加100多萬個基站，實現全國范圍內的廣泛深度覆蓋。

當前，全球已有十幾家芯片廠家、上百個型號的模組、1 500多個產業伙伴，但是這些通用模組基本上沒有集成信息加密技術，安全性不高，其在穩定性、可靠性和安全性等指標上無法全面兼顧，因而無法滿足安全環境要求高的聯網場景。受當前復雜的國際環境影響，基于高通等國外平臺的模組可能面臨美國霸凌的威脅，基于海思平臺的模組也出現了不同程度的斷貨情況，高科技產業鏈正面臨著逆全球化的沖擊。本著將國外“卡脖子”項目清單轉變為科技攻關清單的原則，本研究在實施的過程中優先采用具有自主知識產權的國產關鍵元器件，研發自主可控的加密算法，與國密算法進行融合，盡可能使用國產化方案進行替代，實現國有關鍵技術的自主可控。

3 研究內容與實施方案

基于加密模組，本研究主要從以下六點開展工作研究：安全加密算法和軟件的開發研究;低功耗和智能化控制的技術開發和研究;硬件射頻電路設計開發和研究;低時延高可靠視頻傳輸應用開發;面向不同組網方式的多模、多棧無線通信技術的研究設計;高可靠性和高安全性的智能終端產品的研究。國產加密通信模組示例如圖1所示。

首先，對加密通信模組和配套的網絡平臺架構進行設計，物聯網平臺闡述了各個部分的功能和連接關系;然后，對加密通信模組的硬件和軟件進行設計，通過測試加密通信模組的硬件參數，檢驗模組是否符合設計要求、參數指標要求;再者，對加密模組的基本通信功能、加解密功能、密鑰管理功能進行測試，同時對加密算法和密鑰管理協議的運行效率和資源占用進行測試，橫向對比其他同類型的算法和協議，結果表明，本研究的加密算法和協議更加適用于物聯網終端節點;最后，開展檢測和試點，發現加密通信模組具備應有的各項關鍵技術，可以應用到一些安全級別較高的場合。加密模組的構造如圖2所示。

4 創新性分析

本研究所述的加密模組相對于其他廠商同類物聯網產品，具有如下四個創新點。

4.1 安全性方面

基于發布訂閱模式的輕量級節點數據安全加密算法，本研究提出一種動態密鑰交換機制，模組移植了更加安全且節能的輕量級算法，主要分為節點認證和加密傳輸兩部分。其可以解決海量終端節點和平臺系統化部署問題，大大提高了物聯網節點和系統安全性，構建了高效的端到端的身份認證機制。數據處理流程如圖3所示。

4.2 智能化方面

通過網絡自助注冊，即插即用，協議自動配置服務，模組使用便捷，效率提高。

4.3 電路串擾和抗干擾方面

通過現場理論仿真，利用ADS、HFSS等電磁仿真軟件進行鏈路預算、S參數、散射等仿真，根據仿真數據，指導器件選型、PCB布局和走線;采用共面波導阻抗控制技術，加強PCB layout射頻層疊設計，選用合理的參考平面和凈空區域，保證鏈路S參數的指標合理。射頻層疊設計如圖4所示。

4.4 射頻敏感信號的隔離保護問題

當前，要不斷優化方案，刪除冗余設計，進行高度集成。可以采用封裝更小、性能更高、質量更可靠的器件，有效滿足5G模塊多頻段、高性能、高帶寬和多系統的需求。

5 應用前景

根據國家在網信事業的戰略部署，物聯網、5G、工業互聯網和新基建催生海量智能化設備的需求，未來市面上的智能終端都將具備自感知、自決策、自執行和自適應能力。本研究所述的加密模組將物聯網、大數據、云計算和信息安全加密等關鍵技術滲入聯網終端、裝備制造等軍民融合領域，對傳統行業進行改造和提升，實現用戶、設備、產品和服務等要素和資源的相互識別、實時交互和信息集成，賦能終端實時在線監控和調整、跟蹤運營過程、優化生產調度、優化管理方式、節省管理運營成本和提升運營效果。具體應用場景如圖5所示。

研究成果可分階段轉化應用，也可以在以下三類領域同時試點推廣：第一，將云加密平臺優先應用于智慧營區、智慧作戰指揮系統、營區內部食品保障智慧化平臺等子系統;第二，將加密模組應用到涵蓋戰備、保障、教育等7大類45個子系統的各種傳感器，將所采集的前端數據安全可靠地傳輸到綜合平臺上面;第三，通過軍轉民、民參軍的方式推廣，將加密模組等產品應用到公安、消防、安監等其他涉及國家安全的領域，還可以應用到關乎國計民生的各行各業中，如智慧市政、智能家居、智慧消防、智慧管廊和智能交通等物聯網場景。

6 結論

本文對加密通信模組進行了軟硬件設計、算法移植和試驗檢測，證明了本研究所述加解密算法和密鑰管理協議的安全性和高效性。當前，以通信模組為核心的智能終端和相關解決方案將直接爆發性地賦能基礎設施建設，勢必會給河南省數字經濟帶來新增長點。加密模組廣泛適用于無線抄表、智慧煙感、智慧停車、充電樁、智慧燈桿、安防、資產追蹤、智慧農業/牧場、環境監測以及其他諸多領域，能夠提供完善安全的數據傳輸服務，特別適用于軍民融合等高安全領域的信息化建設。

參考文獻：

[1]中國電子科技集團公司第二十二研究所.基于移動物聯網的NB-IoT和5G通信模組研究及產業化[Z].2020.

[2]何英杰，孫涵，李啟偉.低功耗NB-IoT透傳模塊的設計[J].電子測試，2018（15）：17-19.

[3]中國電科電子科學研究院.基于NB-IoT無線傳輸技術的研究與設計[Z].2019.