讓物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)互連，蜂窩網(wǎng)絡(luò)和LPWAN互聯(lián)的競爭

對于IoT網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者來說，實現(xiàn)互連是最令人沮喪方面之一，在傳感器互相通信的周圍存在很多競爭性的標準，它們大部分都是不兼容的。從邊緣到互聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)主要有兩種方式：無線運行商和低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWANs），無疑它們存在著激烈的競爭。LPWAN提供商使用的標準不止一個，有一些還是專屬標準，而蜂窩網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展路線則是集中簡單化并且提高當前以長期演進（LTE）標準為核心的產(chǎn)品的競爭力。因此雖然在這個長期的市場中只有兩個基本的競爭對手，但是對于每個競爭隊友有應(yīng)該有基本的了解，包括它們各自的優(yōu)勢、劣勢以及各種具體應(yīng)用的適用性等。

為什么如此關(guān)注互連性？

為什么所有的關(guān)注都集中在連接性上？這取決于價錢：無線運營商和LPWAN提供商會對每一個連接的設(shè)備收取一定的費用，而且物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的數(shù)量正在迅速的增加。對于全球無線運營商來說經(jīng)歷了超過30年的時間才達到目前23億的用戶，但是在物聯(lián)網(wǎng)興起的最近幾年，已經(jīng)有超過84的IoT終端設(shè)備實現(xiàn)了連接，到2020年這個數(shù)字至少會達到200億。盡管并不是所有的IoT設(shè)備都會接入互聯(lián)網(wǎng)，但是“僅僅”其中的100億就會為服務(wù)提供商創(chuàng)造巨大的年收入。不用說這是一個巨大的機遇，然而不同的IoT應(yīng)用之間存在著非常廣泛的差異，目前基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)和LPWAN的解決方案是不同的，因此沒有哪一個標準能夠滿足所有的應(yīng)用需求。

為了說明這些差異，如下圖（圖1）所示的智能電表，一個城市中有10萬個家庭、商業(yè)和其他用水部分都要使用這種電表并接入到互聯(lián)網(wǎng)，這與在一個工廠中向250臺機器發(fā)送數(shù)據(jù)有著很大的不同，在一個巨大的農(nóng)場內(nèi)許多類型的傳感器分布在數(shù)英里范圍內(nèi)的土地上，而不是某個建筑，自動駕駛汽車的出現(xiàn)必然會創(chuàng)造出獨特的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展環(huán)境，這個環(huán)境會非常復雜，需要車輛與固定的基礎(chǔ)設(shè)施之間建立連接。

圖1：在美國已經(jīng)有接近7千萬的智能電表，每個都會通過LPWAN進行周期性的更新，當然不久也會使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)

然而無論是無線運營商還是LPWAN提供商提供的何種應(yīng)用、服務(wù)都有一個共同的目標就是能夠在主機設(shè)備上安裝微型傳感器，比如閥門、電機和泵等，采用紐扣電池來供電并且在數(shù)年內(nèi)能夠周期性的與外部設(shè)備進行通信，盡管這兩種類型的服務(wù)提供商采用不同的方式來攻擊這個問題，但是它們都使用各種技術(shù)來搭建物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，舉個例子，它們限制了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇笮『烷g隔周期，以及傳感器必須進行通信的次數(shù)，而且它們也會采用非常低的數(shù)據(jù)傳輸速率，這樣就只需要非常窄的帶寬。

此外無線傳感器發(fā)送的低功率信號非常的微弱，檢測它們的基站接收器必須非常的敏感，基站本身也會使用一些技術(shù)，比如MIMO（多輸入多輸出技術(shù)），如圖2所示，某些情況下也需要使用高度定向天線來確保持續(xù)的連接性。

圖2：雖然多路徑傳播是非常不受歡迎的，但是MIMO技術(shù)卻采用它

通過在傳輸路徑兩端使用多個發(fā)送和接收天線，從而可以大大提高網(wǎng)絡(luò)容量，同時也會降低誤碼率并且優(yōu)化吞吐量。

最后很多小型基站（或者成為小單元）將需要縮短信號傳輸?shù)木嚯x，這樣會降低延遲，幾乎可以達到IoT應(yīng)用瞬時響應(yīng)的水平。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)和LPWANs比較

蜂窩網(wǎng)絡(luò)對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用有著獨特的優(yōu)勢，在美國電信運營商已經(jīng)擁有了幾乎無處不在的LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋，數(shù)十萬個大型基站和三倍數(shù)量的小型基站單元長期提供服務(wù)。在大多數(shù)情況下，更新這種基礎(chǔ)設(shè)施來適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通信需求只需要進行軟件升級就可以了，而不是像RF和微波收發(fā)器那樣需要大量的硬件投資。此外，盡管之前IoT被廣泛認為是下一個重大事件，其實無線運營商已經(jīng)使用以前的第二代技術(shù)（2G）為無線傳感器提供通信連接。

該行業(yè)多年來也一直在努力適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)。第三代合作項目（3GPP）負責管理開發(fā)和發(fā)布無線標準，其中包括了在最新標準中為IoT提供的大量規(guī)范，該標準在2016年6月最后定稿。在第五代細胞的第一個標準將于2019年發(fā)布的時候，這些功能將繼續(xù)增強。到那時，無線運營商將在物聯(lián)網(wǎng)連接方面打下堅實的基礎(chǔ)。

相比之下，LPWAN提供商則沒有這樣的優(yōu)勢。它們是無線通信領(lǐng)域新興的一股力量，所以必須從頭開始構(gòu)建每個覆蓋范圍和每一個系統(tǒng)。而且留給它們在關(guān)鍵地區(qū)（典型的城市）部署這些網(wǎng)絡(luò)的時間也是非常有限的，因為蜂窩網(wǎng)絡(luò)行業(yè)正在迅速推出以IoT為中心的數(shù)據(jù)計劃。幸運的是，與蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，LPWAN系統(tǒng)的構(gòu)建和部署成本更低，并不總是需要擴展空間，而且使用更少的基站就可以覆蓋更廣闊地理區(qū)域。

現(xiàn)在的問題是，LPWAN供應(yīng)商能否在由蜂窩網(wǎng)絡(luò)所主宰的環(huán)境中搏得生存機會。大多數(shù)分析人士相信這是沒問題的，因為他們提供類似于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的一些功能，比如電信級安全和其他強制性的功能特性，對于客戶來說成本會更具有競爭性。分析師還建議說至少一半的IoT案例將會使用LPWAN服務(wù)。因此，這是一個相對安全的押注，盡管蜂窩網(wǎng)絡(luò)在提供IoT連接方面占據(jù)著主導地位，但是對于LPWAN提供商仍有一席之地，在某些單一的市場可能會掀起價格戰(zhàn)。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)

如前面所述，蜂窩網(wǎng)絡(luò)正在基于LTE開發(fā)面向IoT互連的解決方案，這個行業(yè)的總體發(fā)展路線就是在現(xiàn)有的LTE版本上進行開發(fā)并且繼續(xù)完善，包括降低復雜性和成本，隨著這個過程的展開，蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會變得更適合廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，最終會促進第五代蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)5G的推出。

業(yè)界的共識主要是集中在三種不同標準的使用，在最新發(fā)布的標準Release 13中都有介紹，這些規(guī)范最終也會集成到5G標準中。理想情況下這些解決方案都應(yīng)該在頻率低于1GHz的情況下來實現(xiàn)，因為在這種條件下有利于遠程傳輸和建筑物的滲透：

LTE-M：也被稱為增強型機器通信（eMTC），從Release 12標準發(fā)展而來，并且在Release 13標準中做了進一步改進。

NB-IoT：Release 13標準中涉及到的LTE窄頻帶版本。

EC-GSM-IoT：面向IoT的擴展覆蓋GSM是全球移動通信系統(tǒng)的擴展版本，在Release 13中對IoT應(yīng)用進行了優(yōu)化，可以與GSM運營商一起實現(xiàn)部署。

5G：將會在2020年完成標準化，會在NB-IoT和EC-GSM-IoT基礎(chǔ)上增強。

一個大膽的推測是因為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的要求與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)操作存在著明顯的不同，使用節(jié)能模式未來的發(fā)展應(yīng)該會積極影響電池壽命，降低復雜度和設(shè)備成本，通過共享的運營設(shè)施來降低部署成本，采用更高級的編碼技術(shù)并增加信號密度可以實現(xiàn)更大范圍的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

表1展示了蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，比如說面向傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在Release 8中提供了高達150Mb/s的峰值下行速率，然而數(shù)據(jù)速率在窄頻帶急劇下降到150Kb/s來適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用要求，用戶設(shè)備的通道帶寬也是如此，在Release 8標準中其從最大的18MHz下降到180KHz。另一個重要的因素是調(diào)制解調(diào)的復雜性，隨著不斷的發(fā)展其大概降低了85%。簡而言之，為了滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求，蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展在很多方面都與傳統(tǒng)語音和數(shù)據(jù)服務(wù)要在5G中實現(xiàn)的標準正好相反，也就是說，與其提高數(shù)據(jù)速率，還不如整體上降低蜂窩物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和組件的復雜度。

LPWAN標準的一些選擇

LPWAN提供商使用開源的標準比如LoRaWAN，由LoRaWAN聯(lián)盟來管理，或者采用專屬的解決方案比如Sigfox，它們都是在為授權(quán)的頻帶范圍內(nèi)運行，雖然Sigfox聲稱它是全球領(lǐng)先的物聯(lián)網(wǎng)互連服務(wù)，已經(jīng)在32個國家（大部分在歐洲）中使用，但是LoRaWAN已經(jīng)獲得了行業(yè)最廣泛的認可，其聯(lián)盟成員超過400，這意味著LoRa基帶和RF硬件成本會繼續(xù)降低，目前已經(jīng)降低了一半以上，隨著規(guī)模的擴展成本將會進一步下降。

LoRaWAN

能夠區(qū)分LoRa、LoRaWAN和LinkLabs提供的產(chǎn)品是非常重要的，因為這確實有點讓人困惑。LoRa是LoRaWAN聯(lián)盟管理的開放標準的物理層，而LoRaWAN則是提供網(wǎng)絡(luò)功能媒體訪問控制（MAC）層，LinkLabs是LoRaWAN聯(lián)盟的一個成員，它采用SematechLoRa芯片組，并提供了Symphony Link的解決方法，該方案有一些專屬特性，比如在沒有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器條件下操作的能力，Symphony Link使用八通道基站，操作頻率在433MHz或915MHz的工業(yè)、科學和醫(yī)療（ISM）波段內(nèi)以及歐洲采用的868MHZ頻帶。它傳輸?shù)木嚯x至少是10英里，借助云服務(wù)器采用WiFi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)或者以太網(wǎng)來傳輸數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)路由消息處理、供應(yīng)和網(wǎng)絡(luò)管理等功能。

Sigfox

Sigfox標準是一家法國同名公司設(shè)計的，它與LoRaWAN主要的區(qū)別之一是Sigfox擁有從外圍或服務(wù)器和終端的所有技術(shù)，它實際上是整個生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的供應(yīng)商，某些情況下它也是網(wǎng)絡(luò)運營商，然而這家公司允許它的終端技術(shù)可以被任何同意其條款的組織免費使用，這樣它已經(jīng)能夠與主要的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供應(yīng)商，甚至一些無線運營商建立聯(lián)系，與LoRaWAN一樣，Sigfox也在繼續(xù)不斷的擴大市場份額，特別是在歐洲，其支持的傳輸距離完全符合歐盟制定的準則，為了滿足聯(lián)邦通信委員會（FCC）的規(guī)定，美國使用的版本則有很大的不同，Sigfox唯一的缺點就是它的專有特性。

Weightless

在IoT互連解決方案中Weightless是比較獨特的一種，它是一個真正的開放標準，目前由Weightless特別權(quán)益組織來管理，它的名字來自于它的“輕量級”協(xié)議，通常每次傳輸只傳輸幾個字節(jié)的數(shù)據(jù)，這對于那些通信只需要傳輸很少數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是很好的選擇，比如某些類型的工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備、智能電表和水表。與許多其他標準不同的是Weightless運行在所謂的TV空閑頻帶，低于1GHz，當它們從模擬到數(shù)字傳輸轉(zhuǎn)換時，無線廣播公司會將這頻帶空出，由于頻率低于1GHz，因為它們具有較大的覆蓋范圍，從基站發(fā)射的功率也較低，穿透建筑物和其他對于RF信號有挑戰(zhàn)的結(jié)構(gòu)的能力也比較強。

目前Weightless有兩個版本：

Weightless-N是超窄頻帶，單通通信技術(shù)

Weightless-P是該公司推出的旗艦雙向通信技術(shù)，具有電信級的性能和安全，并且采用極低的功耗。

Nwave

Nwave是一種基于SDR（軟件定義無線電）的超窄頻帶技術(shù)，能夠在授權(quán)和未授權(quán)的頻帶范圍內(nèi)運行，基站能夠容納100萬臺物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，覆蓋10KM的范圍，RF信號輸出功率在100mW左右，數(shù)據(jù)速率可達100bps，這家公司聲稱采用電池驅(qū)動的設(shè)備可以持續(xù)運行長達10年之久，當在1GHz頻率下運行時，Nwave能夠利用該區(qū)域理想的傳輸特性。

Ingenu

Ingenu（之前稱為On-Ramp Wireless）基于多年的研究已經(jīng)開發(fā)出雙向的解決方案，實現(xiàn)了專有的直接序列擴頻調(diào)制技術(shù)，稱為RPMA（隨機相位多址接入），RPMA的設(shè)計目的是在2.4GHz頻段內(nèi)提供高容量、安全且范圍廣泛的互連方案。

在美國單個RPMA接入點能夠覆蓋176平方米的區(qū)域，這比Sigfox和LoRa標準都要大得多，它具有最小的開銷、低延遲和廣播功能，能夠同時向大量設(shè)備發(fā)送命令，硬件、軟件和其他功能僅限于該公司所提供的，這家公司要搭建自己的公共和私有網(wǎng)絡(luò)，專用于機器對機器之間的通信。

總結(jié)

由于只有蜂窩網(wǎng)絡(luò)和LPWAN提供商正在爭奪長期市場的霸主地位，所以與那些短距離解決方案要求相比，很容易就認為設(shè)計師的工作是簡單的，一條不變的真理就是每個競爭的技術(shù)都提供了不同程度的擴展，這些會幫助增強它們的能力，但同時也帶來了更大的設(shè)計挑戰(zhàn)。

對于終端用戶來說，選擇“正確”的解決方案通常會歸結(jié)為他們所在領(lǐng)域有哪些可用的服務(wù)，以及相應(yīng)的費用，然而如果多個無線運營商和LPWAN提供商都能在同一個區(qū)域提供服務(wù)，那么下決定就有些難了，對于物聯(lián)網(wǎng)互連領(lǐng)域來講，確定最終的贏家將需要數(shù)年的時間。