左手蜂窩通信右手LPWAN，要讓物聯(lián)網(wǎng)無(wú)處不在

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，「網(wǎng)絡(luò)連接」一定是最讓人頭大的問(wèn)題之一。在傳感器之間相互通信的「邊緣地帶」，各種通信標(biāo)準(zhǔn)互相競(jìng)爭(zhēng)，它們之間大都互不兼容；而從邊緣到Internet和云之間的連接則只存在兩類互相競(jìng)爭(zhēng)的標(biāo)準(zhǔn)：無(wú)線運(yùn)營(yíng)商標(biāo)準(zhǔn)和LPWAN。LPWAN提供商通常會(huì)使用多種標(biāo)準(zhǔn)，包括一部分專有標(biāo)準(zhǔn)；蜂窩通信行業(yè)的路線圖則側(cè)重于簡(jiǎn)化和增強(qiáng)以長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）標(biāo)準(zhǔn)為中心的當(dāng)前產(chǎn)品的功能。因此，即使在長(zhǎng)距離通信連接市場(chǎng)中只存在兩個(gè)基本競(jìng)爭(zhēng)者，也仍然有必要了解有關(guān)每個(gè)競(jìng)爭(zhēng)者的基本信息，以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)和對(duì)特定應(yīng)用的適用性。

網(wǎng)絡(luò)連接為何如此值得關(guān)注？

說(shuō)到底還是和錢有關(guān)。無(wú)線運(yùn)營(yíng)商和LPWAN提供商都會(huì)對(duì)每臺(tái)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備收費(fèi)，同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量也正在迅速增長(zhǎng)。全世界的無(wú)線運(yùn)營(yíng)商花了三十多年時(shí)間，才實(shí)現(xiàn)今天高達(dá)23億的用戶總量；然而，在物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)出現(xiàn)后的區(qū)區(qū)幾年內(nèi)，聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備總數(shù)就已經(jīng)超過(guò)84億臺(tái)，預(yù)計(jì)2020年這一數(shù)字將不少于200億臺(tái)。雖然物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備最終并不一定都連接到Internet，但只消「僅僅」100億臺(tái)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，就足夠讓服務(wù)提供商賺得盆滿缽滿，這么好的生意誰(shuí)不想做？然而，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之間存在很大差異，并且當(dāng)前基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的解決方案和LPWAN解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)的功能也有所不同，因而并不存在一個(gè)單一標(biāo)準(zhǔn)能夠滿足所有需求。

為了說(shuō)清楚這些差異，我們來(lái)設(shè)想這樣一個(gè)場(chǎng)景：一座城市中有10萬(wàn)個(gè)住宅、企業(yè)等用電實(shí)體，它們的智能電表都需要連接到Internet。這樣的需求實(shí)現(xiàn)起來(lái)，顯然和在一家工廠里讓250臺(tái)機(jī)器發(fā)送數(shù)據(jù)有著天壤之別，就好比在一個(gè)龐大的農(nóng)場(chǎng)中，諸多類型的傳感器會(huì)散布在方圓數(shù)公里的土地上，而非聚集在一棟建筑物中，此外自動(dòng)駕駛汽車也幾乎必然會(huì)出現(xiàn)，最終將會(huì)構(gòu)建出一個(gè)復(fù)雜無(wú)比的獨(dú)特物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，需要在車輛之間以及固定設(shè)施之間實(shí)現(xiàn)各種連接。

無(wú)論對(duì)于何種應(yīng)用，無(wú)線運(yùn)營(yíng)商和LPWAN提供商所提供的服務(wù)都有一個(gè)共同目標(biāo)，就是讓安裝在閥門、電機(jī)和泵等主設(shè)備上的微型傳感器在僅由紐扣電池供電的情況下，在長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的時(shí)間內(nèi)定期與某個(gè)外部點(diǎn)進(jìn)行通信。盡管這兩種服務(wù)提供商都以各自不同的方式來(lái)解決此問(wèn)題，但它們都采用了專門針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境而設(shè)計(jì)的各種技術(shù)。例如，它們都對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧亢统掷m(xù)時(shí)間進(jìn)行了限制，規(guī)定了傳感器必須在何時(shí)進(jìn)行通信，并且使用的是低速傳輸方式，因而只需很窄的帶寬就可以實(shí)現(xiàn)傳輸。

此外，由于帶無(wú)線功能的傳感器發(fā)送的低功率信號(hào)非常弱，因此必須使用非常敏感的基站接收器，才能檢測(cè)到這些信號(hào)?；颈旧磉€必須使用多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)或其他類似技術(shù)，并且在某些情況下，還需要使用高度定向的天線來(lái)確保連接穩(wěn)定。

最后，我們還需要設(shè)立許多小型基站（小型蜂窩小區(qū)）來(lái)縮短信號(hào)傳輸所需的距離，從而將延遲降低到某些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所需的那種近乎瞬時(shí)的水平。

比較蜂窩通信和LPWAN

面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的需求，蜂窩通信行業(yè)有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在美國(guó)，各大運(yùn)營(yíng)商建立了數(shù)十萬(wàn)個(gè)宏基站，這個(gè)數(shù)量恐怕達(dá)到了小型蜂窩小區(qū)的三倍，使得LTE信號(hào)幾乎無(wú)處不在。大多數(shù)情況下，要升級(jí)這些基礎(chǔ)設(shè)施，以便適應(yīng)與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通信，僅需要升級(jí)軟件就可以實(shí)現(xiàn)，無(wú)需在射頻和微波收發(fā)器等硬件上投入大量資金。此外，哪怕在物聯(lián)網(wǎng)被公認(rèn)為下一個(gè)大事件之前，無(wú)線運(yùn)營(yíng)商便早已通過(guò)傳統(tǒng)的第二代（2G）技術(shù)解決了無(wú)線傳感器的連接問(wèn)題。

蜂窩通信行業(yè)多年來(lái)一直致力于適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)。負(fù)責(zé)管理無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)制定和發(fā)布的第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）在其最新的第13版標(biāo)準(zhǔn)中包含了專門針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)質(zhì)性規(guī)范，該標(biāo)準(zhǔn)于2016年6月最終確定。從現(xiàn)在起，直至第五代蜂窩電話的首個(gè)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)于2019年發(fā)布之前，這些功能將繼續(xù)得到增強(qiáng)。屆時(shí)，無(wú)線運(yùn)營(yíng)商將在物聯(lián)網(wǎng)連接方面打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

相比之下，LPWAN提供商就沒(méi)有這樣的優(yōu)勢(shì)。由于它們完全是無(wú)線通信世界中的新進(jìn)者，因而在想要提供信號(hào)覆蓋的所有區(qū)域中，都必須從頭開(kāi)始構(gòu)建每一個(gè)系統(tǒng)。與此同時(shí)，蜂窩通信行業(yè)正迅速推出以物聯(lián)網(wǎng)為中心的數(shù)據(jù)套餐，這也使得LPWAN提供商必須抓緊非常有限的時(shí)間在關(guān)鍵區(qū)域（通常是城區(qū)）部署它們的網(wǎng)絡(luò)；好在LPWAN系統(tǒng)的構(gòu)建和部署成本低于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，而且并不一定需要在發(fā)射塔上租賃空間，并且可以用更少的基站覆蓋廣闊的范圍。

對(duì)LPWAN提供商而言，現(xiàn)階段真正的問(wèn)題，在于它們是否可以在蜂窩通信主導(dǎo)的世界中生存。鑒于LPWAN可以提供與蜂窩網(wǎng)絡(luò)類似的功能，例如運(yùn)營(yíng)商級(jí)安全性和其他各種強(qiáng)制性功能，因而大多數(shù)分析師都認(rèn)為它們可以做到，并且它們對(duì)客戶而言也可能具有成本優(yōu)勢(shì)。一些分析師還表示至少一半的物聯(lián)網(wǎng)用例都可以由LPWAN來(lái)提供服務(wù)。可以肯定地說(shuō)，雖然蜂窩通信行業(yè)將會(huì)主導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)連接，但LPWAN提供商仍然可以在個(gè)別市場(chǎng)中與前者開(kāi)展價(jià)格戰(zhàn)。

蜂窩通信物聯(lián)網(wǎng)

蜂窩通信行業(yè)正在開(kāi)發(fā)基于LTE的物聯(lián)網(wǎng)連接解決方案，其總體路線圖建立在當(dāng)前LTE版本基礎(chǔ)之上，并繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行完善，包括降低其復(fù)雜性和成本。隨著這一過(guò)程逐步開(kāi)展，蜂窩通信技術(shù)將更加適用于各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，并最終迎來(lái)第五代蜂窩通信技術(shù)（5G）。

對(duì)此，蜂窩通信行業(yè)的共識(shí)是采用主要在3GPP第13版標(biāo)準(zhǔn)中引入的三個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)連接，并最終實(shí)現(xiàn)5G標(biāo)準(zhǔn)中的要求。理想情況下，這些解決方案應(yīng)在低于1GHz的頻率上實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫@種情況下的信號(hào)傳播條件更有利于長(zhǎng)距離傳輸和建筑物穿透：

LTE-M：也稱為增強(qiáng)型機(jī)器類型通信（eMTC），是從第12版（2014年）標(biāo)準(zhǔn)中的LTE標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展而來(lái)，并且包含第13版標(biāo)準(zhǔn)中的進(jìn)一步改進(jìn)。

NB-IoT：第13版標(biāo)準(zhǔn)中為物聯(lián)網(wǎng)準(zhǔn)備的窄帶LTE。

EC-GSM-IoT：用于物聯(lián)網(wǎng)的擴(kuò)展覆蓋GSM，是GSM技術(shù)擴(kuò)大信號(hào)覆蓋范圍的變體。該技術(shù)在第13版標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了優(yōu)化，可以與GSM運(yùn)營(yíng)商一同部署。

5G：將于2020年實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，使NB-IoT和EC-GSM-IoT得到增強(qiáng)。

在此，我們可以推定，由于物聯(lián)網(wǎng)的要求與運(yùn)行傳統(tǒng)蜂窩通信的要求存在顯著區(qū)別，因而未來(lái)的新發(fā)展要通過(guò)使用省電模式來(lái)延長(zhǎng)電池壽命、通過(guò)降低設(shè)備復(fù)雜度來(lái)降低設(shè)備成本、通過(guò)共享運(yùn)營(yíng)商容量來(lái)降低部署成本、通過(guò)采用更高級(jí)的編碼和增加信號(hào)的頻譜密度來(lái)擴(kuò)大信號(hào)覆蓋范圍。

表1中詳細(xì)闡釋了蜂窩通信技術(shù)的發(fā)展。例如，第8版標(biāo)準(zhǔn)的峰值下行鏈路速率可達(dá)150Mb/s，因?yàn)樗菫閭鹘y(tǒng)蜂窩應(yīng)用設(shè)計(jì)的。但是，在新的NB-IoT窄帶標(biāo)準(zhǔn)中，峰值下載速率只有170kb/s，以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的要求。用戶設(shè)備的信道帶寬也是如此，從第8版最大18MHz下降為NB-IoT的180kHz。另一個(gè)有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要因素是調(diào)制解調(diào)器的復(fù)雜度，第13版中的這一數(shù)值相比第8版降低了85%。簡(jiǎn)而言之，對(duì)于面向物聯(lián)網(wǎng)需求的蜂窩通信技術(shù)，其發(fā)展的方向在許多方面與傳統(tǒng)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)服務(wù)希望通過(guò)5G實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)完全相反。換言之，這些新技術(shù)并不是為了提高數(shù)據(jù)速率，而是通過(guò)降低數(shù)據(jù)速率，好讓蜂窩物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)及其組件的整體復(fù)雜性也能夠降下來(lái)。

可供選擇的LPWAN方案

LPWAN提供商既可以采用開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)（例如由LoRaWAN聯(lián)盟管理的LoRaWAN），也可以采用專有解決方案（例如Sigfox）；LoRaWAN和Sigfox都運(yùn)行在免許可頻譜中。盡管Sigfox聲稱自己是「全球領(lǐng)先」的IoT連接服務(wù)，能夠在32個(gè)國(guó)家和地區(qū)（主要位于歐洲）提供服務(wù)，但LoRaWAN在業(yè)界贏得了更廣泛的認(rèn)可，其聯(lián)盟中已有400多個(gè)成員。正是由于這個(gè)原因，才使LoRa基帶和RF硬件的成本不斷降低，其降幅至今已超過(guò)一半，并且隨著供貨數(shù)量增加還可能進(jìn)一步下降。

LoRaWAN

這里有必要澄清一下LoRa、LoRaWAN和Link Labs提供的產(chǎn)品之間的區(qū)別，它們之間確實(shí)很容易混淆。LoRa是由LoRaWAN聯(lián)盟管理的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)物理層，LoRaWAN則是提供網(wǎng)絡(luò)連接功能的媒體接入控制（MAC）層。Link Labs公司是LoRaWAN聯(lián)盟的成員，該公司采用Semtech LoRa芯片組，并通過(guò)一種名為Symphony Link的解決方案來(lái)提供該公司獨(dú)有的功能，例如在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的情況下運(yùn)行。Symphony Link使用的是一種八頻段基站，它工作在433MHz或915MHz的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)（ISM）頻段上，歐洲地區(qū)還可以使用868MHz頻段。它可以將信號(hào)傳輸?shù)街辽?0英里范圍內(nèi)，并在借助云服務(wù)器處理消息路由、進(jìn)行配置和網(wǎng)絡(luò)管理的情況下經(jīng)由Wi-Fi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)或以太網(wǎng)回傳數(shù)據(jù)。

Sigfox

Sigfox出自同名的法國(guó)公司。它與LoRaWAN的主要區(qū)別之一是Sigfox擁有從邊緣到服務(wù)器再到端點(diǎn)的所有技術(shù)，并且完全可以充當(dāng)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的供應(yīng)商，或者在某些情況下直接作為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商出現(xiàn)。但是，該公司允許任何同意其條款的組織免費(fèi)使用其端點(diǎn)技術(shù)，因而能夠與主流物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供應(yīng)商乃至一部分無(wú)線運(yùn)營(yíng)商建立關(guān)系。與LoRaWAN一樣，Sigfox的市場(chǎng)份額持續(xù)上升，尤以歐洲最為明顯，因?yàn)樗膫鬏旈L(zhǎng)度符合歐盟準(zhǔn)則。其供應(yīng)美國(guó)的版本為了符合美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）的規(guī)則，與歐洲版本存在明顯差異。Sigfox的唯一缺點(diǎn)是它的專有性。

Weightless

Weightless可謂是物聯(lián)網(wǎng)連接解決方案中的一個(gè)異類，它是由Weightless Special Interest Group（SIG）管理的真正開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)。該解決方案的名稱源自其「輕量級(jí)」的協(xié)議，通常每次僅需傳輸幾個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，非常契合某些種類的工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備以及電表和水表等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的需求，因?yàn)樗鼈儌鬏數(shù)臄?shù)據(jù)量非常少。不同于許多其他標(biāo)準(zhǔn)，Weightless運(yùn)行在低于1GHz的「電視空白頻段」中，這是無(wú)線電視廣播公司從模擬傳輸轉(zhuǎn)換為數(shù)字傳輸后騰空出來(lái)的頻段。由于這些頻率處在低于1GHz的頻譜中，因而具有覆蓋范圍廣、基站發(fā)射功率低的優(yōu)勢(shì)，并且更容易穿透建筑物和其他容易阻擋射頻信號(hào)的結(jié)構(gòu)。

目前Weightless共有兩個(gè)版本：

Weightless-N是一種超窄帶單向技術(shù)。

Weightless-P是該公司的旗艦雙向產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)更高的性能和安全性，并具有超低功耗特性和其他多種功能。

Nwave

Nwave是一種基于軟件定義無(wú)線電（SDR）技術(shù)的超窄帶技術(shù)，可以在許可頻段和非許可頻段上運(yùn)行。Nwave基站可在10km范圍內(nèi)容納多達(dá)100萬(wàn)個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，同時(shí)以不高于100mW的射頻功率實(shí)現(xiàn)100bps的數(shù)據(jù)速率。該公司聲稱其由電池供電的設(shè)備可以運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)10年的時(shí)間。在低于1GHz的頻帶中工作時(shí)，它可以利用該區(qū)域中理想的傳播特性。

Ingenu

Ingenu（曾經(jīng)稱為On-Ramp Wireless）基于其多年研究開(kāi)發(fā)了一種雙向解決方案，從而產(chǎn)生了一種專有的直接序列擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，稱為隨機(jī)相位多路訪問(wèn)（RPMA）。RPMA旨在提供安全的廣域網(wǎng)占用空間，并在2.4GHz頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)高容量運(yùn)行。

在美國(guó)使用時(shí)，單個(gè)RPMA接入點(diǎn)的信號(hào)可覆蓋176平方英里的范圍，遠(yuǎn)大與Sigfox或LoRa。它具有低開(kāi)銷、低延遲特點(diǎn)和廣播功能，可以將命令同時(shí)發(fā)送到大量設(shè)備。其硬件、軟件和其他功能僅限于公司提供的功能，并且公司會(huì)建立自己的專用于機(jī)器對(duì)機(jī)器通信的公共和專用網(wǎng)絡(luò)。

總結(jié)

爭(zhēng)奪長(zhǎng)距離物聯(lián)網(wǎng)通信頭把交椅的只有蜂窩通信行業(yè)和LPWAN提供商，因此我們很可能會(huì)想當(dāng)然地以為在這個(gè)領(lǐng)域中，設(shè)計(jì)師的工作相比短距離通信領(lǐng)域要容易得多。然而事實(shí)并非如此，因?yàn)檫@兩種互相競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)都存在五花八門的變體，其中的任何一種都具備功能優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也會(huì)在設(shè)計(jì)中帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。

對(duì)于最終用戶而言，要選擇「正確的」解決方案，通常取決于其所在地區(qū)可以使用的服務(wù)，以及連接每個(gè)設(shè)備所需的費(fèi)用。但是，如果用戶所在區(qū)域內(nèi)有多個(gè)正在運(yùn)營(yíng)的無(wú)線運(yùn)營(yíng)商和LPWAN提供商，顯然用戶會(huì)更加難以決策。對(duì)于一般的物聯(lián)網(wǎng)連接，要分出誰(shuí)勝誰(shuí)負(fù)，還需要好幾年的時(shí)間。

審核編輯：郭婷