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LPWAN技术们:要互补,要共存

时间:2020-09-01 作者:刘于苇 阅读:
如果把无线通信技术按照功耗与传输距离两个标准来区分的话,就发现能够同时满足“低功耗”和“长距离”这两个特点,Wi-Fi、蓝牙、zigbee以及2G、3G、4G等这些技术都还有所欠缺,LPWAN技术的出现正好弥补了这个短板。
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随着物联网成为继计算机、互联网之后,世界信息产业发展的第三次浪潮,人与物、物与物之间的边界被不断延伸。万物互联的概念,大大改变了人们现有的生活环境和习惯。0B5EETC-电子工程专辑

在低功耗广域网(LPWAN)诞生之前,智能家居、工业物联网等物联网场景通常采用短距离通信技术,例如Wi-Fi、蓝牙、zigbee等;但对于更大范围、远距离的连接,则依赖运营商网络的2G、3G、4G等。但是如果把这些无线通信技术按照功耗与传输距离两个标准来区分的话,就发现能够同时满足“低功耗”和“长距离”这两个特点的技术还有所欠缺,LPWAN技术的出现正好弥补了这个短板。0B5EETC-电子工程专辑

什么是LPWAN?

想要远距离无线传输信息,就必须增加信号功率或减少信号带宽,LPWAN即 Low-Power Wide-Area Network,是一种远距离、低功耗、低带宽的无线通信网络。多数 LPWAN 技术可以实现几公里甚至几十公里的网络覆盖,解决物联网产业存在的终端功耗高、海量终端连接、广域覆盖能力不足和成本高等困难,适合大规模部署。0B5EETC-电子工程专辑

LPWAN并不特指某一种技术,而是各种低功耗、广域网技术的组合,他们普遍拥有以下特点:0B5EETC-电子工程专辑

●低功耗:电池寿命可长达 10 年0B5EETC-电子工程专辑
●远距离:覆盖范围广,可达几十km,在城市环境中的工作范围通常也超过2km0B5EETC-电子工程专辑
●低数据速率:占用带宽小,传输的数据量少,通信频次低0B5EETC-电子工程专辑
●传输时延不敏感:对数据传输实时性要求不高0B5EETC-电子工程专辑
●低成本:由于规模大要求部署的成本低0B5EETC-电子工程专辑

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以上特点就是LPWAN与蓝牙、RFID、蜂窝M2M和ZigBee等其他无线网络协议的主要区别。0B5EETC-电子工程专辑

LPWAN的不同技术流派

在物联网需求爆发式增长的同时,物联网技术标准混战不断升级,LPWAN中技术流派的竞争可谓异常激烈。0B5EETC-电子工程专辑

LPWAN可分为两类:一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术,也可称为非蜂窝LPWAN;另一类是由3GPP主推基于授权频谱,采用蜂窝通信技术的EC-GSM、LTE Cat.1/0/M1(eMTC)、NB-IoT等,也可称为蜂窝LPWAN。在众多LPWAN技术中,NB-IoT、eMTC与LoRa是目前使用最多,也是争议最多的,常被用来互相比较,但其实他们在技术定位和应用领域都有区别。0B5EETC-电子工程专辑

授权频谱

授权频谱物联网技术中,按照网络速率划分,高速率可用Cat 4以上及5G承载,低速率可用NB-IoT承载,中速率则可以用Cat 1或eMTC承载。0B5EETC-电子工程专辑

eMTC是3GPP对LPWAN解决方案的强烈兴趣做出的回应,该解决方案在保留资源的同时支持标准LTE连接;NB-IoT是为挑战Sigfox和LoRa联盟诞生的一种3GPP架构,它与eMTC的不同之处在于它在LTE架构之外运行;Cat.1近来很火爆,它和eMTC都能够承载3G退网后的语音、中低速率市场,介于连网高速率(5G和4G LTE)和低速率(2G GPRS和NB-IoT)之间。0B5EETC-电子工程专辑

目前国内主推NB-IoT,这种基于蜂窝的窄带物联网支持对现有蜂窝基础设施进行软件更新,例如升级现有的 LTE 和 GSM 基站。重复利用现有的 2G 或 3G频谱,可迅速地实现国内和国际的覆盖与部署。0B5EETC-电子工程专辑

eMTC是基于LTE演进的物联网技术,在R12中叫Low-Cost MTC,在R13中被称为LTE enhanced MTC。主要特点是传输速率更高、时延更低、支持切换和VoLTE语音通信,可以应用在语音通话等对移动性、传输速率有较高需求的场景。0B5EETC-电子工程专辑

两者相比,NB-IoT比eMTC提升20dB增益,相当于提升了100倍覆盖区域能力,建筑物穿透能力也更好,在智能城市应用方面具有潜在优势。NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用,设备功耗非常小,尤其是DRX(不连续接收)技术的使用,让终端只在需要的时候工作。0B5EETC-电子工程专辑

另一方面,NB-IoT由于是窄带物联网, 低速率的特性虽可承接部分2G市场,却难以承接2G/3G语音通话、中速率、移动连接等需求,具有更高数据速率的eMTC/Cat.1更适合该领域。成本方面,NB-IoT简化射频硬件、简化协议和减小基带复杂度,降低了整体组件成本,采用eMTC/Cat.1的芯片方案则通常较贵。0B5EETC-电子工程专辑

非授权频谱

使用非授权频段的LPWAN技术包括Sigfox、LoRa、Weightless等,由于使用公开非授权频段,因此进入门坎低、搭建简单、商业化进程较快。0B5EETC-电子工程专辑

LoRa0B5EETC-电子工程专辑

LoRa是一个物理层的无线数字通信调制技术,称为扩频连续调频调制技术(Chirp Modulation),其最大特点是基于Sub-1GHz的免费频段,在同等功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍,达1-20km。0B5EETC-电子工程专辑

LoRa终端可使用电池供电或其他能量收集的方式供电,电池寿命可达3-10年。同时0.3-50kbps较低的数据速率也延长了电池寿命和增加了网络容量,实现了低功耗和远距离的统一。0B5EETC-电子工程专辑

LoRa信号对建筑的穿透力也很强,应用场景包括智慧农业中的低功耗低成本传感器;工业自动化中的电池设备追踪、状态监控;物流追踪或定位,LoRa在高速移动时通信相对于NB-IoT更稳定。0B5EETC-电子工程专辑

SigFox0B5EETC-电子工程专辑

SigFox虽然也采用非授权频谱,但在国外运营商中拥有较强的生态系统,在欧洲的推广非常成功,在全球范围内也有自己的基站,目前在全球接近60个国家/地区开通了网络。0B5EETC-电子工程专辑

SigFox工作在868MHz和902MHz的ISM频段,消耗很窄的带宽或功耗。因此适用于仅需要发送少量、不频繁数据突发的系统,例如停车传感器、水表和智能垃圾桶。其缺点是当数据发送回传感器/设备(下行链路能力)时会受到严重限制,并且还会存在信号干扰问题。0B5EETC-电子工程专辑

LoRa与Sigfox都具有长距离、低功耗的特点,可延长电池寿命,实现大范围的信息传输,且均使用非授权的Sub-1GHz ISM频段,不需额外付出授权费用。LoRa和Sigfox的每日传输次数都有限制,适合在没有实时通讯需求的领域使用。0B5EETC-电子工程专辑

Ingenu0B5EETC-电子工程专辑

Ingenu(之前称为On-Ramp Wireless)基于多年的研究已经开发出双向的解决方案,实现了专有的直接序列扩频调制技术,称为RPMA(随机相位多址接入),RPMA的设计目的是在2.4GHz频段内提供高容量、安全且范围广泛的互连方案。0B5EETC-电子工程专辑

在美国单个RPMA接入点能够覆盖176平方米的区域,这比Sigfox和LoRa标准都要大得多,它具有最小的开销、低延迟和广播功能,能够同时向大量设备发送命令。不过硬件、软件和其他功能仅限于该公司所提供的,并且需要搭建自己的公共和私有网络,专用于机器对机器之间的通信。0B5EETC-电子工程专辑

Symphony Link0B5EETC-电子工程专辑

Link Labs是LoRa联盟成员,因此使用的是LoRa芯片。然而,Link Labs并没有使用LoRaWAN,而是在Semtech名为Symphony Link的芯片之上构建了专有的MAC层(软件)。0B5EETC-电子工程专辑

与LoRaWAN相比,Symphony Link增加了一些重要的连接功能,包括有保证的消息接收、无线固件升级、占空比限制的删除、中继器功能和动态范围。0B5EETC-电子工程专辑

Weightless SIG0B5EETC-电子工程专辑

Weightless SIG(特殊兴趣小组)成立于2008年,其使命是标准化LPWAN技术。Weightless SIG是唯一真正的开放标准,可在Sub-1GHz的免许可频谱中运行。有三种版本的Weightless可用于不同目的:0B5EETC-电子工程专辑

Weightless-W:利用空白(许可电视频段中未使用的本地频谱)0B5EETC-电子工程专辑

Weightless-N:由NWave技术诞生的免授权频谱窄带协议0B5EETC-电子工程专辑

Weightless-P:M2COMM Platanus技术诞生的双向协议0B5EETC-电子工程专辑

其中Weightless-N和Weightless-P更受欢迎,因为Weightless-W电池寿命更短。0B5EETC-电子工程专辑

Nwave的Weightless-N与SigFox在功能上非常相似,但拥有更好的MAC层实现。它声称使用“先进的解调技术”,使其网络能够与其他无线电技术共存而不会产生额外的噪音。像SigFox一样,它最适用于基于传感器的网络,温度读数,储罐液位监控,智能计量和其他此类应用。0B5EETC-电子工程专辑

Weightless-P标准在12.5 kHz窄带中使用FDMA + TDMA调制(大于SigFox但小于LoRa)。它还具有自适应数据速率,类似于Symphony Link(200 bps到100 kbps)。灵敏度非常高,在625 bps时为-134 dBm,支持PSK和GMSK调制。对于专用网络,更复杂的用例以及控制上行链路数据和下行链路数据非常重要的情况,Weightless-P是有意义的。Weightless-P的开发套件现在才刚刚开始上市。0B5EETC-电子工程专辑

不同派系LPWAN技术部署现状

根据研究机构Ovum在 2019年第四季度发布的物联网与LPWAN部署跟踪报告,包含授权频谱和非授权频谱在内,全球已宣布的LPWAN部署数量累计达到501张。0B5EETC-电子工程专辑

非授权频谱的LoRa仍是现网中采用最多的技术,在商用现网部署中占据主导地位,几乎占据了三分之一的市场份额(约30.3%)。但NB-IoT已经逐渐逼近,位居第二,截至2019年第三季度末拥有89张商用网络。0B5EETC-电子工程专辑

尽管授权频谱LPWAN部署有所增长,但LoRa有望保持自己的领先地位。LoRa芯片组提供商Semtech在去年底的一份简报中表示,现在在全球10个国家/地区拥有14张全国性的公共LoRa网络,全球的LoRa技术开发者达到5万人。该技术拥有超过1亿个终端节点(包括专网),并得到了全球120个服务提供商的支持。0B5EETC-电子工程专辑

在授权频谱技术方面,许多CSP现在都采用了双重技术策略,同时提供NB-IoT和LTE-M网络。但在网络部署方面,NB-IoT仍远远领先于LTE-M,商用网络部署数量是LTE-M的3倍。更低的模块成本使得NB-IoT(或者实际上采用2G或3G蜂窝网络)成为更具吸引力的解决方案。0B5EETC-电子工程专辑

NB-IoT或LTE-M的物联网漫游对于资产追踪等应用具有重要优势,因为资产追踪可能需要跨多个国家/地区的网络连接,但授权频谱的LPWAN漫游问题,一直制约着市场的发展。不能漫游,意味着在多个国家/地区部署授权频谱LPWAN物联网终端设备,就需要与不同的运营商签订多份合同,并且有可能需要处理多种不同的管理系统。不过近几年这种情况也得到了改变。0B5EETC-电子工程专辑

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在中国,谁会胜出?

在中国,LPWAN各种技术之争可以简单看作授权频谱(NB-IoT为代表)和非授权频谱(LoRa为代表)之间的竞争,虽然双方都表示服务于不同市场,不存在竞争,但在尚未选定通信标准的物联网新兴领域,却又都极力争取。0B5EETC-电子工程专辑

2017年12月13日,工信部无线电管理局发布《微功率短距离无线电发射设备技术要求(征求意见稿)》,同时我国完成了IMT-2020(5G)候选技术方案的完整提交,其中NB-IoT技术被正式纳入5G候选技术集合。0B5EETC-电子工程专辑

而LoRa在我国没有授权频段的,加上2019年11月工信部发布了《中华人民共和国工业和信息化部公告2019年第52号》,进一步规范微功率短距离无线电发射设备的管理。不少人解读为LoRa在中国要全面被NB-IoT取代,为此芯片制造商Semetech特地发文解读了此公告,表示LoRa符合工信部公告52号的所有要求。(详细解读请参考文章《关于LoRa和工信部52号文,这篇文章回答了所有疑问》https://www.eet-china.com/news/202007311648.html)0B5EETC-电子工程专辑

在芯片研发和供应方面, Semetch  (International) AG是一家瑞士公司,总部位于瑞士拉珀斯维尔。LoRa芯片的制造、组装和代理分销是在亚洲地区进行的。此外,Semtech已将其LoRa技术的某些制造权授权给了欧洲和亚洲的某些半导体公司。0B5EETC-电子工程专辑

NB-IoT的芯片则没什么限制,大家都可以做,目前主要由华为海思、紫光展锐和联发科等企业主导。由于顶着国家物联网战略的光环,自2017标准确立后,运营商就相继发放针对NB-IoT模组的补贴政策。今年4月初,中国电信公示的2020年NB-IoT物联网模组集中采购项目结果,中标平均价为14.5元,其中最低价13.47元,最高价14.8元。7月份,部分模组厂商甚至报出9.9元的价格。0B5EETC-电子工程专辑

急速增长的网络市场规模,是NB-IoT模组价格下降的主要原因。当运营商补贴刺激更多业者加入,供给端规模变大,上游芯片价格首先就下来了,随之而来下游也会跟着降价。这点来说,对NB-IoT的普及、加快2G用户的转移更有利。但如果终端用户一味要求降低价格,供应链某些环节的厂商可能就赚不到钱了,出现“和非授权频谱还没打起来,NB-IoT阵营先价格战互相干掉一批队友”的情况。0B5EETC-电子工程专辑

相比eMTC和NB-IoT,Cat.1在国内的机会更大,因为Cat.1隶属于4G网络的分支,运营商借助4G基站即可完成布网,无需增加投资。而eMTC需要基础设施建设,而运营商现在正将更多的资源投入到5G建设中,很难有多余的资金投入到eMTC。0B5EETC-电子工程专辑

相比NB-IoT和2G,Cat.1在网络覆盖、速度和延时上也有优势;相比eMTC模组,则有低成本、低功耗的优势,并且拥有相同的毫秒级传输时延,被认为是填补2G/3G退网后的最佳技术。0B5EETC-电子工程专辑

在发现NB-IoT的适用场景偏窄、无力替代2G/3G全部网络市场后,三大运营商也纷纷进行Cat.1网络部署,甚至一度弱化了NB-IoT的地位。这也和运营商至今没有找到好的NB-IoT的商业模式有关,运营商盈利模式有待进一步挖掘,垂直行业用户需要与运营商一起探索业务合作收费模式。0B5EETC-电子工程专辑

互补、共存

从演进方向上来看,目前物联网接入技术朝着低功率、广覆盖的方向发展的趋势日益明显。虽然有人说5G普及后,其低延迟、低功耗和高数据传输率的特点有望撼动整个LPWAN格局,据称3GPP还考虑允许5G技术在非授权频段(特别是3.5 GHz、5 GHz和60 GHz)中运行,这对非授权LPWAN的影响非常大。但笔者认为基于运营商网络决定了5G的高资费和部署不灵活,尤其是希望保证数据留在本地、安全可控的用户,依旧会在小范围内采用自组网的方式。0B5EETC-电子工程专辑

各种LPWAN技术各有特点,也各有运用成熟的市场,以NB-IoT和LoRa为例,二者均具备低功耗、 广覆盖、成本低等共性LPWAN技术特点,NB-IoT带宽更大、可靠性更 高,能够全球漫游,更适合大网覆盖,而LoRa功耗更低,部署更简易、成本更低,更能够灵活满足多样化场景应用需求。0B5EETC-电子工程专辑

任何一种物联网技术都有最适合其应用的场景,所以没有完美的技术,只有最适合的选择,即便是三大运营商也会根据实际情况,选择混合组网。从技术和应用层面看,授权和非授权LPWAN技术未来虽然会在某些领域存在竞争,但总体会以“互补”、“共存”为主,而非“取代”。0B5EETC-电子工程专辑

责编:Amy Guan0B5EETC-电子工程专辑

本文为《电子工程专辑》2020年9月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅  0B5EETC-电子工程专辑

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刘于苇
电子工程专辑(EETimes China)副主分析师。
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