常見(jiàn)的幾大物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析

　　物聯(lián)網(wǎng)是當前所有通訊技術(shù)與計算機、互聯(lián)網(wǎng)的結合，物聯(lián)網(wǎng)主要是實(shí)現物與物之間，人與物之間，動(dòng)物與物之間的相互連接溝通及環(huán)境與信息狀態(tài)的實(shí)時(shí)共享以及智能化的收集、處理、傳遞、執行，也就是說(shuō)只要涉及到信息技術(shù)的應用，都可以納入物聯(lián)網(wǎng)的范疇。在物聯(lián)網(wǎng)的普及過(guò)程中，無(wú)線(xiàn)技術(shù)將扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色，筆者通過(guò)常見(jiàn)的幾種LPWAN無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)(NB-IoT/eMTC/LoRa)對比，探討物聯(lián)網(wǎng)大勢下的無(wú)線(xiàn)技術(shù)各自的特點(diǎn)和應用場(chǎng)景。
 

 

　　一、NB-IoT

　　NB-IOT全稱(chēng)為Narrow Band-Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)，NB-IOT屬于物聯(lián)網(wǎng)范疇的一種技術(shù)。是由華為主導，并已成為3GPP標準的LPWA技術(shù)。NB-IOT基于現有蜂窩網(wǎng)絡(luò )的技術(shù)，可以通過(guò)升級現網(wǎng)來(lái)快速支持行業(yè)市場(chǎng)需求，成為GUL網(wǎng)絡(luò )上的第四種模式。同時(shí)，NB-IOT還具有覆蓋廣(能覆蓋到地下)、電池壽命長(cháng)(超過(guò)十年)、成本低(每個(gè)模塊不足5美元)、容量大(單個(gè)小區能支持10萬(wàn)連接)四大能力。

　　技術(shù)優(yōu)勢

　　NB-IoT具備四大特點(diǎn)：一是廣覆蓋，將提供改進(jìn)的室內覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT比現有的網(wǎng)絡(luò )增益20dB，相當于提升了100倍覆蓋區域的能力;

　　二是具備支撐海量連接的能力，NB-IoT一個(gè)扇區能夠支持10萬(wàn)個(gè)連接，支持低延時(shí)敏感度、超低的設備成本、低設備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò )架構;

　　三是更低功耗，NB-IoT終端模塊的待機時(shí)間可長(cháng)達10年;

　　四是更低的模塊成本，企業(yè)預期的單個(gè)接連模塊不超過(guò)5美元。

　　NB-IOT聚焦于低功耗廣覆蓋(LPWA)物聯(lián)網(wǎng)(IOT)市場(chǎng)，是一種可在全球范圍內廣泛應用的新興技術(shù)。其具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構優(yōu)等特點(diǎn)。NB-IOT使用License頻段，可采取帶內、保護帶或獨立載波三種部署方式，與現有網(wǎng)絡(luò )共存。

　　應用場(chǎng)景

　　NB-IOT最常應用于智能水表、智能停車(chē)、寵物智能跟蹤三大典型應用場(chǎng)景，在NB-IOT的后期規劃中，還會(huì )涉及到智能自行車(chē)、智能煙霧檢測器、智能垃圾桶、智能路、智能售貨機等方面。

　　面臨的挑戰

　　第一，互操作和一致性問(wèn)題。2015年，NB-IoT的主要成員，包括沃達豐、愛(ài)立信、Telefonica和GSMA開(kāi)展了面向NB-IoT設備的簡(jiǎn)單的互操作和一致性認證試驗。沃達豐還在英國紐伯里建立了專(zhuān)用NB-IoT實(shí)驗室，2016年下半年在德國杜塞爾多夫繼續開(kāi)放進(jìn)一步的實(shí)驗室研究。

　　第二，部署和長(cháng)期支持。NB-IoT部署的最大問(wèn)題是時(shí)間和成本，根據沃達豐的估計，85%的企業(yè)基站可支持NB-IoT，只需進(jìn)行軟件的升級，但對基站陳舊的網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商，則需對硬件進(jìn)行升級。這將導致NB-IoT網(wǎng)絡(luò )建設的成本增加和時(shí)間消耗。另一個(gè)問(wèn)題是全球M2M漫游。理論上，運營(yíng)商需支持三種標準，分別是：CAT-M，EC-GSM，NB-IoT，以及GPRS。此外，端點(diǎn)需要OTA升級，以提供安全性和其它升級。

　　第三，應用和商業(yè)模式。為了建立NB-IoT應用和商業(yè)模式，移動(dòng)通信行業(yè)需要盡快建立合作伙伴生態(tài)圈。例如：德國電信已在柏林和波蘭的克拉科夫建立了NB-IoT原型樞紐，這些樞紐被納入孵化器中，為開(kāi)發(fā)者提供快速學(xué)習的環(huán)境，激勵新的商業(yè)模式思考、縮短產(chǎn)品市場(chǎng)化的時(shí)間。

　　第四，與LPWAN(低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng))技術(shù)的競爭。LoRa和Sigfox已被證明是重要的發(fā)展技術(shù)，其中，Sigfox已在24個(gè)國家投入使用，LoRa繼續在一些國家、專(zhuān)網(wǎng)和社區網(wǎng)建設中使用。由于NB-IoT在近期內不會(huì )大規模部署，其它技術(shù)競爭者仍有機會(huì )確定自己的市場(chǎng)定位。

　　目前，NB-IoT的市場(chǎng)普及在各國間存在差異。在許多國家，潛在的運營(yíng)商可能面臨來(lái)自非移動(dòng)LPWAN網(wǎng)的強有力競爭。例如，在荷蘭，KPN已建立了國家LoRa網(wǎng)，在這種情況下，它可能不太會(huì )采用NB-IoT。

　　第五，確定正確的市場(chǎng)進(jìn)入戰略。LPWAN的應用具有在非常規的間隔中發(fā)送小數據有效載荷的特性。潛在的用戶(hù)可能需要更多低價(jià)值的服務(wù)。在這種情況下，NB-IoT運營(yíng)商需要開(kāi)發(fā)相應的戰略，應對這樣的市場(chǎng)需求。主要策略包括：建立市場(chǎng)與品牌間的平衡;擴大市場(chǎng)占有率，不僅限于傳統的M2M業(yè)務(wù);在低端市場(chǎng)避免成本價(jià)格戰，側重于可控制價(jià)格溢價(jià)的應用;探索新商業(yè)模式以創(chuàng )造價(jià)值，加強垂直行業(yè)合作。

　　第六，定價(jià)計劃的設計，主要是物聯(lián)網(wǎng)數據計劃。目前，運營(yíng)商仍在嘗試中。例如：韓國電信最近推出覆蓋全國的LoRa網(wǎng)，推出6種數據計劃，每一計劃對應于使用不同頻段的數據應用。它的定價(jià)模式是：LoRa的數據計劃價(jià)格只相當于基于LTE的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的十分之一。在擁有LoRa或Sigfox業(yè)務(wù)的國家，NB-IoT的資費不得不保持合理的競爭區間。而在英國，由于沒(méi)有國家LPWAN網(wǎng)絡(luò )，NB-IoT運營(yíng)商在設計定價(jià)結構時(shí)，會(huì )有更多回旋余地。

　　此外，低速數據傳輸、隱私和安全、IT系統的轉換時(shí)間等問(wèn)題，都將限制其發(fā)展。
 

 

　　二、eMTC

　　LTE-M，即LTE-Machine-to-Machine，是基于LTE演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在R12中叫Low-Cost MTC，在R13中被稱(chēng)為L(cháng)TE enhanced MTC，即eMTC，旨在基于現有的LTE載波滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)設備需求。

　　eMTC基于蜂窩網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行部署，支持上下行最大1Mbps的峰值速率，屬于物聯(lián)網(wǎng)中速率，其用戶(hù)設備通過(guò)支持1.4MHz的射頻和基帶帶寬，可以直接接入現有的LTE網(wǎng)絡(luò )。LTE在不斷演進(jìn)的過(guò)程中，最新的eMTC和NBIoT都進(jìn)一步優(yōu)化了系統的成本、增強了續航能力、擴大了覆蓋范圍。eMTC的最關(guān)鍵能力在于支持移動(dòng)性并可以定位，成本只有Cat1芯片的25%，相比于GPRS速率要高四倍。

　　技術(shù)優(yōu)勢

　　窄帶LTE其中最主要的幾個(gè)特性。第一，系統復雜性地大幅度降低，復雜程度及成本得到了極大的優(yōu)化。

　　第二，功耗極度降低，電池續航時(shí)間大幅度增強。

　　第三，網(wǎng)絡(luò )的覆蓋能力大大加強。

　　第四，網(wǎng)絡(luò )覆蓋的密度增強。

　　eMTC具備LPWA基本的四大能力：一是廣覆蓋，在同樣的頻段下，eMTC比現有的網(wǎng)絡(luò )增益15dB，極大地提升了LTE網(wǎng)絡(luò )的深度覆蓋能力;二是具備支撐海量連接的能力，eMTC一個(gè)扇區能夠支持近10萬(wàn)個(gè)連接;三是更低功耗，eMTC終端模塊的待機時(shí)間可長(cháng)達10年;四是更低的模塊成本，大規模的連接將會(huì )帶來(lái)模組芯片成本的快速下降，eMTC芯片目標成本在1～2美金左右。

　　應用場(chǎng)景

　　應用在智能物流中，具有防盜、防調換、實(shí)時(shí)溫度傳感和可定位優(yōu)勢，能夠實(shí)時(shí)監控及定位，將信息記錄及上傳，可以對行駛軌跡查詢(xún);在智能可穿戴設備中，可支持健康監測、視頻業(yè)務(wù)、數據回傳和定位;依靠目前的蜂窩網(wǎng)交互屏幕，提供包括智能充電樁、候機寶、電梯衛士、智能公交站牌、公共自行車(chē)管理等方面的應用場(chǎng)景。

　　面臨的挑戰

　　eMTC業(yè)務(wù)特征對VoLTE業(yè)務(wù)的適用性分析

　　eMTC與NB-IoT的典型特性差異在于，eMTC終端工作帶寬可以達到1.08MHz，遠遠高于NB-IoT終端的200kHz，因此，eMTC終端的峰值速率遠遠高于NB-IoT終端?；谏鲜鎏卣?，業(yè)界普遍認為eMTC技術(shù)能夠提供較為低廉的VoLTE終端方案，并能夠具備較好的業(yè)務(wù)質(zhì)量，但通過(guò)詳細的技術(shù)分析，采用eMTC技術(shù)支持語(yǔ)音業(yè)務(wù)或提供語(yǔ)音解決方案，實(shí)際效果可能難以樂(lè )觀(guān)。

　　低功耗特征

　　為了能夠在電力供應受限環(huán)境中提供物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，像NB-IoT一樣，eMTC也將低功耗作為系統設計目標，期望能夠基于較小容量的電池，支持終端10年免維護，并且與NB-IoT一樣采用了eDRX(Extended Discontinuous Reception)和PSM(Power Saving Mode)兩種節電技術(shù)。對于典型的低頻次物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，比如自動(dòng)抄表類(lèi)，由于業(yè)務(wù)頻次非常低，采用這兩種技術(shù)可以讓終端長(cháng)期處于休眠狀態(tài)，只在需要進(jìn)行數據傳輸的時(shí)候進(jìn)行工作，因此可以非常節電，但這種良好的節電效果只對頻次較低的業(yè)務(wù)有效，對于VoLTE業(yè)務(wù)而言，終端需要經(jīng)常監聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )尋呼，以及時(shí)響應到達的呼叫，所以無(wú)法采用eDRX和PSM技術(shù)的節電機制。

　　大連接特征

　　萬(wàn)物互聯(lián)的要求，需要物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠服務(wù)海量的終端，為此3GPP設計了CP(Control Plane)優(yōu)化與UP(User Plane)優(yōu)化兩種空口技術(shù)優(yōu)化方案，對于小包傳送的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，可以節省大量的空口信令，提升傳輸效率。但對于VoLTE語(yǔ)音業(yè)務(wù)，是無(wú)法采用CP及UP優(yōu)化方案提升容量的，因此eMTC對于VoLTE不具有提升容量的能力。

　　廣覆蓋特征

　　考慮到有些物聯(lián)網(wǎng)終端往往處于建筑物內部的較深位置，典型的比如水表，所處環(huán)境往往信號非常微弱，eMTC設計了重復技術(shù)以增強覆蓋，通過(guò)上、下行無(wú)線(xiàn)信號的重復，可以在接收端累積信號能量，從而增強覆蓋。但正是由于無(wú)線(xiàn)信號的重復，造成平均業(yè)務(wù)速率降低，也就是說(shuō)，這種覆蓋增強技術(shù)是以業(yè)務(wù)速率降低為代價(jià)換取的，所以，對于VoLTE這種需要一定速率保障的業(yè)務(wù)而言，eMTC的覆蓋增強技術(shù)沒(méi)有帶來(lái)任何好處。

　　低成本eMTC終端方案

　　eMTC終端(芯片)的低成本方案主要包括：較小工作帶寬，eMTC終端的工作帶寬為1.08MHz，這種工作帶寬雖然比NB-IoT更高，但相較于普通LTE終端卻低了許多，能夠降低器件價(jià)格以及芯片計算能力要求，從而降低總體價(jià)格;較低的峰值速率，相對LTE而言，較低的峰值速率降低了芯片計算能力和Buffer要求，從而降低芯片價(jià)格;單終端接收天線(xiàn)，降低射頻器件成本;半雙工方案，可以省下終端射頻的雙工器，從而降低終端的成本。

　　LoRa

　　LoRa是LPWAN通信技術(shù)中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術(shù)的超遠距離無(wú)線(xiàn)傳輸方案。這一方案改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，為用戶(hù)提供一種簡(jiǎn)單的能實(shí)現遠距離、長(cháng)電池壽命、大容量的系統，進(jìn)而擴展傳感網(wǎng)絡(luò )。

　　目前，LoRa主要在全球免費頻段運行，包括433、868、915 MHz等。LoRa技術(shù)具有遠距離、低功耗(電池壽命長(cháng))、多節點(diǎn)、低成本的特性。LoRa網(wǎng)絡(luò )主要由終端(可內置LoRa模塊)、網(wǎng)關(guān)(或稱(chēng)基站)、Server和云四部分組成。應用數據可雙向傳輸。

　　技術(shù)優(yōu)勢

　　按需部署：LoRa可以根據應用需要，規劃和部署網(wǎng)絡(luò )、根據現場(chǎng)環(huán)境針對性放置基站/網(wǎng)關(guān)、更容易做到無(wú)縫覆蓋，而改善覆蓋質(zhì)量還可以降低功耗，提高系統容量、個(gè)人，企業(yè)或機構可部署，并且可以滿(mǎn)足安全需求，數據也可私有。

　　輕量級：相比于其他的LPWAN技術(shù)協(xié)議，LoRa的系統復雜度更低，硬件實(shí)現簡(jiǎn)單，對資源要求較低，輕量級的LoRaWAN協(xié)議，軟件實(shí)現簡(jiǎn)單，部署實(shí)施簡(jiǎn)單。

　　低成本：LoRaWAN模塊量產(chǎn)，價(jià)格已經(jīng)在USD5以下，并逐漸接近2G模塊價(jià)格，室外型基站已低至USD500左右，室內型USD100，從國外運營(yíng)商來(lái)看，LoRa月租可達eMTC月租的1/5~1/10甚至更低。

　　NB—IOT與LORA對比

　　有效應對低ARPU：?jiǎn)蝹€(gè)連接的APRU很低，高額投資將面臨低收益率問(wèn)題，高質(zhì)量，輕量級，低成本才是有效的應對途徑。

　　開(kāi)放的生態(tài)，成熟的產(chǎn)業(yè)鏈：節點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)和云服務(wù)器全開(kāi)放，各種量級的設備供選擇，網(wǎng)絡(luò )可以自己運營(yíng)，不同的商業(yè)和運營(yíng)模式。

　　投資回報較高，經(jīng)濟可行：若是只考慮基站的投資的話(huà)，LoRa的回報率為，基站以平均RMB5000計，6.25個(gè)月(半年)收回基站投資。NB-IOT的回報率為，綜合考慮基站升級和新建，假設平均15萬(wàn)元/站，187.5個(gè)月(15.6年)收回基站投資。

　　應用場(chǎng)景

　　LoRa技術(shù)非常適用于要求功耗低、距離遠、大量連接以及定位跟蹤等的物聯(lián)網(wǎng)應用，如智能抄表、智能停車(chē)、車(chē)輛追蹤、寵物跟蹤、智慧農業(yè)、智慧工業(yè)、智慧城市、智慧社區等等應用和領(lǐng)域。

　　面臨的挑戰

　　城市級網(wǎng)絡(luò )覆蓋：LoRa沒(méi)有運營(yíng)商的支出，布網(wǎng)方面先天弱勢。

　　頻譜資源：LoRa采用免費頻段，可能存在干擾問(wèn)題，盡管LoRa本身抗干擾能力強，LoRaWAN協(xié)議本身也有規避干擾的措施。但物理干擾難于完全避免。

　　應對措施：去碎片化，建設統一的廣域網(wǎng)網(wǎng)，絡(luò )共建，資源共享。同時(shí)需要做到更輕量級,更低成本，LoRaWAN模塊的成本需要向2G模塊的成本看齊，甚至向WiFi模塊靠近。

　　在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展產(chǎn)品化的過(guò)程中，我國一直缺乏一些關(guān)鍵技術(shù)的掌握，所以產(chǎn)品檔次上不去，價(jià)格下不來(lái)。缺乏RFID等關(guān)鍵技術(shù)的獨立自主產(chǎn)權這是限制中國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。和美國相比，國內物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈完善度上還存在著(zhù)較大差距。雖然國內三大運營(yíng)商和中興華為這一類(lèi)的系統設備商都已是世界級水平，但是其他環(huán)節相對欠缺。物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)化必然需芯片商、傳感設備商、系統解決方案廠(chǎng)商、移動(dòng)運營(yíng)商等上下游廠(chǎng)商的通力配合，所以要在我國發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)，在體制方面還有很多工作要做，如加強廣電、電信、交通等行業(yè)主管部門(mén)的合作，共同推動(dòng)信息化、智能化交通系統的建立。

　　物聯(lián)網(wǎng)應用領(lǐng)域十分廣泛，許多行業(yè)應用具有很大的交叉性，但這些行業(yè)分屬于不同的政府職能部門(mén)，要發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)這種以傳感技術(shù)為基礎的信息化應用，在產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中必須加強各行業(yè)主管部門(mén)的協(xié)調與互動(dòng)，以開(kāi)放的心態(tài)展開(kāi)通力合作，打破行業(yè)、地區、部門(mén)之間的壁壘，促進(jìn)資源共享，加強體制優(yōu)化改革，才能有效的保障物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的順利發(fā)展。

　　對于物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，每種技術(shù)都有特點(diǎn)和優(yōu)勢，滿(mǎn)足不同的訴求和市場(chǎng)，多LPWAN技術(shù)將百花齊放，共生共存。