物联网七大协议模板.doc

NB-IoT/LTE-M/Sigfox/LoRa/RPMA/Weightless/HaLow七大LPWAN技术之争

较受关注是采取授权频谱NB-IoT和LTE-M, 关键由3GPP主导运行商和电信设备商投入; 以及采取非授权频谱LoRaWAN、 Sigfox、 Weightless、 HaLow、 RPMA(Random Phase Multiple Access)等技术, 其大部分投入为非电信领域。

LPWAN, Low-Power Wide-Area Network, 抓住两个关键词: 低功耗和广域覆盖, 简单说, 就是在特省电情况下, 实现长距离通信无线技术。

这种技术共同点就是, 远距离通信能力可支持大规模物联网布署, 低功耗可避免常常更换电池, 降低维护成本。

LPWAN最经典应用就是智慧城市, 城市路灯、 智能电表、 下水道水位探测、 智能交通等等, 远距离无线通信可避免铺设有线管道, 低功耗可确保几年不用更换电池, 省事省成本, 这对于规模浩大智慧城市建设简直是不二选择。

1 NB-IoT vs. LTE-M, 市场碎片化？

NB-IoT颇有以后居上势头。3GPP惊觉LPWAN商机已来, 火速在6月推出R13 NB-IoT标准。

尽管来得稍晚, 却备受瞩目。3GPP主导, 几大电信设备商支持, 全球300多家运行商已完成全球90%覆盖移动网络, 无以伦比生态系统让其她LPWAN技术直呼狼来了。

•支持现网升级, 可在最短时间内抢占市场。

•运行商级安全和质量确保。

•标准不停演进和完善。在3GPP R14标准里, NB-IoT还将会增加定位、 Multicast、 增强型非锚定PRB、 移动性和服务连续性、 新功率等级、 降低功耗与时延等等, 让NB-IoT技术更具竞争优势。

因为NB-IoT采取授权频谱, 可避免无线干扰, 且含有运行商级安全和质量确保, 所以, 与其她LPWAN技术比起来, 似乎更高逼格。

不过, 这是有代价, 假如算上频谱拍卖价格, NB-IoT布署成本其实是高于部分其她LPWAN技术。依据一份NB-IoT vs LoRa Technology研报, NB-IoT布署成本高于LoRa（以下图）。

这就像寄快递一样, 部分小快递企业价格廉价, 不过不能保障速度, 没准还把你充气娃娃搞丢了, 而NB-IoT就有点像快递中顺丰。

所以, 对部分对可靠性、 包含时延性要求较高应用场景, NB-IoT不可替换。

NB-IoT自R13标准冻结后, 正以惊人速度占领市场, 据不完全统计, 中国、 德国、 西班牙、 荷兰等国家已经宣告计划商用NB-IoT。

•中国电信计划于6月商用第一张全覆盖NB-IoT网络。

•德国电信计划于第二季度商用NB-IoT网络, 采取LTE 800MHz和900MHz频段, 首先应用于智能电表、 智能停车和资产追踪管理等。

•荷兰计划于前完成国家级NB-IoT网络建设。

•在西班牙, Vodafone首先在巴伦西亚和马德里布署了NB-IoT, 并在3月底将城市扩展到巴萨罗拉、 毕尔巴鄂、 马拉加等地, 已经有1000个以上基站支持NB-IoT。

…

不过, 我们也不要忽略了3GPP另一股力量——LTE-M。伊始, LTE-M也在快速蔓延扩张。

2月27日, 在MWC上, AT&T (美国和墨西哥)、 KPN (荷兰)、 KDDI (日本)、 NTT DOCOMO (日本)、 Orange (欧洲、 中东和非洲)、 Telefonica (欧洲)、 Telstra (澳大利亚)、 TELUS (加拿大) 和Verizon (美国) 联合宣告支持LTE-M全球布署。

•KPN已经在荷兰完成了LTE-M测试, 采取是爱立信和高通设备。

•AT&T早在就于旧金山布署了LTE-M网络试点项目, 2月, 宣告计划于第二季度完成美国首个国家级LTE-M网络布署。

•这还了得, 友商Verizon一万个不服。就在几天前, 3月31日, Verizon宣告将在美国首个推出范围LTE-M网络, 并表示正在加速建设, 言外之意就是 甭管你AT&T啥时建成, 劳资就是要比你快一步。

3GPP在R13版本出现了两种物联网版本: LTE-M和NB-IoT。坦白讲, 这是妥协结果, 3GPP和了稀泥, 这造成了市场碎片化和混乱。

我们先来比较一下两种技术:

一眼便知, NB-IoT在频谱上更具灵活性, 可支持三种布署方法。LTE-M速率更高。

不过, 这不够, 物联网关键是性能、 成本和功耗, 所以我们下面从这三个方面来对比。

1）性能

因为NB-IoT比特率较小, 所以链接预算愈加好, 所以, 普遍认为NB-IoT覆盖范围比LTE-M更大。

不过, 最近看到国外一篇文章对此进行了反驳。我只当搬运工, 大家来评理。

原文以下:

最大耦合损耗（MCL）是传送数据时UE和eNodeB天线端口之间最大总信道损耗。MCL越高, 链接越强大。依据3GPP, CAT-M1MCL为155.7dB, NB-IoT为164dB, 有8dB差异。表面上看, NB-IoT更具优势。不过, 依据香农定理, 当信噪比（SNR）很低, 噪音是白噪音情况下, 信道容量近似值是和带宽无关。

基于上面推论, 我们会得到以下结论:

•当发射功率相同时, 二者在上行方向覆盖范围一致,
•在下行方向, CAT-M1覆盖范围是NB-IoT6倍（~8dB）, 因为Cat-M1从节点（eNB）发出信号带宽是NB-IoT6倍。

实际上, 假如我们仔细去看3GPP标准里面用来计算MCL参考场景参数设置, 两个标准参数设置是不一样, 比如发射功率, 噪音系数, 和目标吞吐率都不一样, 这么比较是不公平, 以下表:

假如我们使用相同假设条件（相同发射功率, 相同噪音系数, 和相同目标吞吐率）, 我们能够看到前面推论是成立, 即: 两个标准上行覆盖范围相同, 下行覆盖范围CAT-M1比NB-IoT优化~8dB。

2）成本

模块成本上, NB-IoT比LTE-M低毋庸置疑。LTE-M带宽为1.4MHz, NB-IoT处理带宽为200KHz, 基带部分尺寸更小, 而且200K带宽射频前端和数字处理都比1.4MHzLTE资源块简单得多。另外, NB-IoT波形更简单, 而LTE-M处理OFDM要更复杂。

3）功耗

因为物联网设备大多数时间在“睡觉”, 所以比较功耗关键看设备激活状态下功耗。通常认为, 因为NB-IoT速率更低, 处理波形更简单, 所以功耗更低。

不过, 我又看到另一个解释, 说是因为LTE-M比NB-IoT吞吐率更高, 那么, 假如接收数据量相等, 则LTE-M比NB-IoT花时间更少, 这意味着更省电。

&%&&**%￥#￥…. 真是受不了技术宅啊! ! ! !

总而言之, 假如非要分个国界话, 美国两大运行商支持LTE-M, 中国和欧洲更支持NB-IoT。当然, 关键还是运行商依据自己实际情况来布署, 最利于自己才是关键。

2 Sigfox, 抢地盘抢地盘

, 在NB-IoT还未站稳脚跟之时, Sigfox正在疯狂抢地盘, 企图在最短时间里拉开距离。

这也轻易了解, Sigfox、 LoRaWAN、 RPMA这些技术成熟度原来就领先NB-IoT一两年, 实际上, 人家已经率先踏上商业化之路, 此时不加速, 等候何时？

来自法国Sigfox心里很清楚, 与NB-IoT竞争最大弱势之一就是网络覆盖, 毕竟NB-IoT是现成网络, 布署很快, 而Sigfox需要新建基站。所以, 现阶段她们目标就是建网络, 疯狂建网络。

据统计, 截止1月, Sigfox网络已覆盖29个国家和地域、 170万平方公里、 4.7亿人口, 并计划在把网络扩张到60个国家。

另外, Sigfox尽管没有NB-IoT引入瞩目, 但其在生态布署上不容忽略。Sigfox采取无偿专利授权策略, 吸引了很多伙伴加入生态系统。现在Sigfox已经有71个设备制造商、 49个物联网平台供给商、 8家芯片厂家、 15家模块厂家、 30家软件和设计服务商等伙伴。其中, 芯片供给商包含德州仪器(TI)、 意法半导体(ST)、 芯科(Silicon Labs)、 安森美(OnSemi)、 恩智浦(NXP)、 Ethertronics、 Microchip与云创通讯(M2Comm)等。

Sigfox工作在868MHz和902MHzISM频段, 消耗很窄带宽或功耗, 且Sigfox传输速率最低, 仅为100bits/s, 消息最长是12个字节, 一个节点天天最多传送消息数量为140条。在传送12字节消息时候, 封包大小仅为26字节。所以, 因为窄带宽和短消息特点, 加之其162dB链路预算, Sigfox在远距离传输上优势也较突出。

▲Sigfox消息上行12字节, 下行8字节; 天天最多发送140条消息; 只需在电脑上就可利用Sigfox Could云平台连接到物联网设备

▲在传送12字节消息情况下, Sigfox封包容量仅为26字节, 比其她通信协议小

另外, Sigfox这货还有个特点, 它不需要传输信令, 终端只要在频率上使用SigFox Radio Protocol发射信号, 基站会自行接收信息, 所以省去了信令负荷, 降低了总传输数据量, 可深入降低功耗。

▲Sigfox协议还不需传输信令信号, 能省下更多流量

不过, 有优点也有缺点。Sigfox速率低、 覆盖广, 但天天上传数据有限, 不适合数据传送频率较高应用。

所以, 这里有个形象比方, 假如消息长度为120字节LPWAN技术是小汽车, 那么Sigfox就是摩托车。

▲Sigfox传输方法就像是用摩托车来运输小量货物

当然, 这么好处是, 能够增加连接数量…

3 LoRa, 浩浩荡荡大军

LoRa名字源于Long Range缩写, 它梦想就是长距离, 假如一个网关或基站可覆盖整个整个城市那就再美不过了。

在LoRa组网中, 全部终端会先连接网关, 网关之间经过网络互连到网络服务器, 在这种架构下, 即使2个终端位于不一样区域、 连接不一样网关, 也能相互传送数据, 深入扩展数据传输范围。

▲LoRa组网结构图

现在大多数网络采取网状拓朴, 然而在这种网络拓扑下, 往往经过节点作为中继传输, 路由迂回, 增加了整体网络复杂性和耗电量。

LoRa独辟蹊径, 采取星状拓朴, 让全部节点直接连接到网关, 网关再连接至网络服务器整合, 若需要与其她终端节点沟通, 也是经由网关传输。如此一来, 尽管终端节点必需指定位置安装, 但网关安装选点灵活, 能够就近有线网络或有电源地方选点, 无须担心网关耗电问题。进而, 终端节点能够将部分耗电较高工作交给网关来处理, 以提升终端续航能力。

LoRa支持双向传输, 传输方法分为3种不相同级: Class A, Class B和Class C。

Class A最省电, 终端设备日常会关闭数据传输功效, 在终端上传数据后, 会短暂实施2次接收动作, 然后又再次关闭传输。这种方法即使能够大幅度省电, 不过无法立刻从网络服务器遥控或传送数据, 会有较长延迟。

Class B耗电量较大, 能够在设定时间定时开启下载功效、 接收数据, 这么能降低传输延迟。

Class C则会在上传数据以外时间, 连续开启下载功效, 即使能够大幅降低延迟, 但也会深入耗电。

由IBM和思科领衔LoRa大军一样声势浩大。LoRa联盟以17个赞助会员为主, 包含了韩国SK Telecom和法国Orange等运行商加入。

以SK电信为例, 早在就宣告商用第一个国家级基于LoRa物联网网络。

▲SK电信端到端LoRa网络构架图

LoRa早在就表示, 已经有17个国家宣告建网计划, 超出120个城市已经有运行网络。LoRa联盟会员超出400个, 产业链完整, 被称为是除了NB-IoT之外, 最吸引电信营运商LPWAN技术。

LoRa尽管传输距离不如Sigfox, 也能确保几公里范围覆盖, 且频带较宽, 建设成本和难度不高, 尤其适适用于工业区内搜集多种温度、 水、 气体和生产数据等多种数据。当然, 假如与NB-IoT或LTE-M这么成熟大网结合, 大范围地将分布于各地工业区连接起来, 并传送云端进行数据分析, 意义非同凡响。

4 RPMA, LPWAN界一匹黑马

RPMA来得有点尤其, 其她LPWAN多采取1GHz以下频段, 由美国Ingenu主导PRMA采取2.4GHz频段, 这一技术被部分人称为LPWAN界一匹黑马。

RPMA覆盖能力强, 听说覆盖整个美国仅需要619个基站, 而LoRa覆盖全美则需要10830个基站。RPMA容量也够大, 以美国为例, 假如设备每小时传送100字节信息, 采取RPMA技术可接入249232个设备, 而采取LoRa技术和Sigfox技术则分别只能接入2673个设备和9706个设备。

为快速占领低LPWAN市场, Ingenu表示, 该企业已经在全球超出45个国家和地域布署了2.4GHzRPMA, 听说底在美国30个城市建立600个基站塔, 覆盖七成美国国土。

Ingenu也在主动与芯片、 模块和系统供给商建立伙伴关系, 扩大生态系统, 推进市场应用。

5 Weightless, 看似很平静

Weightless有三个不一样架构: Weightless-N、 Weightless-P和Weightless-W。Weightless-N单向通信, 是低成本版本; Weightless-P是双向通信; 假如当地TV空白频段可用, 可选择Weightless-W。

Weightless与欧洲电信标准化协会(European Telecommunications Standards Institute, ETSI)达成合作协议, 该技术未来可能会仿效Wi-Fi, 建立统一标准和认证体系, 将技术和产品标准化、 产业化。依据Weightless SIG目标, 一个Weightless连接终端成本期望在2美元以内, 一个Weightless基站材料成本低于3000美元。

Weightless-P使用GMSK和offset-QPSK调制提供最好功率放大器效率。offset-QPSK调制本身含有干扰免疫和使用扩频技术, 可提升网络连接质量。17dBm低传送功耗, 终端能够用纽扣电池供电。自适应数据速率还许可节点用最小发送功率建立一个新信号通道到基站, 所以能够延长电池寿命。在待机模式下, Weightless-P功耗小于100uW。

6 HaLow, 让WiFi走出室内梦想

WiFi在室内取得了巨大成功, 一直想走向室外。物联网来了, 是时候再搏一搏了。9月, 由IEEE主导802.11ah标准, Draft 9.0版本完成。12月, 完成标准委员会核定程序, 估计能够商业化, 命名为HaLow, 采取非授权900MHz频段, 传输距离达1公里, 传输速率150kbps～347Mbps。

IEEE还计划采取电视白频道频段54～790MHz802.11af技术, 期待能提供更低功耗与更长传输距离。

不过, 从HaLow规范看来, 传输距离与动辄数十公里其她LPWAN技术相较还有一段差距, 即使能够经过多点中继方法延伸到数公里, 但因为起步时间较晚, 产业链势微。好处是WiFi网络建设不困难, 只需经过设备升级即可。

现在也只能定位为NB-IoT补充, 真正实现网络广域连接, 还得靠NB-IoT来帮忙。