對于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計師來說，「網(wǎng)絡(luò)連接」一定是最讓人頭大的問題之一。在傳感器之間相互通信的「邊緣地帶」，各種通信標準互相競爭，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爭的標準：無線運營商標準和LPWAN。LPWAN提供商通常會使用多種標準，包括一部分專有標準；蜂窩通信行業(yè)的路線圖則側(cè)重于簡化和增強以長期演進（LTE）標準為中心的當前產(chǎn)品的功能。因此，即使在長距離通信連接市場中只存在兩個基本競爭者，也仍然有必要了解有關(guān)每個競爭者的基本信息，以及它們的優(yōu)缺點和對特定應(yīng)用的適用性。

網(wǎng)絡(luò)連接為何如此值得關(guān)注？

說到底還是和錢有關(guān)。無線運營商和LPWAN提供商都會對每臺聯(lián)網(wǎng)設(shè)備收費，同時物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量也正在迅速增長。全世界的無線運營商花了三十多年時間，才實現(xiàn)今天高達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84億臺，預(yù)計2020年這一數(shù)字將不少于200億臺。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，這么好的生意誰不想做？然而，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之間存在很大差異，并且當前基于蜂窩網(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，因而并不存在一個單一標準能夠滿足所有需求。

為了說清楚這些差異，我們來設(shè)想這樣一個場景：一座城市中有10萬個住宅、企業(yè)等用電實體，它們的智能電表都需要連接到Internet。這樣的需求實現(xiàn)起來，顯然和在一家工廠里讓250臺機器發(fā)送數(shù)據(jù)有著天壤之別，就好比在一個龐大的農(nóng)場中，諸多類型的傳感器會散布在方圓數(shù)公里的土地上，而非聚集在一棟建筑物中，此外自動駕駛汽車也幾乎必然會出現(xiàn)，最終將會構(gòu)建出一個復(fù)雜無比的獨特物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，需要在車輛之間以及固定設(shè)施之間實現(xiàn)各種連接。

無論對于何種應(yīng)用，無線運營商和LPWAN提供商所提供的服務(wù)都有一個共同目標，就是讓安裝在閥門、電機和泵等主設(shè)備上的微型傳感器在僅由紐扣電池供電的情況下，在長達數(shù)年的時間內(nèi)定期與某個外部點進行通信。盡管這兩種服務(wù)提供商都以各自不同的方式來解決此問題，但它們都采用了專門針對物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境而設(shè)計的各種技術(shù)。例如，它們都對數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧亢统掷m(xù)時間進行了限制，規(guī)定了傳感器必須在何時進行通信，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現(xiàn)傳輸。

此外，由于帶無線功能的傳感器發(fā)送的低功率信號非常弱，因此必須使用非常敏感的基站接收器，才能檢測到這些信號。基站本身還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)）來縮短信號傳輸所需的距離，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的水平。

比較蜂窩通信和LPWAN

面對物聯(lián)網(wǎng)的需求，蜂窩通信行業(yè)有著獨特優(yōu)勢。在美國，各大運營商建立了數(shù)十萬個宏基站，這個數(shù)量恐怕達到了小型蜂窩小區(qū)的三倍，使得LTE信號幾乎無處不在。大多數(shù)情況下，要升級這些基礎(chǔ)設(shè)施，以便適應(yīng)與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通信，僅需要升級軟件就可以實現(xiàn)，無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)被公認為下一個大事件之前，無線運營商便早已通過傳統(tǒng)的第二代（2G）技術(shù)解決了無線傳感器的連接問題。

蜂窩通信行業(yè)多年來一直致力于適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)。負責管理無線標準制定和發(fā)布的第三代合作伙伴計劃（3GPP）在其最新的第13版標準中包含了專門針對物聯(lián)網(wǎng)的實質(zhì)性規(guī)范，該標準于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標準預(yù)計于2019年發(fā)布之前，這些功能將繼續(xù)得到增強。屆時，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提供商就沒有這樣的優(yōu)勢。由于它們完全是無線通信世界中的新進者，因而在想要提供信號覆蓋的所有區(qū)域中，都必須從頭開始構(gòu)建每一個系統(tǒng)。與此同時，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LPWAN提供商而言，現(xiàn)階段真正的問題，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，例如運營商級安全性和其他各種強制性功能，因而大多數(shù)分析師都認為它們可以做到，并且它們對客戶而言也可能具有成本優(yōu)勢。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來提供服務(wù)?？梢钥隙ǖ卣f，雖然蜂窩通信行業(yè)將會主導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)連接，但LPWAN提供商仍然可以在個別市場中與前者開展價格戰(zhàn)。

蜂窩通信物聯(lián)網(wǎng)

蜂窩通信行業(yè)正在開發(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前LTE版本基礎(chǔ)之上，并繼續(xù)對其進行完善，包括降低其復(fù)雜性和成本。隨著這一過程逐步開展，蜂窩通信技術(shù)將更加適用于各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，并最終迎來第五代蜂窩通信技術(shù)（5G）。

對此，蜂窩通信行業(yè)的共識是采用主要在3GPP第13版標準中引入的三個不同標準，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)連接，并最終實現(xiàn)5G標準中的要求。理想情況下，這些解決方案應(yīng)在低于1GHz的頻率上實現(xiàn)，因為這種情況下的信號傳播條件更有利于長距離傳輸和建筑物穿透：

LTE-M：也稱為增強型機器類型通信（eMTC），是從第12版（2014年）標準中的LTE標準發(fā)展而來，并且包含第13版標準中的進一步改進。

NB-IoT：第13版標準中為物聯(lián)網(wǎng)準備的窄帶LTE。

EC-GSM-IoT：用于物聯(lián)網(wǎng)的擴展覆蓋GSM，是GSM技術(shù)擴大信號覆蓋范圍的變體。該技術(shù)在第13版標準中針對物聯(lián)網(wǎng)進行了優(yōu)化，可以與GSM運營商一同部署。

5G：將于2020年實現(xiàn)標準化，使NB-IoT和EC-GSM-IoT得到增強。

在此，我們可以推定，由于物聯(lián)網(wǎng)的要求與運行傳統(tǒng)蜂窩通信的要求存在顯著區(qū)別，因而未來的新發(fā)展要通過使用省電模式來延長電池壽命、通過降低設(shè)備復(fù)雜度來降低設(shè)備成本、通過共享運營商容量來降低部署成本、通過采用更高級的編碼和增加信號的頻譜密度來擴大信號覆蓋范圍。

表1中詳細闡釋了蜂窩通信技術(shù)的發(fā)展。例如，第8版標準的峰值下行鏈路速率可達150Mb/s，因為它是為傳統(tǒng)蜂窩應(yīng)用設(shè)計的。但是，在新的NB-IoT窄帶標準中，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%。簡而言之，對于面向物聯(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)語音和數(shù)據(jù)服務(wù)希望通過5G實現(xiàn)的目標完全相反。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。

可供選擇的LPWAN方案

LPWAN提供商既可以采用開放式標準（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個國家和地區(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可，其聯(lián)盟中已有400多個成員。正是由于這個原因，才使LoRa基帶和RF硬件的成本不斷降低，其降幅至今已超過一半，并且隨著供貨數(shù)量增加還可能進一步下降。

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，它們之間確實很容易混淆。LoRa是由LoRaWAN聯(lián)盟管理的開放標準物理層，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，并通過一種名為Symphony Link的解決方案來提供該公司獨有的功能，例如在沒有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的情況下運行。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)器再到端點的所有技術(shù)，并且完全可以充當整個生態(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)運營商出現(xiàn)。但是，該公司允許任何同意其條款的組織免費使用其端點技術(shù)，因而能夠與主流物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供應(yīng)商乃至一部分無線運營商建立關(guān)系。與LoRaWAN一樣，Sigfox的市場份額持續(xù)上升，尤以歐洲最為明顯，因為它的傳輸長度符合歐盟準則。其供應(yīng)美國的版本為了符合美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）的規(guī)則，與歐洲版本存在明顯差異。Sigfox的唯一缺點是它的專有性。

Weightless

Weightless可謂是物聯(lián)網(wǎng)連接解決方案中的一個異類，它是由Weightless Special Interest Group（SIG）管理的真正開放式標準。該解決方案的名稱源自其「輕量級」的協(xié)議，通常每次僅需傳輸幾個字節(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，因為它們傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量非常少。不同于許多其他標準，Weightless運行在低于1GHz的「電視空白頻段」中，這是無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，并且更容易穿透建筑物和其他容易阻擋射頻信號的結(jié)構(gòu)。

目前Weightless共有兩個版本：

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行。Nwave基站可在10km范圍內(nèi)容納多達100萬個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，同時以不高于100mW的射頻功率實現(xiàn)100bps的數(shù)據(jù)速率。該公司聲稱其由電池供電的設(shè)備可以運行長達10年的時間。在低于1GHz的頻帶中工作時，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頻調(diào)制技術(shù)，稱為隨機相位多路訪問（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)實現(xiàn)高容量運行。

在美國使用時，單個RPMA接入點的信號可覆蓋176平方英里的范圍，遠大與Sigfox或LoRa。它具有低開銷、低延遲特點和廣播功能，可以將命令同時發(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，并且公司會建立自己的專用于機器對機器通信的公共和專用網(wǎng)絡(luò)。

總結(jié)

爭奪長距離物聯(lián)網(wǎng)通信頭把交椅的只有蜂窩通信行業(yè)和LPWAN提供商，因此我們很可能會想當然地以為在這個領(lǐng)域中，設(shè)計師的工作相比短距離通信領(lǐng)域要容易得多。然而事實并非如此，因為這兩種互相競爭的技術(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，但同時也會在設(shè)計中帶來巨大的挑戰(zhàn)。

對于最終用戶而言，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)，以及連接每個設(shè)備所需的費用。但是，如果用戶所在區(qū)域內(nèi)有多個正在運營的無線運營商和LPWAN提供商，顯然用戶會更加難以決策。對于一般的物聯(lián)網(wǎng)連接，要分出誰勝誰負，還需要好幾年的時間。

審核編輯：郭婷