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作者：巴里•曼茲 貿澤電子 對于IoT網(wǎng)絡(luò )設計者來(lái)說(shuō)，實(shí)現互連是最令人沮喪方面之一，在傳感器互相通信的周?chē)嬖诤芏喔偁幮缘臉藴�，它們大部分都是不兼容的。從邊緣到互�?lián)網(wǎng)和云服務(wù)主要有兩種方式：無(wú)線(xiàn)運行商和低功耗廣域網(wǎng)絡(luò )（LPWANs），無(wú)疑它們存在著(zhù)激烈的競爭。LPWAN提供商使用的標準不止一個(gè)，有一些還是專(zhuān)屬標準，而蜂窩網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展路線(xiàn)則是集中簡(jiǎn)單化并且提高當前以長(cháng)期演進(jìn)（LTE）標準為核心的產(chǎn)品的競爭力。因此雖然在這個(gè)長(cháng)期的市場(chǎng)中只有兩個(gè)基本的競爭對手，但是對于每個(gè)競爭隊友有應該有基本的了解，包括它們各自的優(yōu)勢、劣勢以及各種具體應用的適用性等。 為什么如此關(guān)注互連性？ 為什么所有的關(guān)注都集中在連接性上？這取決于價(jià)錢(qián)：無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商和LPWAN提供商會(huì )對每一個(gè)連接的設備收取一定的費用，而且物聯(lián)網(wǎng)終端設備的數量正在迅速的增加。對于全球無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商來(lái)說(shuō)經(jīng)歷了超過(guò)30年的時(shí)間才達到目前23億的用戶(hù)，但是在物聯(lián)網(wǎng)興起的最近幾年，已經(jīng)有超過(guò)84的IoT終端設備實(shí)現了連接，到2020年這個(gè)數字至少會(huì )達到200億。盡管并不是所有的IoT設備都會(huì )接入互聯(lián)網(wǎng)，但是“僅僅”其中的100億就會(huì )為服務(wù)提供商創(chuàng )造巨大的年收入。不用說(shuō)這是一個(gè)巨大的機遇，然而不同的IoT應用之間存在著(zhù)非常廣泛的差異，目前基于蜂窩網(wǎng)絡(luò )和LPWAN的解決方案是不同的，因此沒(méi)有哪一個(gè)標準能夠滿(mǎn)足所有的應用需求。 為了說(shuō)明這些差異，如下圖（圖1）所示的智能電表，一個(gè)城市中有10萬(wàn)個(gè)家庭、商業(yè)和其他用水部分都要使用這種電表并接入到互聯(lián)網(wǎng)，這與在一個(gè)工廠(chǎng)中向250臺機器發(fā)送數據有著(zhù)很大的不同，在一個(gè)巨大的農場(chǎng)內許多類(lèi)型的傳感器分布在數英里范圍內的土地上，而不是某個(gè)建筑，自動(dòng)駕駛汽車(chē)的出現必然會(huì )創(chuàng )造出獨特的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展環(huán)境，這個(gè)環(huán)境會(huì )非常復雜，需要車(chē)輛與固定的基礎設施之間建立連接。 
圖1：在美國已經(jīng)有接近7千萬(wàn)的智能電表，每個(gè)都會(huì )通過(guò)LPWAN進(jìn)行周期性的更新，當然不久也會(huì )使用蜂窩網(wǎng)絡(luò ) 然而無(wú)論是無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商還是LPWAN提供商提供的何種應用、服務(wù)都有一個(gè)共同的目標就是能夠在主機設備上安裝微型傳感器，比如閥門(mén)、電機和泵等，采用紐扣電池來(lái)供電并且在數年內能夠周期性的與外部設備進(jìn)行通信，盡管這兩種類(lèi)型的服務(wù)提供商采用不同的方式來(lái)攻擊這個(gè)問(wèn)題，但是它們都使用各種技術(shù)來(lái)搭建物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，舉個(gè)例子，它們限制了數據傳輸的大小和間隔周期，以及傳感器必須進(jìn)行通信的次數，而且它們也會(huì )采用非常低的數據傳輸速率，這樣就只需要非常窄的帶寬。 此外無(wú)線(xiàn)傳感器發(fā)送的低功率信號非常的微弱，檢測它們的基站接收器必須非常的敏感，基站本身也會(huì )使用一些技術(shù)，比如MIMO（多輸入多輸出技術(shù)），如圖2所示，某些情況下也需要使用高度定向天線(xiàn)來(lái)確保持續的連接性。
圖2：雖然多路徑傳播是非常不受歡迎的，但是MIMO技術(shù)卻采用它 通過(guò)在傳輸路徑兩端使用多個(gè)發(fā)送和接收天線(xiàn)，從而可以大大提高網(wǎng)絡(luò )容量，同時(shí)也會(huì )降低誤碼率并且優(yōu)化吞吐量。 最后很多小型基站（或者成為小單元）將需要縮短信號傳輸的距離，這樣會(huì )降低延遲，幾乎可以達到IoT應用瞬時(shí)響應的水平。 蜂窩網(wǎng)絡(luò )和LPWANs比較 蜂窩網(wǎng)絡(luò )對物聯(lián)網(wǎng)應用有著(zhù)獨特的優(yōu)勢，在美國電信運營(yíng)商已經(jīng)擁有了幾乎無(wú)處不在的LTE網(wǎng)絡(luò )覆蓋，數十萬(wàn)個(gè)大型基站和三倍數量的小型基站單元長(cháng)期提供服務(wù)。在大多數情況下，更新這種基礎設施來(lái)適應物聯(lián)網(wǎng)設備的通信需求只需要進(jìn)行軟件升級就可以了，而不是像RF和微波收發(fā)器那樣需要大量的硬件投資。此外，盡管之前IoT被廣泛認為是下一個(gè)重大事件，其實(shí)無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商已經(jīng)使用以前的第二代技術(shù)(2G)為無(wú)線(xiàn)傳感器提供通信連接。 該行業(yè)多年來(lái)也一直在努力適應物聯(lián)網(wǎng)。第三代合作項目(3GPP)負責管理開(kāi)發(fā)和發(fā)布無(wú)線(xiàn)標準，其中包括了在最新標準中為IoT提供的大量規范，該標準在2016年6月最后定稿。在第五代細胞的第一個(gè)標準將于2019年發(fā)布的時(shí)候，這些功能將繼續增強。到那時(shí)，無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商將在物聯(lián)網(wǎng)連接方面打下堅實(shí)的基礎。 相比之下，LPWAN提供商則沒(méi)有這樣的優(yōu)勢。它們是無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域新興的一股力量，所以必須從頭開(kāi)始構建每個(gè)覆蓋范圍和每一個(gè)系統。而且留給它們在關(guān)鍵地區(典型的城市)部署這些網(wǎng)絡(luò )的時(shí)間也是非常有限的，因為蜂窩網(wǎng)絡(luò )行業(yè)正在迅速推出以IoT為中心的數據計劃。幸運的是，與蜂窩網(wǎng)絡(luò )相比，LPWAN系統的構建和部署成本更低，并不總是需要擴展空間，而且使用更少的基站就可以覆蓋更廣闊地理區域。 現在的問(wèn)題是，LPWAN供應商能否在由蜂窩網(wǎng)絡(luò )所主宰的環(huán)境中搏得生存機會(huì )。大多數分析人士相信這是沒(méi)問(wèn)題的，因為他們提供類(lèi)似于蜂窩網(wǎng)絡(luò )的一些功能，比如電信級安全和其他強制性的功能特性，對于客戶(hù)來(lái)說(shuō)成本會(huì )更具有競爭性。分析師還建議說(shuō)至少一半的IoT案例將會(huì )使用LPWAN服務(wù)。因此，這是一個(gè)相對安全的押注，盡管蜂窩網(wǎng)絡(luò )在提供IoT連接方面占據著(zhù)主導地位，但是對于LPWAN提供商仍有一席之地，在某些單一的市場(chǎng)可能會(huì )掀起價(jià)格戰。 蜂窩網(wǎng)絡(luò )物聯(lián)網(wǎng) 如前面所述，蜂窩網(wǎng)絡(luò )正在基于LTE開(kāi)發(fā)面向IoT互連的解決方案，這個(gè)行業(yè)的總體發(fā)展路線(xiàn)就是在現有的LTE版本上進(jìn)行開(kāi)發(fā)并且繼續完善，包括降低復雜性和成本，隨著(zhù)這個(gè)過(guò)程的展開(kāi)，蜂窩網(wǎng)絡(luò )技術(shù)將會(huì )變得更適合廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應用，最終會(huì )促進(jìn)第五代蜂窩網(wǎng)絡(luò )技術(shù)5G的推出。 業(yè)界的共識主要是集中在三種不同標準的使用，在最新發(fā)布的標準Release 13中都有介紹，這些規范最終也會(huì )集成到5G標準中。理想情況下這些解決方案都應該在頻率低于1GHz的情況下來(lái)實(shí)現，因為在這種條件下有利于遠程傳輸和建筑物的滲透： LTE-M：也被稱(chēng)為增強型機器通信（eMTC），從Release 12標準發(fā)展而來(lái)，并且在Release 13標準中做了進(jìn)一步改進(jìn)。 NB-IoT：Release 13標準中涉及到的LTE窄頻帶版本。 EC-GSM-IoT：面向IoT的擴展覆蓋GSM是全球移動(dòng)通信系統的擴展版本，在Release 13中對IoT應用進(jìn)行了優(yōu)化，可以與GSM運營(yíng)商一起實(shí)現部署。 5G：將會(huì )在2020年完成標準化，會(huì )在NB-IoT和EC-GSM-IoT基礎上增強。 一個(gè)大膽的推測是因為物聯(lián)網(wǎng)應用的要求與傳統蜂窩網(wǎng)絡(luò )操作存在著(zhù)明顯的不同，使用節能模式未來(lái)的發(fā)展應該會(huì )積極影響電池壽命，降低復雜度和設備成本，通過(guò)共享的運營(yíng)設施來(lái)降低部署成本，采用更高級的編碼技術(shù)并增加信號密度可以實(shí)現更大范圍的網(wǎng)絡(luò )覆蓋。 表1展示了蜂窩網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，比如說(shuō)面向傳統蜂窩網(wǎng)絡(luò )應用在Release 8中提供了高達150Mb/s的峰值下行速率，然而數據速率在窄頻帶急劇下降到150Kb/s來(lái)適應物聯(lián)網(wǎng)應用要求，用戶(hù)設備的通道帶寬也是如此，在Release 8標準中其從最大的18MHz下降到180KHz。另一個(gè)重要的因素是調制解調的復雜性，隨著(zhù)不斷的發(fā)展其大概降低了85%。簡(jiǎn)而言之，為了滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)應用的需求，蜂窩網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展在很多方面都與傳統語(yǔ)音和數據服務(wù)要在5G中實(shí)現的標準正好相反，也就是說(shuō)，與其提高數據速率，還不如整體上降低蜂窩物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )和組件的復雜度。 LPWAN標準的一些選擇 LPWAN提供商使用開(kāi)源的標準比如LoRaWAN，由LoRaWAN聯(lián)盟來(lái)管理，或者采用專(zhuān)屬的解決方案比如Sigfox，它們都是在為授權的頻帶范圍內運行，雖然Sigfox聲稱(chēng)它是全球領(lǐng)先的物聯(lián)網(wǎng)互連服務(wù)，已經(jīng)在32個(gè)國家（大部分在歐洲）中使用，但是LoRaWAN已經(jīng)獲得了行業(yè)最廣泛的認可，其聯(lián)盟成員超過(guò)400，這意味著(zhù)LoRa基帶和RF硬件成本會(huì )繼續降低，目前已經(jīng)降低了一半以上，隨著(zhù)規模的擴展成本將會(huì )進(jìn)一步下降。 LoRaWAN 能夠區分LoRa、LoRaWAN和LinkLabs提供的產(chǎn)品是非常重要的，因為這確實(shí)有點(diǎn)讓人困惑。LoRa是LoRaWAN聯(lián)盟管理的開(kāi)放標準的物理層，而LoRaWAN則是提供網(wǎng)絡(luò )功能媒體訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）層，LinkLabs是LoRaWAN聯(lián)盟的一個(gè)成員，它采用SematechLoRa芯片組，并提供了Symphony Link的解決方法，該方案有一些專(zhuān)屬特性，比如在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器條件下操作的能力，Symphony Link使用八通道基站，操作頻率在433MHz或915MHz的工業(yè)、科學(xué)和醫療（ISM）波段內以及歐洲采用的868MHZ頻帶。它傳輸的距離至少是10英里，借助云服務(wù)器采用WiFi、蜂窩網(wǎng)絡(luò )或者以太網(wǎng)來(lái)傳輸數據，從而實(shí)現路由消息處理、供應和網(wǎng)絡(luò )管理等功能。 Sigfox Sigfox標準是一家法國同名公司設計的，它與LoRaWAN主要的區別之一是Sigfox擁有從外圍或服務(wù)器和終端的所有技術(shù)，它實(shí)際上是整個(gè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò )的供應商，某些情況下它也是網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商，然而這家公司允許它的終端技術(shù)可以被任何同意其條款的組織免費使用，這樣它已經(jīng)能夠與主要的物聯(lián)網(wǎng)設備供應商，甚至一些無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商建立聯(lián)系，與LoRaWAN一樣，Sigfox也在繼續不斷的擴大市場(chǎng)份額，特別是在歐洲，其支持的傳輸距離完全符合歐盟制定的準則，為了滿(mǎn)足聯(lián)邦通信委員會(huì )（FCC）的規定，美國使用的版本則有很大的不同，Sigfox唯一的缺點(diǎn)就是它的專(zhuān)有特性。 Weightless 在IoT互連解決方案中Weightless是比較獨特的一種，它是一個(gè)真正的開(kāi)放標準，目前由Weightless特別權益組織來(lái)管理，它的名字來(lái)自于它的“輕量級”協(xié)議，通常每次傳輸只傳輸幾個(gè)字節的數據，這對于那些通信只需要傳輸很少數據的物聯(lián)網(wǎng)設備是很好的選擇，比如某些類(lèi)型的工業(yè)和醫療設備、智能電表和水表。與許多其他標準不同的是Weightless運行在所謂的TV空閑頻帶，低于1GHz，當它們從模擬到數字傳輸轉換時(shí)，無(wú)線(xiàn)廣播公司會(huì )將這頻帶空出，由于頻率低于1GHz，因為它們具有較大的覆蓋范圍，從基站發(fā)射的功率也較低，穿透建筑物和其他對于RF信號有挑戰的結構的能力也比較強。 目前Weightless有兩個(gè)版本： Weightless-N是超窄頻帶，單通通信技術(shù) Weightless-P是該公司推出的旗艦雙向通信技術(shù)，具有電信級的性能和安全，并且采用極低的功耗。 Nwave Nwave是一種基于SDR（軟件定義無(wú)線(xiàn)電）的超窄頻帶技術(shù)，能夠在授權和未授權的頻帶范圍內運行，基站能夠容納100萬(wàn)臺物聯(lián)網(wǎng)設備，覆蓋10KM的范圍，RF信號輸出功率在100mW左右，數據速率可達100bps，這家公司聲稱(chēng)采用電池驅動(dòng)的設備可以持續運行長(cháng)達10年之久，當在1GHz頻率下運行時(shí)，Nwave能夠利用該區域理想的傳輸特性。 Ingenu Ingenu（之前稱(chēng)為On-Ramp Wireless）基于多年的研究已經(jīng)開(kāi)發(fā)出雙向的解決方案，實(shí)現了專(zhuān)有的直接序列擴頻調制技術(shù)，稱(chēng)為RPMA（隨機相位多址接入），RPMA的設計目的是在2.4GHz頻段內提供高容量、安全且范圍廣泛的互連方案。 在美國單個(gè)RPMA接入點(diǎn)能夠覆蓋176平方米的區域，這比Sigfox和LoRa標準都要大得多，它具有最小的開(kāi)銷(xiāo)、低延遲和廣播功能，能夠同時(shí)向大量設備發(fā)送命令，硬件、軟件和其他功能僅限于該公司所提供的，這家公司要搭建自己的公共和私有網(wǎng)絡(luò )，專(zhuān)用于機器對機器之間的通信。 總結 由于只有蜂窩網(wǎng)絡(luò )和LPWAN提供商正在爭奪長(cháng)期市場(chǎng)的霸主地位，所以與那些短距離解決方案要求相比，很容易就認為設計師的工作是簡(jiǎn)單的，一條不變的真理就是每個(gè)競爭的技術(shù)都提供了不同程度的擴展，這些會(huì )幫助增強它們的能力，但同時(shí)也帶來(lái)了更大的設計挑戰。 對于終端用戶(hù)來(lái)說(shuō)，選擇“正確”的解決方案通常會(huì )歸結為他們所在領(lǐng)域有哪些可用的服務(wù)，以及相應的費用，然而如果多個(gè)無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商和LPWAN提供商都能在同一個(gè)區域提供服務(wù)，那么下決定就有些難了，對于物聯(lián)網(wǎng)互連領(lǐng)域來(lái)講，確定最終的贏(yíng)家將需要數年的時(shí)間。 原文鏈接： https://www.mouser.com/applicati ... lpwan-connectivity/
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