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對于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的設計師來(lái)說(shuō)，「網(wǎng)絡(luò )連接」一定是最讓人頭大的問(wèn)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(lèi)互相競爭的標準：無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商標準和LPWAN。LPWAN提供商通常會(huì )使用多種標準，包括一部分專(zhuān)有標準；蜂窩通信行業(yè)的路線(xiàn)圖則側重于簡(jiǎn)化和增強以長(cháng)期演進(jìn)（LTE）標準為中心的當前產(chǎn)品的功能。因此，即使在長(cháng)距離通信連接市場(chǎng)中只存在兩個(gè)基本競爭者，也仍然有必要了解有關(guān)每個(gè)競爭者的基本信息，以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)和對特定應用的適用性。 網(wǎng)絡(luò )連接為何如此值得關(guān)注？ 說(shuō)到底還是和錢(qián)有關(guān)。無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商和LPWAN提供商都會(huì )對每臺聯(lián)網(wǎng)設備收費，同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)設備數量也正在迅速增長(cháng)。全世界的無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商花了三十多年時(shí)間，才實(shí)現今天高達23億的用戶(hù)總量；然而，在物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)出現后的區區幾年內，聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)設備總數就已經(jīng)超過(guò)84億臺，預計2020年這一數字將不少于200億臺。雖然物聯(lián)網(wǎng)設備最終并不一定都連接到Internet，但只消「僅僅」100億臺聯(lián)網(wǎng)設備，就足夠讓服務(wù)提供商賺得盆滿(mǎn)缽滿(mǎn)，這么好的生意誰(shuí)不想做？然而，物聯(lián)網(wǎng)應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解決方案能夠實(shí)現的功能也有所不同，因而并不存在一個(gè)單一標準能夠滿(mǎn)足所有需求。 為了說(shuō)清楚這些差異，我們來(lái)設想這樣一個(gè)場(chǎng)景：一座城市中有10萬(wàn)個(gè)住宅、企業(yè)等用電實(shí)體，它們的智能電表（圖1）都需要連接到Internet。這樣的需求實(shí)現起來(lái)，顯然和在一家工廠(chǎng)里讓250臺機器發(fā)送數據有著(zhù)天壤之別，就好比在一個(gè)龐大的農場(chǎng)中，諸多類(lèi)型的傳感器會(huì )散布在方圓數公里的土地上，而非聚集在一棟建筑物中，此外自動(dòng)駕駛汽車(chē)也幾乎必然會(huì )出現，最終將會(huì )構建出一個(gè)復雜無(wú)比的獨特物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，需要在車(chē)輛之間以及固定設施之間實(shí)現各種連接。 
圖1：全美國共有近7000萬(wàn)個(gè)智能電表，它們會(huì )周期性地通過(guò)LPWAN傳輸最新用電情況，在不久的將來(lái)還將通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò )傳輸這些數據。（來(lái)源：貿澤） 無(wú)論對于何種應用，無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商和LPWAN提供商所提供的服務(wù)都有一個(gè)共同目標，就是讓安裝在閥門(mén)、電機和泵等主設備上的微型傳感器在僅由紐扣電池供電的情況下，在長(cháng)達數年的時(shí)間內定期與某個(gè)外部點(diǎn)進(jìn)行通信。盡管這兩種服務(wù)提供商都以各自不同的方式來(lái)解決此問(wèn)題，但它們都采用了專(zhuān)門(mén)針對物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境而設計的各種技術(shù)。例如，它們都對數據傳輸的量和持續時(shí)間進(jìn)行了限制，規定了傳感器必須在何時(shí)進(jìn)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(shí)現傳輸。 此外，由于帶無(wú)線(xiàn)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�；颈旧磉�必須使用如圖2所示的多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)或其他類(lèi)似技術(shù)，并且在某些情況下，還需要使用高度定向的天線(xiàn)來(lái)確保連接穩定。
圖2：通常情況下，多路徑傳播是要盡力避免的，但MIMO技術(shù)卻可以利用這種現象，通過(guò)在傳輸路徑兩端使用多個(gè)收發(fā)天線(xiàn)，從而顯著(zhù)增大網(wǎng)絡(luò )容量，盡可能減少錯誤并優(yōu)化吞吐量。（來(lái)源：貿澤）
最后，我們還需要設立許多小型基站（小型蜂窩小區）來(lái)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)應用所需的那種近乎瞬時(shí)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(zhù)獨特優(yōu)勢。在美國，各大運營(yíng)商建立了數十萬(wàn)個(gè)宏基站，這個(gè)數量恐怕達到了小型蜂窩小區的三倍，使得LTE信號幾乎無(wú)處不在。大多數情況下，要升級這些基礎設施，以便適應與物聯(lián)網(wǎng)設備的通信，僅需要升級軟件就可以實(shí)現，無(wú)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(gè)大事件之前，無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商便早已通過(guò)傳統的第二代（2G）技術(shù)解決了無(wú)線(xiàn)傳感器的連接問(wèn)題。 蜂窩通信行業(yè)多年來(lái)一直致力于適應物聯(lián)網(wǎng)。負責管理無(wú)線(xiàn)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(zhuān)門(mén)針對物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)質(zhì)性規范，該標準于2016年6月最終確定。從現在起，直至第五代蜂窩電話(huà)的首個(gè)標準預計于2019年發(fā)布之前，這些功能將繼續得到增強。屆時(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提供商就沒(méi)有這樣的優(yōu)勢。由于它們完全是無(wú)線(xiàn)通信世界中的新進(jìn)者，因而在想要提供信號覆蓋的所有區域中，都必須從頭開(kāi)始構建每一個(gè)系統。與此同時(shí)，蜂窩通信行業(yè)正迅速推出以物聯(lián)網(wǎng)為中心的數據套餐，這也使得LPWAN提供商必須抓緊非常有限的時(shí)間在關(guān)鍵區域（通常是城區）部署它們的網(wǎng)絡(luò )；好在LPWAN系統的構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，現階段真正的問(wèn)題，在于它們是否可以在蜂窩通信主導的世界中生存。鑒于LPWAN可以提供與蜂窩網(wǎng)絡(luò )類(lèi)似的功能，例如運營(yíng)商級安全性和其他各種強制性功能，因而大多數分析師都認為它們可以做到，并且它們對客戶(hù)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(lái)提供服務(wù)�？梢钥隙ǖ卣f(shuō)，雖然蜂窩通信行業(yè)將會(huì )主導物聯(lián)網(wǎng)連接，但LPWAN提供商仍然可以在個(gè)別市場(chǎng)中與前者開(kāi)展價(jià)格戰。 蜂窩通信物聯(lián)網(wǎng) 蜂窩通信行業(yè)正在開(kāi)發(fā)基于LTE的物聯(lián)網(wǎng)連接解決方案，其總體路線(xiàn)圖建立在當前LTE版本基礎之上，并繼續對其進(jìn)行完善，包括降低其復雜性和成本。隨著(zhù)這一過(guò)程逐步開(kāi)展，蜂窩通信技術(shù)將更加適用于各種物聯(lián)網(wǎng)應用，并最終迎來(lái)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(gè)不同標準，在此基礎上實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)連接，并最終實(shí)現5G標準中的要求。理想情況下，這些解決方案應在低于1GHz的頻率上實(shí)現，因為這種情況下的信號傳播條件更有利于長(cháng)距離傳輸和建筑物穿透： LTE-M：也稱(chēng)為增強型機器類(lèi)型通信（eMTC），是從第12版（2014年）標準中的LTE標準發(fā)展而來(lái)，并且包含第13版標準中的進(jìn)一步改進(jìn)。 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(jìn)行了優(yōu)化，可以與GSM運營(yíng)商一同部署。 5G：將于2020年實(shí)現標準化，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)的要求與運行傳統蜂窩通信的要求存在顯著(zhù)區別，因而未來(lái)的新發(fā)展要通過(guò)使用省電模式來(lái)延長(cháng)電池壽命、通過(guò)降低設備復雜度來(lái)降低設備成本、通過(guò)共享運營(yíng)商容量來(lái)降低部署成本、通過(guò)采用更高級的編碼和增加信號的頻譜密度來(lái)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，因為它是為傳統蜂窩應用設計的。但是，在新的NB-IoT窄帶標準中，峰值下載速率只有170kb/s，以適應物聯(lián)網(wǎng)的要求。用戶(hù)設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(gè)有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)應用的重要因素是調制解調器的復雜度，第13版中的這一數值相比第8版降低了85%。簡(jiǎn)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語(yǔ)音和數據服務(wù)希望通過(guò)5G實(shí)現的目標完全相反。換言之，這些新技術(shù)并不是為了提高數據速率，而是通過(guò)降低數據速率，好讓蜂窩物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )及其組件的整體復雜性也能夠降下來(lái)。
可供選擇的LPWAN方案 LPWAN提供商既可以采用開(kāi)放式標準（例如由LoRaWAN聯(lián)盟管理的LoRaWAN），也可以采用專(zhuān)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(chēng)自己是「全球領(lǐng)先」的IoT連接服務(wù)，能夠在32個(gè)國家和地區（主要位于歐洲）提供服務(wù)，但LoRaWAN在業(yè)界贏(yíng)得了更廣泛的認可，其聯(lián)盟中已有400多個(gè)成員。正是由于這個(gè)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(guò)一半，并且隨著(zhù)供貨數量增加還可能進(jìn)一步下降。 LoRaWAN 這里有必要澄清一下LoRa、LoRaWAN和Link Labs提供的產(chǎn)品之間的區別，它們之間確實(shí)很容易混淆。LoRa是由LoRaWAN聯(lián)盟管理的開(kāi)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(guò)一種名為Symphony Link的解決方案來(lái)提供該公司獨有的功能，例如在沒(méi)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)和醫學(xué)（ISM）頻段上，歐洲地區還可以使用868MHz頻段。它可以將信號傳輸到至少10英里范圍內，并在借助云服務(wù)器處理消息路由、進(jìn)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)回傳數據。 Sigfox Sigfox出自同名的法國公司。它與LoRaWAN的主要區別之一是Sigfox擁有從邊緣到服務(wù)器再到端點(diǎn)的所有技術(shù)，并且完全可以充當整個(gè)生態(tài)系統的供應商，或者在某些情況下直接作為網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商出現。但是，該公司允許任何同意其條款的組織免費使用其端點(diǎn)技術(shù)，因而能夠與主流物聯(lián)網(wǎng)設備供應商乃至一部分無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商建立關(guān)系。與LoRaWAN一樣，Sigfox的市場(chǎng)份額持續上升，尤以歐洲最為明顯，因為它的傳輸長(cháng)度符合歐盟準則。其供應美國的版本為了符合美國聯(lián)邦通信委員會(huì )（FCC）的規則，與歐洲版本存在明顯差異。Sigfox的唯一缺點(diǎn)是它的專(zhuān)有性。 Weightless Weightless可謂是物聯(lián)網(wǎng)連接解決方案中的一個(gè)異類(lèi)，它是由Weightless Special Interest Group（SIG）管理的真正開(kāi)放式標準。該解決方案的名稱(chēng)源自其「輕量級」的協(xié)議，通常每次僅需傳輸幾個(gè)字節的數據，非常契合某些種類(lèi)的工業(yè)和醫療設備以及電表和水表等物聯(lián)網(wǎng)設備的需求，因為它們傳輸的數據量非常少。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(wú)線(xiàn)電視廣播公司從模擬傳輸轉換為數字傳輸后騰空出來(lái)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構。 目前Weightless共有兩個(gè)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(shí)現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(wú)線(xiàn)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范圍內容納多達100萬(wàn)個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設備，同時(shí)以不高于100mW的射頻功率實(shí)現100bps的數據速率。該公司聲稱(chēng)其由電池供電的設備可以運行長(cháng)達10年的時(shí)間。在低于1GHz的頻帶中工作時(shí)，它可以利用該區域中理想的傳播特性。 Ingenu Ingenu（曾經(jīng)稱(chēng)為On-Ramp Wireless）基于其多年研究開(kāi)發(fā)了一種雙向解決方案，從而產(chǎn)生了一種專(zhuān)有的直接序列擴頻調制技術(shù)，稱(chēng)為隨機相位多路訪(fǎng)問(wèn)（RPMA）。RPMA旨在提供安全的廣域網(wǎng)占用空間，并在2.4GHz頻段內實(shí)現高容量運行。 在美國使用時(shí)，單個(gè)RPMA接入點(diǎn)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(kāi)銷(xiāo)、低延遲特點(diǎn)和廣播功能，可以將命令同時(shí)發(fā)送到大量設備。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(huì )建立自己的專(zhuān)用于機器對機器通信的公共和專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )。 總結 爭奪長(cháng)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(huì )想當然地以為在這個(gè)領(lǐng)域中，設計師的工作相比短距離通信領(lǐng)域要容易得多。然而事實(shí)并非如此，因為這兩種互相競爭的技術(shù)都存在五花八門(mén)的變體，其中的任何一種都具備功能優(yōu)勢，但同時(shí)也會(huì )在設計中帶來(lái)巨大的挑戰。 對于最終用戶(hù)而言，要選擇「正確的」解決方案，通常取決于其所在地區可以使用的服務(wù)，以及連接每個(gè)設備所需的費用。但是，如果用戶(hù)所在區域內有多個(gè)正在運營(yíng)的無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商和LPWAN提供商，顯然用戶(hù)會(huì )更加難以決策。對于一般的物聯(lián)網(wǎng)連接，要分出誰(shuí)勝誰(shuí)負，還需要好幾年的時(shí)間。 文章來(lái)源：貿澤電子 作者簡(jiǎn)介：Barry Manz是Manz Communications, Inc.（曼茲通信公司）的總裁，該公司是他于1987年創(chuàng )立的技術(shù)媒體關(guān)系機構。他曾與100多家公司在射頻、微波、國防、測試和測量、半導體、嵌入式系統、光波及其它市場(chǎng)進(jìn)行過(guò)合作。Barry曾為多家線(xiàn)下和線(xiàn)上貿易刊物撰寫(xiě)過(guò)文章，亦撰寫(xiě)過(guò)各種白皮書(shū)、應用筆記、研討會(huì )論文、技術(shù)參考指南和網(wǎng)頁(yè)內容。他是Journal of Electronic Defense雜志的特約編輯、Military Microwave Digest雜志的編輯、MilCOTS Digest雜志的共同創(chuàng )辦人，也是Microwaves & RF雜志的主編。 |
