让IoT无处不在:蜂窝网络 vs LPWAN互联

发布时间:2018年07月04日 11:07    作者:eechina
关键词: IoT , 蜂窝网络 , LPWAN
作者:巴里•曼兹  贸泽电子

对于IoT网络设计者来说,实现互连是最令人沮丧方面之一,在传感器互相通信的周围存在很多竞争性的标准,它们大部分都是不兼容的。从边缘到互联网和云服务主要有两种方式:无线运行商和低功耗广域网络(LPWANs),无疑它们存在着激烈的竞争。LPWAN提供商使用的标准不止一个,有一些还是专属标准,而蜂窝网络的发展路线则是集中简单化并且提高当前以长期演进(LTE)标准为核心的产品的竞争力。因此虽然在这个长期的市场中只有两个基本的竞争对手,但是对于每个竞争队友有应该有基本的了解,包括它们各自的优势、劣势以及各种具体应用的适用性等。

为什么如此关注互连性?

为什么所有的关注都集中在连接性上?这取决于价钱:无线运营商和LPWAN提供商会对每一个连接的设备收取一定的费用,而且物联网终端设备的数量正在迅速的增加。对于全球无线运营商来说经历了超过30年的时间才达到目前23亿的用户,但是在物联网兴起的最近几年,已经有超过84的IoT终端设备实现了连接,到2020年这个数字至少会达到200亿。尽管并不是所有的IoT设备都会接入互联网,但是“仅仅”其中的100亿就会为服务提供商创造巨大的年收入。不用说这是一个巨大的机遇,然而不同的IoT应用之间存在着非常广泛的差异,目前基于蜂窝网络和LPWAN的解决方案是不同的,因此没有哪一个标准能够满足所有的应用需求。

为了说明这些差异,如下图(图1)所示的智能电表,一个城市中有10万个家庭、商业和其他用水部分都要使用这种电表并接入到互联网,这与在一个工厂中向250台机器发送数据有着很大的不同,在一个巨大的农场内许多类型的传感器分布在数英里范围内的土地上,而不是某个建筑,自动驾驶汽车的出现必然会创造出独特的物联网发展环境,这个环境会非常复杂,需要车辆与固定的基础设施之间建立连接。

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图1:在美国已经有接近7千万的智能电表,每个都会通过LPWAN进行周期性的更新,当然不久也会使用蜂窝网络

然而无论是无线运营商还是LPWAN提供商提供的何种应用、服务都有一个共同的目标就是能够在主机设备上安装微型传感器,比如阀门、电机和泵等,采用纽扣电池来供电并且在数年内能够周期性的与外部设备进行通信,尽管这两种类型的服务提供商采用不同的方式来攻击这个问题,但是它们都使用各种技术来搭建物联网环境,举个例子,它们限制了数据传输的大小和间隔周期,以及传感器必须进行通信的次数,而且它们也会采用非常低的数据传输速率,这样就只需要非常窄的带宽。

此外无线传感器发送的低功率信号非常的微弱,检测它们的基站接收器必须非常的敏感,基站本身也会使用一些技术,比如MIMO(多输入多输出技术),如图2所示,某些情况下也需要使用高度定向天线来确保持续的连接性。

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图2:虽然多路径传播是非常不受欢迎的,但是MIMO技术却采用它

通过在传输路径两端使用多个发送和接收天线,从而可以大大提高网络容量,同时也会降低误码率并且优化吞吐量。

最后很多小型基站(或者成为小单元)将需要缩短信号传输的距离,这样会降低延迟,几乎可以达到IoT应用瞬时响应的水平。

蜂窝网络和LPWANs比较

蜂窝网络对物联网应用有着独特的优势,在美国电信运营商已经拥有了几乎无处不在的LTE网络覆盖,数十万个大型基站和三倍数量的小型基站单元长期提供服务。在大多数情况下,更新这种基础设施来适应物联网设备的通信需求只需要进行软件升级就可以了,而不是像RF和微波收发器那样需要大量的硬件投资。此外,尽管之前IoT被广泛认为是下一个重大事件,其实无线运营商已经使用以前的第二代技术(2G)为无线传感器提供通信连接。

该行业多年来也一直在努力适应物联网。第三代合作项目(3GPP)负责管理开发和发布无线标准,其中包括了在最新标准中为IoT提供的大量规范,该标准在2016年6月最后定稿。在第五代细胞的第一个标准将于2019年发布的时候,这些功能将继续增强。到那时,无线运营商将在物联网连接方面打下坚实的基础。

相比之下,LPWAN提供商则没有这样的优势。它们是无线通信领域新兴的一股力量,所以必须从头开始构建每个覆盖范围和每一个系统。而且留给它们在关键地区(典型的城市)部署这些网络的时间也是非常有限的,因为蜂窝网络行业正在迅速推出以IoT为中心的数据计划。幸运的是,与蜂窝网络相比,LPWAN系统的构建和部署成本更低,并不总是需要扩展空间,而且使用更少的基站就可以覆盖更广阔地理区域。

现在的问题是,LPWAN供应商能否在由蜂窝网络所主宰的环境中搏得生存机会。大多数分析人士相信这是没问题的,因为他们提供类似于蜂窝网络的一些功能,比如电信级安全和其他强制性的功能特性,对于客户来说成本会更具有竞争性。分析师还建议说至少一半的IoT案例将会使用LPWAN服务。因此,这是一个相对安全的押注,尽管蜂窝网络在提供IoT连接方面占据着主导地位,但是对于LPWAN提供商仍有一席之地,在某些单一的市场可能会掀起价格战。

蜂窝网络物联网

如前面所述,蜂窝网络正在基于LTE开发面向IoT互连的解决方案,这个行业的总体发展路线就是在现有的LTE版本上进行开发并且继续完善,包括降低复杂性和成本,随着这个过程的展开,蜂窝网络技术将会变得更适合广泛的物联网应用,最终会促进第五代蜂窝网络技术5G的推出。

业界的共识主要是集中在三种不同标准的使用,在最新发布的标准Release 13中都有介绍,这些规范最终也会集成到5G标准中。理想情况下这些解决方案都应该在频率低于1GHz的情况下来实现,因为在这种条件下有利于远程传输和建筑物的渗透:
LTE-M:也被称为增强型机器通信(eMTC),从Release 12标准发展而来,并且在Release 13标准中做了进一步改进。

NB-IoT:Release 13标准中涉及到的LTE窄频带版本。

EC-GSM-IoT:面向IoT的扩展覆盖GSM是全球移动通信系统的扩展版本,在Release 13中对IoT应用进行了优化,可以与GSM运营商一起实现部署。

5G:将会在2020年完成标准化,会在NB-IoT和EC-GSM-IoT基础上增强。

一个大胆的推测是因为物联网应用的要求与传统蜂窝网络操作存在着明显的不同,使用节能模式未来的发展应该会积极影响电池寿命,降低复杂度和设备成本,通过共享的运营设施来降低部署成本,采用更高级的编码技术并增加信号密度可以实现更大范围的网络覆盖。

表1展示了蜂窝网络技术的发展,比如说面向传统蜂窝网络应用在Release 8中提供了高达150Mb/s的峰值下行速率,然而数据速率在窄频带急剧下降到150Kb/s来适应物联网应用要求,用户设备的通道带宽也是如此,在Release 8标准中其从最大的18MHz下降到180KHz。另一个重要的因素是调制解调的复杂性,随着不断的发展其大概降低了85%。简而言之,为了满足物联网应用的需求,蜂窝网络技术的发展在很多方面都与传统语音和数据服务要在5G中实现的标准正好相反,也就是说,与其提高数据速率,还不如整体上降低蜂窝物联网网络和组件的复杂度。

LPWAN标准的一些选择

LPWAN提供商使用开源的标准比如LoRaWAN,由LoRaWAN联盟来管理,或者采用专属的解决方案比如Sigfox,它们都是在为授权的频带范围内运行,虽然Sigfox声称它是全球领先的物联网互连服务,已经在32个国家(大部分在欧洲)中使用,但是LoRaWAN已经获得了行业最广泛的认可,其联盟成员超过400,这意味着LoRa基带和RF硬件成本会继续降低,目前已经降低了一半以上,随着规模的扩展成本将会进一步下降。

LoRaWAN

能够区分LoRa、LoRaWAN和LinkLabs提供的产品是非常重要的,因为这确实有点让人困惑。LoRa是LoRaWAN联盟管理的开放标准的物理层,而LoRaWAN则是提供网络功能媒体访问控制(MAC)层,LinkLabs是LoRaWAN联盟的一个成员,它采用SematechLoRa芯片组,并提供了Symphony Link的解决方法,该方案有一些专属特性,比如在没有网络服务器条件下操作的能力,Symphony Link使用八通道基站,操作频率在433MHz或915MHz的工业、科学和医疗(ISM)波段内以及欧洲采用的868MHZ频带。它传输的距离至少是10英里,借助云服务器采用WiFi、蜂窝网络或者以太网来传输数据,从而实现路由消息处理、供应和网络管理等功能。

Sigfox

Sigfox标准是一家法国同名公司设计的,它与LoRaWAN主要的区别之一是Sigfox拥有从外围或服务器和终端的所有技术,它实际上是整个生态网络的供应商,某些情况下它也是网络运营商,然而这家公司允许它的终端技术可以被任何同意其条款的组织免费使用,这样它已经能够与主要的物联网设备供应商,甚至一些无线运营商建立联系,与LoRaWAN一样,Sigfox也在继续不断的扩大市场份额,特别是在欧洲,其支持的传输距离完全符合欧盟制定的准则,为了满足联邦通信委员会(FCC)的规定,美国使用的版本则有很大的不同,Sigfox唯一的缺点就是它的专有特性。

Weightless

在IoT互连解决方案中Weightless是比较独特的一种,它是一个真正的开放标准,目前由Weightless特别权益组织来管理,它的名字来自于它的“轻量级”协议,通常每次传输只传输几个字节的数据,这对于那些通信只需要传输很少数据的物联网设备是很好的选择,比如某些类型的工业和医疗设备、智能电表和水表。与许多其他标准不同的是Weightless运行在所谓的TV空闲频带,低于1GHz,当它们从模拟到数字传输转换时,无线广播公司会将这频带空出,由于频率低于1GHz,因为它们具有较大的覆盖范围,从基站发射的功率也较低,穿透建筑物和其他对于RF信号有挑战的结构的能力也比较强。

目前Weightless有两个版本:
Weightless-N是超窄频带,单通通信技术
Weightless-P是该公司推出的旗舰双向通信技术,具有电信级的性能和安全,并且采用极低的功耗。

Nwave

Nwave是一种基于SDR(软件定义无线电)的超窄频带技术,能够在授权和未授权的频带范围内运行,基站能够容纳100万台物联网设备,覆盖10KM的范围,RF信号输出功率在100mW左右,数据速率可达100bps,这家公司声称采用电池驱动的设备可以持续运行长达10年之久,当在1GHz频率下运行时,Nwave能够利用该区域理想的传输特性。

Ingenu

Ingenu(之前称为On-Ramp Wireless)基于多年的研究已经开发出双向的解决方案,实现了专有的直接序列扩频调制技术,称为RPMA(随机相位多址接入),RPMA的设计目的是在2.4GHz频段内提供高容量、安全且范围广泛的互连方案。

在美国单个RPMA接入点能够覆盖176平方米的区域,这比Sigfox和LoRa标准都要大得多,它具有最小的开销、低延迟和广播功能,能够同时向大量设备发送命令,硬件、软件和其他功能仅限于该公司所提供的,这家公司要搭建自己的公共和私有网络,专用于机器对机器之间的通信。

总结

由于只有蜂窝网络和LPWAN提供商正在争夺长期市场的霸主地位,所以与那些短距离解决方案要求相比,很容易就认为设计师的工作是简单的,一条不变的真理就是每个竞争的技术都提供了不同程度的扩展,这些会帮助增强它们的能力,但同时也带来了更大的设计挑战。

对于终端用户来说,选择“正确”的解决方案通常会归结为他们所在领域有哪些可用的服务,以及相应的费用,然而如果多个无线运营商和LPWAN提供商都能在同一个区域提供服务,那么下决定就有些难了,对于物联网互连领域来讲,确定最终的赢家将需要数年的时间。

原文链接:
https://www.mouser.com/applicati ... lpwan-connectivity/
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