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)展路線就是在現(xiàn)有的LTE版本上進(jìn)行開發(fā)并且繼續(xù)完善，包括降低復(fù)雜性和成本，隨著這個(gè)過程的展開，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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的使用，在最新發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)Release 13中都有介紹，這些規(guī)范最終也會(huì)集成到5G標(biāo)準(zhǔn)中。理想情況下這些解決方案都應(yīng)該在頻率低于1GHz的情況下來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵谶@種條件下有利于遠(yuǎn)程傳輸和建筑物的滲透：

LTE-M：也被稱為增強(qiáng)型機(jī)器通信（eMTC），從Release 12標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展而來，并且在Release 13標(biāo)準(zhǔn)中做了進(jìn)一步改進(jìn)。

NB-IoT：Release 13標(biāo)準(zhǔn)中涉及到的LTE窄頻帶版本。

EC-GSM-IoT：面向IoT的擴(kuò)展覆蓋GSM是全球移動(dòng)通信系統(tǒng)的擴(kuò)展版本，在Release 13中對IoT應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，可以與GSM運(yùn)營商一起實(shí)現(xiàn)部署。

5G：將會(huì)在2020年完成標(biāo)準(zhǔn)化，會(huì)在NB-IoT和EC-GSM-IoT基礎(chǔ)上增強(qiáng)。

一個(gè)大膽的推測是因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用的要求與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)操作存在著明顯的不同，使用節(jié)能模式未來的發(fā)展應(yīng)該會(huì)積極影響電池壽命，降低復(fù)雜度和設(shè)備成本，通過共享的運(yùn)營設(shè)施來降低部署成本，采用更高級的編碼技術(shù)并增加信號密度可以實(shí)現(xiàn)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，比如說面向傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在Release 8中提供了高達(dá)150Mb/s的峰值下行速率，然而數(shù)據(jù)速率在窄頻帶急劇下降到150Kb/s來適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用要求，用戶設(shè)備的通道帶寬也是如此，在Release 8標(biāo)準(zhǔn)中其從最大的18MHz下降到180KHz。另一個(gè)重要的因素是調(diào)制解調(diào)的復(fù)雜性，隨著不斷的發(fā)展其大概降低了85%。簡而言之，為了滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(tǒng)語音和數(shù)據(jù)服務(wù)要在5G中實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)正好相反，也就是說，與其提高數(shù)據(jù)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(fù)雜度。

LPWAN標(biāo)準(zhǔn)的一些選擇

LPWAN提供商使用開源的標(biāo)準(zhǔn)比如LoRaWAN，由LoRaWAN聯(lián)盟來管理，或者采用專屬的解決方案比如Sigfox，它們都是在為授權(quán)的頻帶范圍內(nèi)運(yùn)行，雖然Sigfox聲稱它是全球領(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(rèn)可，其聯(lián)盟成員超過400，這意味著LoRa基帶和RF硬件成本會(huì)繼續(xù)降低，目前已經(jīng)降低了一半以上，隨著規(guī)模的擴(kuò)展成本將會(huì)進(jìn)一步下降。

LoRaWAN

能夠區(qū)分LoRa、LoRaWAN和LinkLabs提供的產(chǎn)品是非常重要的，因?yàn)檫@確實(shí)有點(diǎn)讓人困惑。LoRa是LoRaWAN聯(lián)盟管理的開放標(biāo)準(zhǔn)的物理層，而LoRaWAN則是提供網(wǎng)絡(luò)功能媒體訪問控制（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，該方案有一些專屬特性，比如在沒有網(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(yī)療（ISM）波段內(nèi)以及歐洲采用的868MHZ頻帶。它傳輸?shù)木嚯x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)來傳輸數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)路由消息處理、供應(yīng)和網(wǎng)絡(luò)管理等功能。

Sigfox

Sigfox標(biāo)準(zhǔn)是一家法國同名公司設(shè)計(jì)的，它與LoRaWAN主要的區(qū)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(yīng)商，某些情況下它也是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商，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(fèi)使用，這樣它已經(jīng)能夠與主要的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供應(yīng)商，甚至一些無線運(yùn)營商建立聯(lián)系，與LoRaWAN一樣，Sigfox也在繼續(xù)不斷的擴(kuò)大市場份額，特別是在歐洲，其支持的傳輸距離完全符合歐盟制定的準(zhǔn)則，為了滿足聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）的規(guī)定，美國使用的版本則有很大的不同，Sigfox唯一的缺點(diǎn)就是它的專有特性。

Weightless

在IoT互連解決方案中Weightless是比較獨(dú)特的一種，它是一個(gè)真正的開放標(biāo)準(zhǔn)，目前由Weightless特別權(quán)益組織來管理，它的名字來自于它的“輕量級”協(xié)議，通常每次傳輸只傳輸幾個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，這對于那些通信只需要傳輸很少數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是很好的選擇，比如某些類型的工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備、智能電表和水表。與許多其他標(biāo)準(zhǔn)不同的是Weightless運(yùn)行在所謂的TV空閑頻帶，低于1GHz，當(dāng)它們從模擬到數(shù)字傳輸轉(zhuǎn)換時(shí)，無線廣播公司會(huì)將這頻帶空出，由于頻率低于1GHz，因?yàn)樗鼈兙哂休^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(zhàn)的結(jié)構(gòu)的能力也比較強(qiáng)。

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（軟件定義無線電）的超窄頻帶技術(shù)，能夠在授權(quán)和未授權(quán)的頻帶范圍內(nèi)運(yùn)行，基站能夠容納100萬臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，覆蓋10KM的范圍，RF信號輸出功率在100mW左右，數(shù)據(jù)速率可達(dá)100bps，這家公司聲稱采用電池驅(qū)動(dòng)的設(shè)備可以持續(xù)運(yùn)行長達(dá)10年之久，當(dāng)在1GHz頻率下運(yùn)行時(shí)，Nwave能夠利用該區(qū)域理想的傳輸特性。

Ingenu

Ingenu（之前稱為On-Ramp Wireless）基于多年的研究已經(jīng)開發(fā)出雙向的解決方案，實(shí)現(xiàn)了專有的直接序列擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，稱為RPMA（隨機(jī)相位多址接入），RPMA的設(shè)計(jì)目的是在2.4GHz頻段內(nèi)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(qū)域，這比Sigfox和LoRa標(biāo)準(zhǔn)都要大得多，它具有最小的開銷、低延遲和廣播功能，能夠同時(shí)向大量設(shè)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)，專用于機(jī)器對機(jī)器之間的通信。

總結(jié)

由于只有蜂窩網(wǎng)絡(luò)和LPWAN提供商正在爭奪長期市場的霸主地位，所以與那些短距離解決方案要求相比，很容易就認(rèn)為設(shè)計(jì)師的工作是簡單的，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(kuò)展，這些會(huì)幫助增強(qiáng)它們的能力，但同時(shí)也帶來了更大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

對于終端用戶來說，選擇“正確”的解決方案通常會(huì)歸結(jié)為他們所在領(lǐng)域有哪些可用的服務(wù)，以及相應(yīng)的費(fèi)用，然而如果多個(gè)無線運(yùn)營商和LPWAN提供商都能在同一個(gè)區(qū)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)域來講，確定最終的贏家將需要數(shù)年的時(shí)間。