關于物聯網能夠將不同地點的人、物體都聯系起來這些相關信息人們可能已經聽得太多了。但是目前為止我們好像還沒有看到顯著的發展，因為目前這方面需求的驅動力不是來自消費者，而是相關工業、政府以及其它應用領域，就不一一列舉了。但是肯定的是：物聯網（IoT）正在不斷興起，只不過不是按照每個人所認為的那樣。證據表明無線運營商結合初創公司正在努力把一切小型傳感器相關的設備接入到整個物聯網（IoT）系統中來。

除了我們比較熟悉的ZigBee、WiFi和藍牙（Bluetooth）的連接方式還有兩種基本的連接方式能夠實現物聯網（IoT）設備與主機之間的通信，分別是蜂窩網絡和低功耗廣域網（LPWAN）。LPWAN設計者的目標就是趕在無線運營商之前在更多的城市地區實現網絡部署，主要有以下三種解決檔案：

EC-GSM（覆蓋擴展），這種方式能夠實現在現在的GSM蜂窩網絡的基礎上通過附加的軟件系統支持物聯網（IoT）應用。

LTE的另一個名稱，即LTE-M，它涵蓋了LTE通信的各種規范，支持所有的物聯網（IoT）類型的連接應用。

第五代無線技術：5G，預計會在2020年后面市。

目前的形勢來看競賽已經開始，無線運行商本身就具備的巨大的優勢，它們已經無所不在。但是LPWAN提供商也迅速找到了自己的解決方案，我們可以明顯的看出在不久的將來物聯網（IoT）連接領域將會帶來巨大的利潤收益。這場競爭也會在無線運行商和LPWAN提供商之間展開。

無線運營商現在憑借其傳統的2G技術已經能夠提供互連解決方案，目前正在維護改進。然而大部分無線運營商決定在今年12月31日前徹底關閉2G網絡技術，行業內稱為“2G日落”，同時也意味著依靠2G網絡的系統應用也要在此日期之前升級到3G或者4G網絡。第三代合作項目（3GPP）負責管理無線標準，在六月份最新發布的Release13版本中增加了面向物聯網（IoT）應用的設計規范，在2019年5G技術最終確定之前，物聯網（IoT）互連規范都會不斷的做出修訂，隨后幾年無線運營商會在物聯網（IoT）互連方面持續做出努力。

物聯網（IoT）互連的三種類型

物聯網（IoT）互連以距離來劃分可分為三種類型：短距離、中距離和遠距離。

短距離：對于這類應用主要采用藍牙（Bluetooth）、WiFi和Zigbee通信方式，這些標準從最初設計的目標就是面向短距離通信連接的，因此通常以米為單位，而不是公里。

中距離：這種類型的應用市場主要被無線運營商和LPWAN提供商占據，具有很多特性，比如低成本、電信級別的安全和加密以及針對特定應用的功能特性。對于無線運營商而言這類的解決方案目前成本還比較高，但是我們相信有來自LPWAN提供商的競爭壓力，運營商肯定會逐漸降低成本，提高性價比。

遠距離：與太空中的衛星之間實現互連通信應該是最遠的距離了，但是花費也是最貴的。而且拓展到火星甚至更遠的距離，延遲和功耗問題就變得越來越顯著。

下面我們將主要討論中距離的物聯網（IoT）互連解決方案，這種類型的應用我們可以采用兩種技術：借助蜂窩載波技術的無線網絡以及不斷壯大的低功耗廣域網（LPWAN）策略。

LPWAN的別稱

根據實際部署的調制方案LPWAN解決方案也存在很大的不同，比如超窄頻帶、窄頻帶和寬頻帶。超窄頻帶網絡的發射端頻帶能夠降低噪聲，會給接收器端的敏感度、頻帶范圍帶來積極的影響，同時發射功率也更低一些。這些功能特性決定超窄頻帶系統所能實現的功能和應用場景，比如低數據速率、小型數據包、單向或者雙向通信等。窄頻帶的網絡則能夠提供更好的適用性，對于頻帶范圍和容量都具有廣泛的使用性。最后，寬頻帶網路值得是頻帶在500KHz以上，最高能超過1MHz，當然它支持的數據速率也是最高的。

上面簡短的總結介紹只是簡單的向大家介紹了實際上存在的很多非常復雜的系統。例如每種類型的網絡都可以通過擴頻調制技術以及其它適當的方法來提升網絡系統的能力。而且不同供應商提供的超窄頻帶、窄頻帶和寬頻帶網絡性能也有很大的不同。對于潛在的客戶做出選擇也比較困難，還要考慮到其他一些因素，例如網絡容量、服務質量、可靠性和安全性等，因此在做出具體解決方案選擇之前需要全方面的考慮。

其他競爭者

除了無線運營商提供的LTE/4G/5G技術能夠支持物聯網（IoT）互連應用領域，還有很多具有實例的競爭技術，下文介紹了六種物聯網（IoT）互連新型技術：LoRa、Symphony Link（Ensemble）、SIGFOX、Weightless、Nwave和Ingenu。

所有開發的解決方案都具有自己的不同特性，基于適合的軟件系統、網絡技術和其它相關因素，每種技術方案都有自己適合的應用場景。

LoRa網絡技術

LoRa是“Long Range”的縮寫，由LoRa聯盟維護管理，是一種基于物理層實現網絡數據通信的技術，支持雙向數據傳輸，符合一系列開源標準。它的網絡實現具體解決方案稱為LoRaWAN，是由Semtech公司（擁有核心芯片技術）開發的，通過IBM公司的支持。LoRa技術采用chirp擴頻調制技術，考慮到環境因素，這樣的一個基站能夠實現數百平方公里區域范圍的網絡覆蓋。Semtech公司設計的SX1276低功耗長距離收發器可以應用于自動抄表、智能家居和樓宇自動化、無線預警和安全系統、工業監測和控制以及遠程灌溉系統等等。

圖1：Semtech SX1276低功耗長距離收發器功能模塊框圖（來源：Semtech）

這項技術能夠實現多個通道不同數據速率的網絡通信，主要與傳輸距離和所需求的消息持續時間有關。數據傳輸速率從300b/s到50kb/s,網絡服務器和每個用戶的物聯網（IoT）設備終端的射頻（RF）輸出功率決定了數據傳輸速率。這種方法還提供了網絡級、應用級和設備級的安全防護，適用于所有類型的雙向通信物聯網（IoT）設備。

Symphony Link和Ensemble網絡技術

這項網絡技術是由Link Lab實驗室開發的，可以說是在LoRaWAN基礎上的一種修改，同樣是基于物理層但是采用不同MAC設計結構，并且增加了一些額外功能?；谶@項技術的首款產品稱為Symphony Link系統，采用八通道基站，操作頻率433MHz或者915MHz，以及歐洲標準868MHz。傳輸距離至少10英里，借助WiFi、蜂窩網絡或者以太網實現云服務器的消息處理、路由、配置以及網絡管理等操作。

SIGFOX網絡技術

SIGFOX技術是由一家法國公司開發的，該公司的名字也是SIGFOX，目前已經在19個國家實現了網絡部署，包括美國的舊金山，目前網絡覆蓋面積達120萬平方公里，也是這方面的技術領導者。這家公司宣稱在五月份將會在美國繼續部署這項技術，會涉及多達100個城市。SIGFOX網絡技術的頻率范圍在868MHz或者915MHz，采用二進制相移鍵控（BPSK）格式傳輸非常小的數據包，傳輸速率也很低（300b/s）。SIGFOX能夠實現長距離的網絡覆蓋以及通用的功能特性，適合各種小數據量的物聯網（IoT）應用場景。

SIGFOX網絡技術使用超窄頻帶調制技術，單個基站能夠實現網絡消息的傳輸最遠達1000公里以上，每個基站允許多大100萬個物聯網（IoT）設備終端。每個數據包只有12字節，每個終端每天最多只能傳輸140條網絡消息，對于這類的很多應用也是足夠了。最初的SIGFOX網絡是單向傳輸，但是不久就會支持雙向傳輸功能。

這家公司還開源其知識產權，半導體公司額模塊設計公司可以免費使用，目前已經有多家公司的SIGFOX芯片、天線、擴展和評估板卡、以及其它組件產品面市，例如安森美半導體公司開發的AX-SigFox以及AX-SigFox-API開發接口、SigFox網絡節點單芯片解決方案。根據安美森半導體所述：“AX-SigFox是一個超低功耗單芯片解決方案，解決SigFox網絡節點上行和下行傳輸功能。AX-SigFox芯片集成了所有必需的固件，能夠發送和接收SigFox網絡的數據包，非常方便使用。”

圖2：安美森半導體公司AX-SigFox收發器IC芯片功能模塊圖（P/N：AX-SFEU-1-01TB05），使用RS232串口實現與用戶上位機的連接，使用AT命令來發送數據實現無線參數的配置（圖片：安美森半導體）

Weightless網絡技術

這項技術的開源標準有三個版本：Weightless-N、Weightless-P和Weightless-W。Weightless-N是單向傳輸的，傳輸范圍超過5公里，是Weightless技術最基礎的擴展。Weightless-N物聯網（IoT）設備使得電池的使用壽命可達10年之久，可見其低功耗特性。Weightless-P是雙向傳輸擴展版本，具有更豐富的功能特性，覆蓋范圍2公里，設備壽命可持續3年到8年。Weightless-W是最廣泛的雙向傳輸擴展實現方案，覆蓋范圍超過5公里，設備壽命一般在3年到5年，Weightless-W運行在TV空白空間頻譜范圍（TV white space spectrum，TVWS）。

Weightless網絡采用GMSK和offset-QPSK擴頻調制方案，12.5KHz寬頻通道，射頻發射功耗僅17dBm。應用到物聯網（IoT）設備中時，靜態電流功率消耗僅100μW，能夠兼容很多物聯網傳感器，采用鋰離子電池手表的電池就可以實現供電。Weightless可以在任何免費首選的頻帶使用，網絡通信的兩端都可以采用128/256 AES加密和驗證算法。六月份，Weightless特殊權益組織將加入歐洲電信標準協會（ETSI），進一步加強和完善超窄頻帶技術解決方案。

Nwave網絡技術

Nwave采用超窄頻帶技術以及軟件定義無線電規范，可以在任何未經授權的頻帶操作。單個基站可以容納超過100萬個物聯網（IoT）設備終端，覆蓋范圍10公里，射頻（RF）輸出功率100mW甚至更低，數據傳輸速率100b/s,采用電池供電的設備壽命可長達10年。

Ingenu網絡技術（最初命名為On-Ramp無線技術）

Ingenu公司的機器網絡操作頻帶在2.4GHz，采用的調制方案稱為隨機相位多址接入（RPMA），使用直接序列擴頻，嚴格控制發射功率，增強接收器敏感度，提供性能更強的鏈路傳輸。RPMA的自調節功能能夠在網絡和終端設備之間找到合適的信號傳輸接口。

這家公司聲稱每個基站在常用的環境條件下能夠覆蓋300英里的范圍。目前達拉斯/沃斯堡地區正在使用這項技術，覆蓋地區范圍2116平方英里，僅部署了17個訪問接入點為超過440萬人提供相關服務。除此之外目前已經有超過38個地區部署了這項技術。

對于這些解決方案，半導體供應商已經設計了多條產品生產線，而且在快速增長。例如Silicon Lab設計的Si4464收發器操作頻率在119到1050MHz，非常低的運行功耗。德州儀器公司設計的CC1120收發器使用窄頻帶網絡，數據傳輸通道頻率低至12.5KHz，這家公司非常支持窄頻帶網絡方案，在其白皮書上詳細闡述了理論說明。Atmel公司設計的ATA8520單芯片發射器采用的是SIGFOX網絡技術，運行頻率868MHz，電流消耗低于33mA，輸出功率大于14.5dBm。安美森半導體公司設計的AX-SIGFOX低功耗收發器運行頻率同樣為868MHz，集成了發射和接收固件。上文提到的四家公司都還有其他物聯網（IoT）互連產品，并且為客戶提供設計支持。

圖3：德州儀器（TI）公司設計的CC1120高性能射頻（RF）收發器的系統功能模塊（圖片：TI CC1120芯片數據手冊）

最好但同等重要

目前在網絡方面占據主導地位的還是無線運營商所提供的LTE通信解決方案。隨著物聯網在今年的不斷興起，3GPP組織正在制定開發流程標準。LTE-M發布了Release 12和Release 13版本，Release 13版本增加了很多面向物聯網（IoT）應用的專屬功能。支持窄頻帶200KHz以及寬頻帶1.4MHz，后者依舊比標準的LTE操作頻率要低得多。所有雙工模式的設計都是為了降低延遲和發射功率，對于使用兩節AA級電池的設備電池壽命至少能達到5年。我們相信LTE調制解調器的成本花費會降低50%以上。

我們可以大膽的猜測，無線運營商是否會占據所有的物聯網（IoT）互連市場份額。那些持肯定態度的人可能已經注意到在很多地方基礎設備設施已經完成了部署，只需要做出一些小的修改即可。無線通信行業具有非常大的資源，它們肯定會致力于占據更大的市場份額，如果這說法成立，無線運營商會一下子擊敗所有競爭者。也就是說，盡管現在AT&T宣稱即使使用“all-LTE”方法提供物聯網（IoT）互連方案，但是也不排除會在一些具體的應用場景采用LPWAN網絡技術方案。

另一部分人相信無線運營商會利用高性能的優勢來解決更多的應用需求，基于云服務的高速數據傳輸應用與物聯網（IoT）終端設備互連需要跨越巨大的地理區域，因此不得不花費更高的服務成本，一個典型的應用就是工業機器制造商的物聯網（IoT）傳感器分布在世界各地范圍內。這個巨大市場的其余份額可以選擇LPWAN服務提供商。無論這個市場發展的怎樣的成熟，毫無疑問的是越來越多的人在未來的幾年內將會看到物聯網所帶來的巨大發展。