七大LPWAN:NB-IoT/LTE-M/Sigfox/LoRa/RPMA/Weightless/HaLow技术之争

一场旷世的物联网大战拉开序幕!

无线通信技术已高速发展20多年,在完成了人与人之间的连接后,物联网为无线产业提供了持续发展的动力。由于LPWAN(低功耗广域物联网)技术相对难度不高,各种技术陆续推出,举目遥望,可谓是山头林立、遍地插旗。较受关注的是采用授权频谱的NB-IoT和LTE-M,主要由3GPP主导的运营商和电信设备商投入;以及采用非授权频谱的LoRaWAN、Sigfox、Weightless、HaLow、RPMA(Random Phase Multiple Access)等技术,其大部分投入为非电信领域

LPWAN,Low-Power Wide-Area Network,抓住两个关键词:低功耗和广域覆盖,简单的说,就是在特省电的情况下,实现长距离通信的无线技术。这种技术的共同点就是,远距离通信能力可支持大规模物联网部署,低功耗可避免经常更换电池,降低维护成本。

LPWAN最典型的应用就是智慧城市,城市路灯、智能电表、下水道水位探测、智能交通等等,远距离无线通信可避免铺设有线管道,低功耗可保证几年不用更换电池,省事省成本,这对于规模浩大的智慧城市建设简直是不二选择。

1 NB-IoT vs. LTE-M,市场碎片化?

NB-IoT颇有后来居上的势头。2016年3GPP惊觉LPWAN商机已来,火速在6月推出R13 NB-IoT标准。尽管来得稍晚,却备受瞩目。3GPP主导,几大电信设备商支持,全球300多家运营商的已完成全球90%覆盖的移动网络,无以伦比的生态系统让其他LPWAN技术直呼狼来了。

•支持现网升级,可在最短时间内抢占市场。

•运营商级的安全和质量保证。

•标准不断演进和完善。在3GPP R14标准里,NB-IoT还将会增加定位、Multicast、增强型非锚定PRB、移动性和服务连续性、新的功率等级、降低功耗与时延等等,让NB-IoT技术更具竞争优势。

因为NB-IoT采用授权频谱,可避免无线干扰,且具备运营商级的安全和质量保证,所以,与其他LPWAN技术比起来,似乎更高逼格。但是,这是有代价的,如果算上频谱拍卖价格,NB-IoT的部署成本其实是高于一些其他的LPWAN技术的。根据一份NB-IoT vs LoRa Technology研报,NB-IoT的部署成本高于LoRa(如下图)。

这就像寄快递一样,一些小快递公司价格便宜,但是不能保障速度,没准还把你的充气娃娃搞丢了,而NB-IoT就有点像快递中的顺丰。所以,对一些对可靠性、包括时延性要求较高的应用场景,NB-IoT不可替代。B-IoT自R13标准冻结后,正以惊人的速度占领市场,据不完全统计,中国、德国、西班牙、荷兰等国家已经宣布计划商用NB-IoT。

•中国电信计划于2017年6月商用第一张全覆盖的NB-IoT网络。

•德国电信计划于2017年第二季度商用NB-IoT网络,采用LTE 800MHz和900MHz频段,首先应用于智能电表、智能停车和资产追踪管理等。

•荷兰计划于2017年前完成国家级的NB-IoT网络建设。

•在西班牙,Vodafone首先在巴伦西亚和马德里部署了NB-IoT,并在3月底将城市扩展到巴萨罗拉、毕尔巴鄂、马拉加等地,已有1000个以上的基站支持NB-IoT。

但是,我们也不要忽略了3GPP的另一股力量——LTE-M。2017伊始,LTE-M也在迅速蔓延扩张。2017年2月27日,在MWC2017上,AT&T (美国和墨西哥)、KPN (荷兰)、 KDDI (日本)、NTT DOCOMO (日本)、Orange (欧洲、中东和非洲)、Telefonica (欧洲)、Telstra (澳大利亚)、TELUS (加拿大) 和Verizon (美国) 联合宣布支持LTE-M全球部署。

•KPN已经在荷兰完成了LTE-M测试,采用的是爱立信和高通设备。

•AT&T早在2016年就于旧金山部署了LTE-M网络试点项目,2017年2月,宣布计划于2017年第二季度完成美国首个国家级的LTE-M网络部署。

•这还了得,友商Verizon一万个不服。就在几天前,2017年3月31日,Verizon宣布将在美国首个推出全国范围的LTE-M网络,并表示正在加速建设,言外之意就是,甭管你AT&T啥时建成,劳资就是要比你快一步。

3GPP在R13版本出现了两种物联网版本:LTE-M和NB-IoT。坦白的讲,这是妥协的结果,3GPP和了稀泥,这导致了市场碎片化和混乱。

我们先来比较一下两种技术:


一眼便知,NB-IoT在频谱上更具灵活性,可支持三种部署方式。LTE-M的速率更高。
但是,这不够,物联网的关键是性能、成本和功耗,所以我们下面从这三个方面来对比。
1)性能

由于NB-IoT的比特率较小,因此链接预算更好,所以,普遍认为NB-IoT的覆盖范围比LTE-M更大。不过,最近看到国外一篇文章对此进行了反驳。我只当搬运工,大家来评理。
原文如下:

最大耦合损耗(MCL)是传送数据时UE和eNodeB的天线端口之间的最大总信道损耗。MCL越高,链接越强大。根据3GPP,CAT-M1的MCL为155.7dB,NB-IoT为164dB,有8dB的差异。表面上看,NB-IoT更具优势。但是,根据香农定理,当信噪比(SNR)很低,噪音是白噪音的情况下,信道容量的近似值是和带宽无关的。

基于上面的推论,我们会得到以下结论:

•当发射功率相同时,两者在上行方向的覆盖范围一致,

•在下行方向,CAT-M1的覆盖范围是NB-IoT的6倍(~8dB),因为Cat-M1从节点(eNB)发出的信号带宽是NB-IoT的6倍。

事实上,如果我们仔细的去看3GPP标准里面用来计算MCL的参考场景的参数设置,两个标准的参数设置是不同的,比如发射功率,噪音系数,和目标吞吐率都不同,这样的比较是不公平的,如下表:

如果我们使用相同的假设条件(相同发射功率,相同噪音系数,和相同的目标吞吐率),我们可以看到前面的推论是成立的,即:两个标准的上行覆盖范围相同,下行覆盖范围CAT-M1比NB-IoT优化~8dB。
2)成本
模块成本上,NB-IoT比LTE-M低毋庸置疑。LTE-M的带宽为1.4MHz,NB-IoT处理带宽为200KHz,基带部分尺寸更小,而且200K带宽的射频前端和数字处理都比1.4MHz的LTE资源块简单得多。另外,NB-IoT波形更简单,而LTE-M处理OFDM要更复杂。
3)功耗

由于物联网设备大多数时间在“睡觉”,所以比较功耗主要看设备激活状态下的功耗。通常认为,由于NB-IoT速率更低,处理波形更简单,所以功耗更低。
不过,我又看到另一种解释,说是因为LTE-M比NB-IoT吞吐率更高,那么,如果接收的数据量相等,则LTE-M比NB-IoT花的时间更少,这意味着更省电。
&%&&**%¥#¥…. 真是受不了技术宅啊!!!!
总之,如果非要分个国界的话,美国两大运营商支持LTE-M,中国和欧洲更支持NB-IoT。当然,关键还是运营商根据自己的实际情况来部署,最利于自己才是关键。
2 Sigfox,抢地盘抢地盘
2017年,在NB-IoT还未站稳脚跟之时,Sigfox正在疯狂的抢地盘,企图在最短的时间里拉开距离。
这也容易理解,Sigfox、LoRaWAN、RPMA这些技术的成熟度本来就领先NB-IoT一两年,事实上,2017年人家已经率先踏上商业化之路,此时不加速,等待何时?来自法国的Sigfox心里很清楚,与NB-IoT竞争的最大弱势之一就是网络覆盖,毕竟NB-IoT是现成的网络,部署很快,而Sigfox需要新建基站。所以,现阶段他们的目标就是建网络,疯狂的建网络。
据统计,截止2017年1月,Sigfox网络已覆盖29个国家和地区、170万平方公里、4.7亿人口,并计划在2018年把网络扩张到60个国家。
另外,Sigfox尽管没有NB-IoT引入瞩目,但其在生态部署上不容忽视。Sigfox采用免费专利授权策略,吸引了许多伙伴加入生态系统。目前Sigfox已有71个设备制造商、49个物联网平台供应商、8家芯片厂家、15家模块厂家、30家软件和设计服务商等伙伴。其中,芯片供应商包括德州仪器(TI)、意法半导体(ST)、芯科(Silicon Labs)、安森美(On-Semi)、恩智浦(NXP)、Ethertronics、Microchip与云创通讯(M2Comm)等。
Sigfox工作在868MHz和902MHz的ISM频段,消耗很窄的带宽或功耗,且Sigfox的传输速率最低,仅为100bits/s,消息最长是12个字节,一个节点每天最多传送消息数量为140条。在传送12字节消息的时候,封包大小仅为26字节。因此,由于窄带宽和短消息特点,加之其162dB的链路预算,Sigfox在远距离传输上优势也较突出。

▲Sigfox消息上行12字节,下行8字节;每天最多发送140条消息;只需在电脑上就可利用Sigfox Could云平台连接到物联网设备

 

▲在传送12字节消息情况下,Sigfox封包容量仅为26字节,比其他通信协议小
另外,Sigfox这货还有个特点,它不需要传输信令,终端只要在频率上使用SigFox Radio Protocol发射信号,基站会自行接收信息,因而省去了信令负荷,降低了总的传输数据量,可进一步降低功耗。

▲Sigfox协议还不需传输信令信号,能省下更多流量

 

不过,有优点也有缺点。Sigfox速率低、覆盖广,但每天上传数据有限,不适合数据传送频率较高的应用。
所以,这里有个形象的比喻,如果消息长度为120字节的LPWAN技术是小汽车,那么Sigfox就是摩托车。

▲Sigfox的传输方式就像是用摩托车来运送小量货物

 

当然,这样的好处是,可以增加连接数量…

3 LoRa,浩浩荡荡的大军
LoRa的名字源于Long Range的缩写,它的梦想就是长距离,如果一个网关或基站可覆盖整个整个城市那就再美不过了。在LoRa组网中,所有终端会先连接网关,网关之间通过网络互连到网络服务器,在这种架构下,即使2个终端位于不同区域、连接不同的网关,也能互相传送数据,进一步扩展数据传输的范围。

▲LoRa组网结构图

 

目前大多数的网络采用网状拓朴,然而在这种网络拓扑下,往往通过节点作为中继传输,路由迂回,增加了整体网络的复杂性和耗电量。
LoRa独辟蹊径,采用星状拓朴,让所有节点直接连接到网关,网关再连接至网络服务器整合,若需要与其他终端节点沟通,也是经由网关传输。如此一来,尽管终端节点必须指定位置安装,但网关安装选点灵活,可以就近有线网络或有电源的地方选点,不必担心网关的耗电问题。进而,终端节点可以将一些耗电较高的工作交给网关来处理,以提高终端的续航能力。
LoRa支持双向传输,传输方式分为3种不同的等级:Class A,Class B和Class C。

Class A最省电,终端设备平常会关闭数据传输功能,在终端上传数据后,会短暂执行2次接收动作,然后又再次关闭传输。这种方式虽然能够大幅度省电,但是无法及时从网络服务器遥控或传送数据,会有较长的延迟。

Class B耗电量较大,能够在设定的时间定期开启下载功能、接收数据,这样能降低传输延迟。

Class C则会在上传数据以外的时间,持续开启下载功能,虽然能够大幅降低延迟,但也会进一步耗电。

由IBM和思科领衔的LoRa大军同样声势浩大。LoRa联盟以17个赞助会员为主,包括了韩国SK Telecom和法国Orange等运营商加入。
以SK电信为例,早在2016年就宣布商用第一个国家级的基于LoRa的物联网网络。

 

▲SK电信端到端的LoRa网络构架图
LoRa早在2016年就表示,已有17个国家宣布建网计划,超过120个城市已有运行网络。LoRa联盟会员超过400个,产业链完整,被称为是除了NB-IoT之外,最吸引电信营运商的LPWAN技术。
LoRa尽管传输距离不如Sigfox,也能保证几公里范围覆盖,且频带较宽,建设成本和难度不高,尤其适用于工业区内收集各种温度、水、气体和生产数据等各种数据。当然,如果与NB-IoT或LTE-M这样的成熟大网结合,大范围地将分布于各地的工业区连接起来,并传送的云端进行数据分析,意义非同凡响。
4 RPMA,LPWAN界的一匹黑马

RPMA来得有点特别,其他LPWAN多采用1GHz以下频段,由美国Ingenu主导的PRMA采用的2.4GHz频段,这一技术被一些人称为LPWAN界的一匹黑马。
RPMA覆盖能力强,据说覆盖整个美国仅需要619个基站,而LoRa覆盖全美则需要10830个基站。RPMA的容量也够大,以美国为例,如果设备每小时传送100字节的信息,采用RPMA技术可接入249232个设备,而采用LoRa技术和Sigfox技术则分别只能接入2673个设备和9706个设备。
为迅速占领低LPWAN市场,Ingenu表示,该公司已经在全球超过45个国家和地区部署了2.4GHz的RPMA,据说2016年底在美国30个城市建立600个基站塔,覆盖七成的美国国土。
Ingenu也在积极与芯片、模块和系统供应商建立伙伴关系,扩大生态系统,推进市场应用。
5 Weightless,看似很平静
Weightless有三个不同的架构:Weightless-N、Weightless-P和Weightless-W。Weightless-N单向通信,是低成本的版本;Weightless-P是双向通信;如果当地TV空白频段可用,可选择Weightless-W。
Weightless与欧洲电信标准化协会(European Telecommunications Standards Institute, ETSI)达成合作协议,该技术未来可能会仿效Wi-Fi,建立统一的标准和认证体系,将技术和产品标准化、产业化。根据Weightless SIG的目标,一个Weightless连接终端成本希望在2美元以内,一个Weightless基站的材料成本低于3000美元。
Weightless-P使用GMSK和offset-QPSK调制提供最佳的功率放大器效率。offset-QPSK调制本身具有干扰免疫和使用扩频技术,可提高网络连接质量。17dBm的低传送功耗,终端可以用纽扣电池供电。自适应数据速率还允许节点用最小的发送功率建立一个新的信号通道到基站,因此可以延长电池寿命。在待机模式下,Weightless-P的功耗小于100uW。
6 HaLow,让WiFi走出室内的梦想
WiFi在室内取得了巨大成功,一直想走向室外。物联网来了,是时候再搏一搏了。2016年9月,由IEEE主导的802.11ah标准,Draft 9.0版本完成。12月,完成标准委员会核定程序,预计2018年可以商业化,命名为HaLow,采用非授权的900MHz频段,传输距离达1公里,传输速率150kbps~347Mbps。
IEEE还计划采用电视白频道频段54~790MHz的802.11af技术,期待能提供更低功耗与更长传输距离。
不过,从HaLow的规范看来,传输距离与动辄数十公里的其他LPWAN技术相较还有一段差距,虽然可以通过多点中继的方式延伸到数公里,但由于起步时间较晚,产业链势微。好处是WiFi网络建设不困难,只需通过设备升级即可。
目前也只能定位为NB-IoT的补充,真正实现网络广域连接,还得靠NB-IoT来帮忙。
琵琶声起,杀机四伏,物联网的对决已拉开序幕…

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