NB-IoT/LoRa早在30年前就出现了

以NB-IoT、LoRa为代表的低功耗广域网络(LPWAN)技术近年来已经是物联网领域最热门和最吸引眼球的部分,在一些场合,NB-IoT或LoRa都成了物联网的代名词了,仿佛一个项目没有和NB-IoT或LoRa有点关系都不算物联网项目了。不过,虽然NB-IoT、LoRa是近几年出现并开始商用,但此类低功耗广域网络的想法并不是新鲜事物,那些对低数据吞吐量有明确需求的应用落地已经有了超过30年的历史。实际上,在蜂窝网络还未商用之前,一些行业就采用M2M方式来给低速率终端联网实现应用,使用专用的无线数据网络,这些无线数据网络和今天的低功耗广域网络有相似的拓扑和网络架构,有些直至今日仍然在一些利基场景中使用。

30多年间的演进和变换

从上世界80年代开始,低功耗广域网络已在全球各地开始萌芽,部分技术形成的网络已发展到较大应用规模。比较典型的包括:

1. 全球化的低速率数据网络DataTAC

DataTAC是一个窄带数据网络技术,最初由美国MDI(MobileData International)研发。使用该技术的窄带无线网络ARDIS网络,是由摩托罗拉和IBM上世纪80年代初投资建设的合资公司。这张网络专为数据传输应用而设计,运行在800MHz频谱上,其数据速率为19.2 kbps,而且最为知名的是拥有比高速率网络更强的穿透性。除了寻呼机和黑莓的邮件外,ARDIS在其他方面中也有广泛的应用,比如安全、车队追踪、信用卡授权和销售自动化等。

具体来说,ARDIS是一张集群式无线数据通信网络,不能用于语音通信。该网络上行时运行在806 MHz到821 MHz之间,下行时运行在851 MHz至866 MHz之间,有25KHz的信道间隔。在那个时候,ARDIS已具备一定规模,在美国都市统计区域(MSAs)的城市中有400座最大城市已被覆盖,涵盖了美国90%城市核心商业区以及80%的总人口。ARDIS也称得上全球化的网络,它在英国、加拿大、德国、澳大利亚、马来西亚、新加坡和泰国有分支,比如澳洲电讯、和记电讯在澳大利亚、香港都部署运营了ARDIS网络。1995-1996年期间,ARDIS在全球已拥有超过44,000个客户(大部分是企业客户),在个别区域里其容量已超出极限值,不过ARDIS更多会随着需求增加来增加容量和覆盖。

在现在看来,ARDIS的费率非常之高,对消息传送服务来说,从每月39美元的最低套餐(包含100条消息)到每月139美元的白金套餐(包含650条消息),对于非消息类应用的服务,每个数据包收取6美分,或者每100字节数据收取3美分,此类套餐不可用于email。ARDIS也做了不少室内深度覆盖,而且由于全国性的覆盖,ARDIS的用户在各大城市之间可以无缝漫游。

不过,在当时的背景下,ARDIS仅提供数据服务,而当时人们对于基于语音的通信需求非常旺盛,加上这张网络缺乏像思科、Ascend、北电等主流硬件设备厂商的支持,让这张网络可以发挥的作用有限。后来,摩托罗拉和IBM均将其股份出售给电信运营商美国移动(American Mobile),美国移动将ARDIS的客户并入了其部署的2G网络中,这张早期的低功耗广域网络宣告结束。

2. 源于欧洲的Mobitex

Mobitex也是一项窄带数据通信技术,在上世纪80年代由瑞典TeleverketRadio研发,数年后Televerket Radio和爱立信的合资公司拥有Mobitex,来进一步完善该技术,这家合资公司为Eritel,后来成为爱立信的一个子公司。Mobitex在欧洲运行在400-450 MHz频段上,在北美运行在900MHz频段上,该技术使用12.5KHz带宽传输数据,最高速率8kbps,最大的覆盖范围可以达到30公里。1986年Mobitex开始在瑞典部署,后来也扩展到英国和美国等地,与DataTAC类似,除了用于寻呼和黑莓邮件外,也用于公共交通、安全和大量M2M场景,其中在美国911事件和2005飓风救援行动中,Mobitex发挥了一定作用。

Mobitex也是一个全球化的网络,在5大洲30多个国家实现部署(其中包括在中国小范围部署),而且形成大量的运营商,比如在美国就有RAM Mobile Data、BellSouth Wireless Data、Cingular Interactive、CingularWireless和Velocita Wireless这些运营商,在加拿大有Rogers Wireless,在英国有RAM Mobile Data等。在英国,Mobitex规模最大的应用当属汽车故障修复业务,几乎所有的汽车故障信息传送至故障服务机构时都采用的是基于Mobitex的网关软件,预计每年有超过2000万次故障和修复信息都是通过其传送的。

和DataTAC类似,在越来越成熟的GSM网络的阴影下,Mobitex开始走下坡路,能够提供的应用场景不断萎缩。一个标志性事件是,2012年12月31日,瑞典永久关闭了Mobitex网络。

3. 为消防报警器而生的AlarmNet

AlarmNet从字面来看就和报警器有关,这一无线技术是安定宝(ADEMCO)在上世纪80年代中期研发的,安定宝是当时美国一家大型的报警设备制造商,在2000年时与另一家知名安防企业C&K合并成立Ademco Group(美国安定宝集团),并隶属于霍尼韦尔,2004年美国安定宝集团正式更名为霍尼韦尔安防集团。

AlarmNet已经与今天的低功耗广域网络比较相似,它使用928MHz免授权频段,这一张网络是用来监控安定宝公司的报警设备,而AlarmNet用来发送报警信号等少量数据,所以传输速率也很低。AlarmNet当时已经具备了一定的规模,覆盖了美国18个主要的区域和约65%的城市人口,这样的规模已经形成一张广域覆盖的大网。不过,在上世纪90年代末,2G蜂窝网络开始普及,人们发现蜂窝网络可用来传输数据和音频,而且覆盖较广,整个产业链成熟后硬件成本非常低,因此大量需要使用无线的设备开始使用2G网络,其中包括报警系统,因此这张网络就开始和2G网络融合。不过时至今日,AlarmNet仍然是霍尼韦尔报警联网系统的重要服务内容。

NB-IoT和LoRa的商用,不仅仅是时机,更在于标准化和生态

从以上三个类似于低功耗广域网络的技术发展历史可以看出,这些技术最终的命运都是在2G网络商用中走向衰落。从上世界90年代中期开始,GSM网络在全球的普及部署,提供一个泛在的覆盖,且硬件成本大大降低,2G芯片出货量快速增长,M2M业务开始迁移到2G网络上。GPRS的商用,给M2M业务更多数据接入的机会,很多厂商在其设备中嵌入了GPRS模组,模组成本和流量资费越来越低廉,厂商也能负担这一成本,这一现象持续了近20年。

目前,在全球运营商将4G作为主流网络且准备商用5G背景下,2G网络的退网已实施或提上日程。物联网的市场前景,尤其是需要低速率、低电量耗费的无线场景的连接需求越来越多,在这个时机下,以NB-IoT、LoRa为代表的低功耗广域网络正填补了这一缺口。

30多年前的DataTAC、Mobitex、AlarmNet这些低功耗广域网络曾一度从星星之火形成燎原之势,但最终被2G网络扑灭。在笔者看来,这一变迁是由于当时M2M的场景有限,其网络技术和2G有很明显的替代性,而更重要的是GSM技术形成的高度标准化和全球产业生态将网络部署运营的门槛大大降低了。而DataTAC、Mobitex、AlarmNet当时依然坚持封闭技术,只有少数几家厂商支持,缺乏产业生态让其无法与2G形成竞争。从当前来看,NB-IoT、LoRa从一开始就重视标准化和产业生态的建设,而其他移动通信技术的发展也为其留下了应用场景空间。

过去30年里,低功耗广域网络由盛而衰,如今又开始崛起,下一个30年会走向哪里?

作者:赵小飞

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