看懂物联网（1） 从LPWAN的各个流派说起

  【天极网网络频道】在“云计算、物联网、移动互联网、大数据和人工智能”潮流中，物联网可谓是一个很有前途的产业。如果说互联网实现了人与人、人与物的连接，那么物联网将解决物与物连接的问题，最终让我们进入一个万物互联的时代。

  据2018世界物联网博览会发布的《2017-2018中国物联网发展年度报告》显示，2017年全球物联网设备数量增长强劲，高达84亿台，首次超过人口数量。全球物联网市场有望在十年内实现大规模普及，到2025年市场规模或将成长至3.9-11.1万亿美元。

  在物联网需求爆发式增长的同时，物联网技术标准混战不断升级，尤其是LPWAN低功耗广域网络的竞争可谓异常激烈，包括LoRa、NB-IoT、SigFox、RPMA、Weightless等各个技术流派。

  LPWAN全称为Low Power Wide Area Network，即低功耗广域网络，专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计。

  1. LoRa

  作为当前应用最为广泛的LPWAN网络技术之一，LoRa协议源自SemTech公司。该无线技术的特点是长距离(1-20km)，万级甚至百万级的节点数，电池寿命可达3-10年，数据速率可达0.3-50kbps。

  LoRa基于Sub-GHz的频段让其更能以较低功耗进行远距离通信，可使用电池供电或其他能量收集的方式供电。同时，较低的数据速率也延长了电池寿命和增加了网络容量。并且，LoRa信号对建筑的穿透力也很强。

  另外，LoRa已经成立一个联盟，它是一个开放的非营利组织，旨在促进和推广 LPWAN 技术的生态系统。它在北美、欧洲、非洲和亚洲拥有约400家会员公司，其创始成员包括 IBM、MicroChip、思科、Semtech、Bouygues 电信、Singtel、KPN、Swisscom、Fastnet 和 Belgacom。

  2. NB-IoT

  NB-IoT全称为Narrow Band Internet of Things，即基于蜂窝的窄带物联网。其中，NB-IoT具有四大特点：广覆盖、低功耗、低成本和大连接，它在LPWAN低功耗广域网络的技术流派中受到很多青睐。

  具体说来，NB-IoT覆盖更广，它比GSM覆盖增强20dB，窄带功率谱密度提升，重传次数为16次。在低功耗上，其电池寿命最长可达到10年，这源于发射/接收时间变短，功放效率高，协议得到简化，芯片功耗降低。尤其是DRX(不连续接收)技术的使用，让终端只在需要的时候工作。

  在连接上，NB-IoT是海量连接，每小区可达50K连接。这也表明，在同一基站下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50~100倍的接入数。而在成本方面，NB-IoT简化射频硬件、简化协议和减小基带复杂度。可以说，NB-IoT在降低成本上花费很多心思。

  3. SigFox

  SigFox使用专有技术，以较低的调制速率实现更长的传输范围。基于此，它对只需发送少量、不常见的突发数据应用场景是一个很好选择。SigFox应用场景包括停车传感器、水表或智能垃圾桶。

  SigFox 成立于2009年，是一家总部位于法国的公司。SigFox 在欧洲的推广非常成功，可以说是 LPWAN 领域中最具吸引力的。它还拥有一个庞大的供应商生态系统，包括德州仪器、Silicon Labs 和 Axom。并且，Sigfox与模块制造商、设备制造商、芯片制造商、物联网平台提供商等产业链上的众多企业都建立了合作关系。

  4. RPMA

  RPMA是由 Ingenu 开发的专有 LPWAN 技术栈。该公司于2008年成立于加利福尼亚州圣地亚哥，由前高通的工程师组建，最初的名字叫做 On-Ramp Wireless。

  RPMA 的技术架构使其在上行和下行双向通信上都比其他技术更加出色。它声称具有更好的多普勒效应、调度算法和抗干扰性。它工作在全球范围都可用的2.4 GHz(用于WiFi和蓝牙)频段。

  根据其内部研究，RPMA 具有更高的通信距离指标：RPMA 为177，SigFox 和 LoRa 分别为 149和157。

  5. Symphony Link

  Link Labs 是 LoRa Alliance 成员，因此它使用 LoRa 芯片。然而，Link Labs 并没有使用LoRaWAN，而是在 Semtech 的芯片之上构建了一个名为 Symphony Link 的专有的MAC层(软件)。

  Link Labs 成立于2013年，由约翰霍普金斯大学应用物理实验室的前成员组建，总部设在马里兰州的安纳波利斯。

  与 LoRaWAN 相比，Symphony Link 增加了一些重要的连接功能，包括：保证消息可靠收发、固件空中升级、解除占空比限制、提供中继功能和动态扩容。

  6. Weightless

  Weightless SIG(特殊兴趣小组)成立于2008年，其使命是实现 LPWAN 的标准化。有五个发起成员，包括埃森哲、ARM、M2COMM、欧洲索尼和 Telensa。

  Weightless 是低于 1GHz 的未授权频谱中唯一的真正开放的标准。Weightless 有三种版本针对不同的应用场景：

 Weightless-W：暂未使用(授权 TV 频段中的未使用的本地频谱) 

 Weightless-N：由 NWave 技术诞生的未授权频谱窄带协议 

 Weightless-P：由 M2COMM 的 Platanus 技术诞生的双向协议 

  尽管 Weightless-W 具有更低的功耗，Weightless-N 和 Weightless-P 依然更受欢迎一些。

  7. Weightless-N/NWave

  Nwave 在功能方面与 SigFox 非常相似，但它宣称自己拥有更好的 MAC 层实现。它声称使用了先进的解调技术来支持自身网络与其他无线电技术的共存，并且这种共存不会造成额外的通信干扰。像 SigFox 一样，它最擅长基于传感器的网络通信、温度采集、水位监控、智能测量以及其他的一些类似应用。

  8. LTE-M

  LTE-M，即LTE-Machine-to-Machine，是基于LTE演进的物联网技术，在R12中叫Low-Cost MTC，在R13中被称为LTE enhanced MTC (eMTC)，旨在基于现有的LTE载波满足物联网设备需求。

  9. EC-GSM

  EC-GSM，即扩展覆盖GSM技术(Extended Coverage-GSM)。2014年3月，3GPP的一次会议提出，将窄带(200 kHz)物联网技术迁移到GSM上，寻求比传统GPRS高20dB的更广的覆盖范围，并提出了5大目标：提升室内覆盖性能、支持大规模设备连接、减小设备复杂性、减小功耗和时延。

  10. OnRamp

  OnRamp使用其自有协议，称为RPMA(随机分配，多址接入)。OnRamp公司以授权方式让合作伙伴使用该技术，且该公司撰写了一份非常详尽的白皮书，白皮书中给出充足理由证明他们将优于SigFoax和LoRa。

  11. Platanus

  这一协议是由云创科技(M2COMM)所拥有，是为处理一定距离下超高密度节点而设计的，它可以广泛用于电子标签类应用中，这一协议也成为Weightless-P技术的基础。

  Platanus原始技术瞄准在100m左右中等范围，为物联网数位价格标签提供室内覆盖。这些数位价格标签采用电子墨水(e- ink)或LCD显示器，能够取代商店货架上的纸类价格标签， 让商店得以透过无线方式调整产品价格。Platanus技术的其他主动式应用还包括工厂中的生产批次的资讯显示器，提供包括即时状态与待处理的下一个步骤等资讯。由于这是一种双向的通讯，这些显示器还能整合感测器，监测货品的环境状况。

  不得不说，LPWAN低功耗广域网络旗下流派众多，纷繁复杂，每种技术标准都有自己的优势和不足，很难“一个标准定天下”。后续，笔者将进一步介绍LoRa和NB-IoT两种技术流派!

 参考资料：

 1.https://zhuanlan.zhihu.com/p/27728869

 2.https://zhuanlan.zhihu.com/p/28444812

 3.https://zhuanlan.zhihu.com/p/27469984