低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展態(tài)勢

低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展態(tài)勢低功耗廣域網(wǎng)（LowPowerWideAreaNetwork，LPWAN）是面向物聯(lián)網(wǎng)中遠(yuǎn)距離和低功耗的通信需求，近年出現(xiàn)的一種物聯(lián)網(wǎng)無線連結(jié)技術(shù)，具有覆蓋范圍廣、服務(wù)成本低、能耗低的特點(diǎn)，能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)社會環(huán)境下廣域范圍內(nèi)數(shù)據(jù)交換頻率低、連接成本低、漫游網(wǎng)點(diǎn)切換方便、適用復(fù)雜環(huán)境的連接需求，是理想的物聯(lián)方式。低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)主要可分為兩類：一類是基于現(xiàn)有開放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，如窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）、Halow等。此類技術(shù)雖基于全球標(biāo)準(zhǔn)，但落地需要經(jīng)過多方博弈，因此產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程較慢。另一類是企業(yè)專門開發(fā)的技術(shù)，如Sigfox、LoRa和RPMA等。這類技術(shù)已進(jìn)入規(guī)模部署階段，但也面臨選型的激烈競爭。下文將對上述五個主要的低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展歷程、特點(diǎn)、應(yīng)用前景（產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀）作簡要介紹。1．窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）NB-IoT基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180KHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級。發(fā)展歷程2013年初，華為與相關(guān)業(yè)內(nèi)廠商、運(yùn)營商展開窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，并起名為LTE-M（LTEforMachinetoMachine）。2014年5月，由沃達(dá)豐、中國移動、Orange、意大利電信，華為，諾基亞等公司支持的物聯(lián)網(wǎng)超低功耗蜂窩系統(tǒng)項目在3GPPGERAN工作組立項，LTE-M的名字演變?yōu)镃ellularIoT，簡稱CIoT。2015年5月，華為和高通共同宣布了NB-CIoT（NarrowBandCellularIoT）方案。2015年8月，愛立信聯(lián)合幾家公司提出了NB-LTE（NarrowBandLTE）的概念。2015年9月，NB-CIoT和NB-LTE兩個技術(shù)方案進(jìn)行融合形成了NB-IoT。技術(shù)特點(diǎn)強(qiáng)鏈接：在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現(xiàn)有無線技術(shù)提供50-100倍的接入數(shù)。一個扇區(qū)能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。高覆蓋：NB-IoT室內(nèi)覆蓋能力強(qiáng)，比LTE提升20dB增益，相當(dāng)于提升了100倍覆蓋區(qū)域能力。不僅可以滿足農(nóng)村這樣的廣覆蓋需求，對于廠區(qū)、地下車庫、井蓋這類對深度覆蓋有要求的應(yīng)用同樣適用。低功耗：NB-IoT聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應(yīng)用，因此設(shè)備設(shè)備續(xù)航時間可以從過去的幾個月大幅提升到幾年。低成本：NB-IoT無需重新建網(wǎng)，射頻和天線基本上都是復(fù)用的。應(yīng)用前景NB-IoT促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，帶來巨大的商業(yè)機(jī)會。相比面向娛樂和性能的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，NB-IoT面向低端物聯(lián)網(wǎng)終端，更適合廣泛部署，可應(yīng)用于以智能抄表、智能停車、智能追蹤為代表的智能家居、智能城市、智能生產(chǎn)等領(lǐng)域。2016年6月16日，NB-IoT技術(shù)協(xié)議獲得了3GPP無線接入網(wǎng)（RAN）技術(shù)規(guī)范組會議通過。在9月完成性能標(biāo)準(zhǔn)制定和12月完成一致性測試后，NB-IoT即可進(jìn)入商用階段。2．HaLow2016年1月，Wi-Fi聯(lián)盟（Wi-FiAlliance）發(fā)布滿足IEEE802.11ah新標(biāo)準(zhǔn)，并將其命名為“HaLow”（低功耗長距離網(wǎng)絡(luò)），以服務(wù)更多的產(chǎn)品。發(fā)展歷程802.11協(xié)議組是國際電工電子工程學(xué)會（IEEE）為無線局域網(wǎng)絡(luò)制定的標(biāo)準(zhǔn)。其中，802.11b/g/n運(yùn)作頻段為2.4GHz，單一天線收發(fā)頻寬40MHz速度最高為802.11n的150Mbps；802.11a/n/ac運(yùn)作頻段則為5GHz，802.11ac單一天線收發(fā)80MHz頻寬最高為433Mbps；802.11ad使用60GHz頻段傳輸，最高速率約可達(dá)6756Mbps左右，但傳輸距離并不長，加入波束成形技術(shù)也僅有10米左右而已；802.11則是專注于傳輸距離、低功耗市場的標(biāo)準(zhǔn)。技術(shù)特點(diǎn)HaLow將采用現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在1MHz下的低頻段運(yùn)行，從現(xiàn)有的2.4Hz寬帶變相擴(kuò)展到900MHz頻段中，從而實(shí)現(xiàn)更大范圍、更低能耗的連接。HaLow的傳輸距離可達(dá)到如今Wi-Fi的兩倍，約1km，而且不僅僅是信號傳輸距離變遠(yuǎn)，Halow在一些對穿墻性能有著較高要求的特定環(huán)境下能夠有效連接，傳輸效能保持在100Kbps以上。應(yīng)用前景這個新標(biāo)準(zhǔn)很大程度上對IoT物聯(lián)網(wǎng)以及連接家用設(shè)備相當(dāng)關(guān)鍵的，如裝載于門內(nèi)的傳感器、燈泡、攝像頭需要足夠的能量在可能較遠(yuǎn)的距離傳送數(shù)據(jù)至控制中心（或路由器），現(xiàn)有的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)就會比較局限，尤其是在電池續(xù)航和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯栴}上。Wi-Fi聯(lián)盟表示，HaLow標(biāo)準(zhǔn)將“廣泛采用現(xiàn)有Wi-Fi協(xié)議”，如IP連接，而且類似路由器一類新設(shè)備也將同時包含2.4GHz和5GHz頻段支持。Wi-Fi聯(lián)盟說，新標(biāo)準(zhǔn)“將促進(jìn)智能家居、汽車、零售業(yè)、農(nóng)業(yè)、智能城市環(huán)境等各種注重能效的應(yīng)用場景”。3．SigfoxSigfox協(xié)議由成立于2009年的Sigfox公司擁有，其創(chuàng)始人是法國企業(yè)家LudovicLeMoan。Sigfox公司專注于M2M/IoT通信，定位提供低速率、低功耗、低價格，基于Sub1Ghz的無線網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。技術(shù)特點(diǎn)Sigfox的網(wǎng)絡(luò)使用超窄帶技術(shù)（UNB）的技術(shù)，每秒處理10到1000比特的數(shù)據(jù)，它采用超窄帶技術(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)設(shè)備消耗50～100微瓦的功率。相比較而言，移動電話通信則需要約5000微瓦。接入Sigfox網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備每條消息最大的長度大約為12字節(jié)，并且每天每個設(shè)備所能發(fā)送的消息不能超過140條。網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍可以覆蓋至1000公里并且每個基站能夠處理100萬個對象。產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀Sigfox正在建立一張與現(xiàn)今GSM/LTE網(wǎng)絡(luò)并駕齊驅(qū)的專用于物聯(lián)網(wǎng)的全球網(wǎng)絡(luò)?；谠摷夹g(shù)的網(wǎng)絡(luò)，不僅成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，而且其網(wǎng)絡(luò)所占用的900MHz無線頻段在美國不需要授權(quán)。當(dāng)電信運(yùn)營商更希望通過部署短波技術(shù)以最大限度地提高攜帶數(shù)據(jù)的時候，Sigfox公司反其道而行，其所使用的是波段是最長波。相對于無線局域網(wǎng)技術(shù)，Sigfox的專用網(wǎng)絡(luò)還具有覆蓋范圍廣、即買即用的特點(diǎn)。接入其網(wǎng)絡(luò)不需要購買網(wǎng)關(guān)、不用進(jìn)行配置、也不需要設(shè)備進(jìn)行配對。Sigfox商業(yè)模式是將其超窄帶網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)營商的蜂窩網(wǎng)絡(luò)搭配使用。目前，Sigfox網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋到西班牙、法國、俄羅斯、英國、荷蘭、美國、澳大利亞、新西蘭、德國等幾十個國家。因?yàn)閮r格便宜，Sigfox已經(jīng)幾乎覆蓋整個法國。4．LoRa2013年8月，Semtech公司發(fā)布了一種新型的基于1GHz以下的超長距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)（LongRange，簡稱LoRa）的芯片。其接受靈敏度達(dá)到了驚人的-148dbm，與業(yè)界其他先進(jìn)水平的sub-GHz芯片相比，最高的接收靈敏度改善了20db以上，這確保了網(wǎng)絡(luò)連接可靠性。LoRaWAN即是基于該芯片組成的網(wǎng)絡(luò)。技術(shù)特點(diǎn)LoRaWAN最大的優(yōu)勢就是低功耗，易組網(wǎng)，成本低，傳輸距離遠(yuǎn)等等，可以滿足長時間的運(yùn)作，電池供電使用時間長達(dá)數(shù)年。目前全球大概有數(shù)百萬個物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)用LoRa技術(shù)。LoRaWAN非常適合大規(guī)模部署，比如在智慧城市中的市政設(shè)施檢測或者無線抄表等應(yīng)用領(lǐng)域。LoRaWAN主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行（即非授權(quán)頻段），包括433、868、915MHz等。LoRaWAN主要由終端（內(nèi)置LoRa模塊）、網(wǎng)關(guān)（或稱基站）、服務(wù)器和云四部分組成，應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀2015年3月，LoRa聯(lián)盟（LoRaAlliance）宣布成立。該聯(lián)盟由Semtech牽頭，發(fā)起成員還有法國Actility，中國AUGTEK和荷蘭皇家電信KPN等企業(yè)，到目前為止，聯(lián)盟成員數(shù)量達(dá)330多家，其中不乏IBM、思科、法國Orange等重量級廠商。目前，LoRaWAN已經(jīng)在世界多地進(jìn)行試點(diǎn)或部署。據(jù)LoRa聯(lián)盟早先的數(shù)據(jù)是有9個國家開始建網(wǎng)，56個國家開始進(jìn)行試點(diǎn)；據(jù)最新公布的數(shù)據(jù)，已經(jīng)有17個國家公開宣布建網(wǎng)計劃，120多個城市地區(qū)有正在運(yùn)行的LoRa網(wǎng)絡(luò)，如美國、法國、德國、澳大利亞、印度等等國家，荷蘭、瑞士、韓國等更是部署或計劃部署覆蓋全國的LoRa網(wǎng)絡(luò)。5．RPMARPMA（RandomPhaseMultipleAccess，隨機(jī)相位多址接入）由美國Ingenu公司開發(fā)。Ingenu公司之前的名稱為OnRamp，成立于2008年。Ingenu為開發(fā)人員提供了收發(fā)器模組以連接到該公司及其合作伙伴在全球范圍內(nèi)建立的RPMA網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)將來自終端節(jié)點(diǎn)的信息轉(zhuǎn)發(fā)至使用者的IT系統(tǒng)。同時，RPMA也可適用于想要搭建私有網(wǎng)絡(luò)的客戶人群。技術(shù)特點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力強(qiáng)。RPMA基站的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍極廣，覆蓋整個美國和歐洲大陸分別只需要619個基站和1866個基站，而對應(yīng)采用LoRa則分別需要10830個基站和43319個基站；采用Sigfox則分別需要6840個基站和24837個基站?；緮?shù)目的減少大大降低了物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)及運(yùn)營成本，因而從長期來看其經(jīng)濟(jì)效益更高。系統(tǒng)容量大。以美國大陸為例，如果物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備每小時傳輸100個字節(jié)的信息，那么采用RPMA可以接入249232個設(shè)備，而采用LoRa和Sigfox則分別只能接入2673個設(shè)備和9706個設(shè)備。能夠充分降低設(shè)備能耗，進(jìn)而盡可能地延長電池的使用壽命。RPMA采用功率控制和信息傳輸確認(rèn)的辦法來減少重新傳輸?shù)拇螖?shù)，終端在數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈g隔進(jìn)入深度睡眠狀態(tài)來減少功耗，延長電池壽命。采用統(tǒng)一頻率，方便漫游。RPMA技術(shù)采用的是2.4G頻段，該頻段在全球都屬于免費(fèi)頻段，這樣RPMA的設(shè)備可以在全球?qū)崿F(xiàn)漫游。Sigfox在歐洲使用的是868MHz的頻率，在美國使用的是915MHz的頻率，而868和915這兩個頻率在中國已被占用，實(shí)現(xiàn)漫游比較困難。雙向通訊，可以廣播。RPMA采用的是雙向通訊的方式，可以通過廣播的方式對終端設(shè)備進(jìn)行控制或升級。Sigfox采用的是單向傳輸，Lora采用的是半雙工的通訊方式。產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀為迅速占領(lǐng)低功耗廣域網(wǎng)市場，Ingenu表示，該公司已經(jīng)在全球超過45個國家和地區(qū)部署其2.4GHz網(wǎng)絡(luò)RPMA，該公司目標(biāo)在2016年底于美國30個城市建立600個通訊塔，覆蓋七成的美國國土。此外Ingenu也打算與更多晶片、模組及系統(tǒng)供應(yīng)商建立伙伴關(guān)系，圍繞RPMA技術(shù)打造健康的生態(tài)系統(tǒng)，進(jìn)一步推進(jìn)RPMA的市場應(yīng)用。表1低功耗廣域網(wǎng)主流技術(shù)指標(biāo)比較一覽指標(biāo)\名稱NB-IoTHaLowSigFoxLoRaWANRPMA頻帶蜂窩1GHz以下868MHz/902MHz433/868/780/915MHz2.4Ghz信道寬度200kHz1/2/4/8/16MHz超窄帶8×125kHz（歐洲）、64×125kHz/8×125Khz（美國）、Chirp擴(kuò)頻（調(diào)制）1MHz（40個頻道可用）覆蓋范圍2.5～5公里1公里（室外）30～50公里（農(nóng)村）、310公里（城市）、1000公里（視距條件下）2～5公里（城市）、15公里（農(nóng)村）＞500公里（視距條件下）終端節(jié)點(diǎn)

傳輸功耗20dBm0-30dBm-10dBm-20dBm＜+14dBm（歐洲）、

＜+27dBm（美國）20dBm分組長度100～1000字節(jié)7991～65535字節(jié)12字節(jié)用戶定義6～10000字節(jié)上行數(shù)據(jù)速率約55Kbps150Kbps～346.666Mbps100bps、每天140條消息300bps～50Kbps（歐洲）、900bps～100Kbps（美國）624Kbps下行數(shù)據(jù)速率約40Kbps150Kbps～346.666Mbps最大每天8字節(jié)4條消息300bps～50Kbps（歐洲）、900bps～100Kbps（美國）156Kbps每個接入點(diǎn)的設(shè)備超過2萬個8191個100萬個上行大于100萬個，

下行小于10萬個384000拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星型星型、樹型星型星型星型、樹型主要推動者3GPPIEEE802.11工作組Sigfox公司LoRa聯(lián)盟Ingenu（原OnRamp）目前進(jìn)展2016年底后實(shí)現(xiàn)商用2016年發(fā)布，2018年商用部署中部署中部署中資料來源：ImageSource:EDN.com–Copyright2015UBMAmericas.[1]上海微技術(shù)工研院（SITRI）.

一篇文章讀懂NB-IoT（上）[OL].物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)投平臺（2016-09-20）[2016-11-23].

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[2]子月.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之爭：LoRa不懼NB-IoT挑戰(zhàn)，兩者各有千秋[OL].C114中國通信網(wǎng)（2016-09-02）[2016-11-23]./m2m/2485/a970657.html.

[3]lime.在美國火過NB-IoT、LoRa的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)RPMA正式登錄中國[OL].物聯(lián)網(wǎng)智庫（2016-10-19）[2016-11-23]./dghgyw/2016-10-19/12304.html.

[4]doodle.物聯(lián)網(wǎng)低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWAN）技術(shù)全面詳解[OL].電子發(fā)燒友網(wǎng)（2016-05-19）[2016-11-23]./iot/419114.html.

[5]張亞.一文看懂NB-IoT所有貓膩：華為如此青睞的原因？[