2022年物联网七大协议 .pdf

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

2、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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - -

3、- - - 第 1 页，共 21 页 - - - - - - - - - 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、名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - -

4、- - - - - 第 2 页，共 21 页 - - - - - - - - - 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N

5、B-IoT 就有点像快递中的顺丰。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 21 页 - - - - - - - - - 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。NB-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

6、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 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 21 页 - - - - - - - - - 但是，我们也不要忽略了3GPP 的另一股力量 LT

7、E-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

8、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 网名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 21 页 - - - - - - - - - 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

9、，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）性能名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 21 页 - - - - - - - - - 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

10、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-M

11、1 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：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 21 页 - - - - - - - - - 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

12、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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - -

13、- - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 21 页 - - - - - - - - - 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

14、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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - -

15、 - - - 第 9 页，共 21 页 - - - - - - - - - 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

16、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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - -

17、 - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 21 页 - - - - - - - - - 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名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 21 页 - - - - - - - - - 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

18、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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 21 页 - - - - - - - - - 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

19、120 字节的LPWAN 技术是小汽车，那么Sigfox 就是摩托车。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 21 页 - - - - - - - - - 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，可以增加连接数量名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 21 页 - - - - - - - - - 3

20、 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 组网结构图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 21 页 - - - - - - - - - 目前大多数的网络采用网状拓朴，然

21、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

22、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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 21 页 - - - - - - - - - 由IBM 和思科领衔的 LoRa 大军同样声势浩大。LoRa

23、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 网络构架图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 21 页 - - - - - - - - - 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

24、-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 界的一匹黑马名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 21 页 - - - - - - -

25、 - - 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

26、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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - -

27、 - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 21 页 - - - - - - - - - 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-Q

28、PSK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

29、，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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 21 页 - - - - - - - - - IEEE还计划采用电视白频道频段54790MHz 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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 21 页，共 21 页 - - - - - - - - -