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        1. 常見的幾大物聯網通訊技術優缺點分析

          2019-03-06 11:17:59分類:行業資訊

            物聯網是當前所有通訊技術與計算機、互聯網的結合,物聯網主要是實現物與物之間,人與物之間,動物與物之間的相互連接溝通及環境與信息狀態的實時共享以及智能化的收集、處理、傳遞、執行,也就是說只要涉及到信息技術的應用,都可以納入物聯網的范疇。在物聯網的普及過程中,無線技術將扮演著越來越重要的角色,筆者通過常見的幾種LPWAN無線通訊技術(NB-IoT/eMTC/LoRa)對比,探討物聯網大勢下的無線技術各自的特點和應用場景。
           

          物聯網通訊技術
           

            一、NB-IoT

            NB-IOT全稱為Narrow Band-Internet of Things,窄帶物聯網,NB-IOT屬于物聯網范疇的一種技術。是由華為主導,并已成為3GPP標準的LPWA技術。NB-IOT基于現有蜂窩網絡的技術,可以通過升級現網來快速支持行業市場需求,成為GUL網絡上的第四種模式。同時,NB-IOT還具有覆蓋廣(能覆蓋到地下)、電池壽命長(超過十年)、成本低(每個模塊不足5美元)、容量大(單個小區能支持10萬連接)四大能力。

            技術優勢

            NB-IoT具備四大特點:一是廣覆蓋,將提供改進的室內覆蓋,在同樣的頻段下,NB-IoT比現有的網絡增益20dB,相當于提升了100倍覆蓋區域的能力;

            二是具備支撐海量連接的能力,NB-IoT一個扇區能夠支持10萬個連接,支持低延時敏感度、超低的設備成本、低設備功耗和優化的網絡架構;

            三是更低功耗,NB-IoT終端模塊的待機時間可長達10年;

            四是更低的模塊成本,企業預期的單個接連模塊不超過5美元。

            NB-IOT聚焦于低功耗廣覆蓋(LPWA)物聯網(IOT)市場,是一種可在全球范圍內廣泛應用的新興技術。其具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構優等特點。NB-IOT使用License頻段,可采取帶內、保護帶或獨立載波三種部署方式,與現有網絡共存。

            應用場景

            NB-IOT最常應用于智能水表、智能停車、寵物智能跟蹤三大典型應用場景,在NB-IOT的后期規劃中,還會涉及到智能自行車、智能煙霧檢測器、智能垃圾桶、智能路、智能售貨機等方面。

            面臨的挑戰

            第一,互操作和一致性問題。2015年,NB-IoT的主要成員,包括沃達豐、愛立信、Telefonica和GSMA開展了面向NB-IoT設備的簡單的互操作和一致性認證試驗。沃達豐還在英國紐伯里建立了專用NB-IoT實驗室,2016年下半年在德國杜塞爾多夫繼續開放進一步的實驗室研究。

            第二,部署和長期支持。NB-IoT部署的最大問題是時間和成本,根據沃達豐的估計,85%的企業基站可支持NB-IoT,只需進行軟件的升級,但對基站陳舊的網絡運營商,則需對硬件進行升級。這將導致NB-IoT網絡建設的成本增加和時間消耗。另一個問題是全球M2M漫游。理論上,運營商需支持三種標準,分別是:CAT-M,EC-GSM,NB-IoT,以及GPRS。此外,端點需要OTA升級,以提供安全性和其它升級。

            第三,應用和商業模式。為了建立NB-IoT應用和商業模式,移動通信行業需要盡快建立合作伙伴生態圈。例如:德國電信已在柏林和波蘭的克拉科夫建立了NB-IoT原型樞紐,這些樞紐被納入孵化器中,為開發者提供快速學習的環境,激勵新的商業模式思考、縮短產品市場化的時間。

            第四,與LPWAN(低功耗廣域物聯網)技術的競爭。LoRa和Sigfox已被證明是重要的發展技術,其中,Sigfox已在24個國家投入使用,LoRa繼續在一些國家、專網和社區網建設中使用。由于NB-IoT在近期內不會大規模部署,其它技術競爭者仍有機會確定自己的市場定位。

            目前,NB-IoT的市場普及在各國間存在差異。在許多國家,潛在的運營商可能面臨來自非移動LPWAN網的強有力競爭。例如,在荷蘭,KPN已建立了國家LoRa網,在這種情況下,它可能不太會采用NB-IoT。

            第五,確定正確的市場進入戰略。LPWAN的應用具有在非常規的間隔中發送小數據有效載荷的特性。潛在的用戶可能需要更多低價值的服務。在這種情況下,NB-IoT運營商需要開發相應的戰略,應對這樣的市場需求。主要策略包括:建立市場與品牌間的平衡;擴大市場占有率,不僅限于傳統的M2M業務;在低端市場避免成本價格戰,側重于可控制價格溢價的應用;探索新商業模式以創造價值,加強垂直行業合作。

            第六,定價計劃的設計,主要是物聯網數據計劃。目前,運營商仍在嘗試中。例如:韓國電信最近推出覆蓋全國的LoRa網,推出6種數據計劃,每一計劃對應于使用不同頻段的數據應用。它的定價模式是:LoRa的數據計劃價格只相當于基于LTE的物聯網業務的十分之一。在擁有LoRa或Sigfox業務的國家,NB-IoT的資費不得不保持合理的競爭區間。而在英國,由于沒有國家LPWAN網絡,NB-IoT運營商在設計定價結構時,會有更多回旋余地。

            此外,低速數據傳輸、隱私和安全、IT系統的轉換時間等問題,都將限制其發展。
           

          物聯網通訊技術
           

            二、eMTC

            LTE-M,即LTE-Machine-to-Machine,是基于LTE演進的物聯網技術,在R12中叫Low-Cost MTC,在R13中被稱為LTE enhanced MTC,即eMTC,旨在基于現有的LTE載波滿足物聯網設備需求。

            eMTC基于蜂窩網絡進行部署,支持上下行最大1Mbps的峰值速率,屬于物聯網中速率,其用戶設備通過支持1.4MHz的射頻和基帶帶寬,可以直接接入現有的LTE網絡。LTE在不斷演進的過程中,最新的eMTC和NBIoT都進一步優化了系統的成本、增強了續航能力、擴大了覆蓋范圍。eMTC的最關鍵能力在于支持移動性并可以定位,成本只有Cat1芯片的25%,相比于GPRS速率要高四倍。

            技術優勢

            窄帶LTE其中最主要的幾個特性。第一,系統復雜性地大幅度降低,復雜程度及成本得到了極大的優化。

            第二,功耗極度降低,電池續航時間大幅度增強。

            第三,網絡的覆蓋能力大大加強。

            第四,網絡覆蓋的密度增強。

            eMTC具備LPWA基本的四大能力:一是廣覆蓋,在同樣的頻段下,eMTC比現有的網絡增益15dB,極大地提升了LTE網絡的深度覆蓋能力;二是具備支撐海量連接的能力,eMTC一個扇區能夠支持近10萬個連接;三是更低功耗,eMTC終端模塊的待機時間可長達10年;四是更低的模塊成本,大規模的連接將會帶來模組芯片成本的快速下降,eMTC芯片目標成本在1~2美金左右。

            應用場景

            應用在智能物流中,具有防盜、防調換、實時溫度傳感和可定位優勢,能夠實時監控及定位,將信息記錄及上傳,可以對行駛軌跡查詢;在智能可穿戴設備中,可支持健康監測、視頻業務、數據回傳和定位;依靠目前的蜂窩網交互屏幕,提供包括智能充電樁、候機寶、電梯衛士、智能公交站牌、公共自行車管理等方面的應用場景。

            面臨的挑戰

            eMTC業務特征對VoLTE業務的適用性分析

            eMTC與NB-IoT的典型特性差異在于,eMTC終端工作帶寬可以達到1.08MHz,遠遠高于NB-IoT終端的200kHz,因此,eMTC終端的峰值速率遠遠高于NB-IoT終端。基于上述特征,業界普遍認為eMTC技術能夠提供較為低廉的VoLTE終端方案,并能夠具備較好的業務質量,但通過詳細的技術分析,采用eMTC技術支持語音業務或提供語音解決方案,實際效果可能難以樂觀。

            低功耗特征

            為了能夠在電力供應受限環境中提供物聯網服務,像NB-IoT一樣,eMTC也將低功耗作為系統設計目標,期望能夠基于較小容量的電池,支持終端10年免維護,并且與NB-IoT一樣采用了eDRX(Extended Discontinuous Reception)和PSM(Power Saving Mode)兩種節電技術。對于典型的低頻次物聯網業務,比如自動抄表類,由于業務頻次非常低,采用這兩種技術可以讓終端長期處于休眠狀態,只在需要進行數據傳輸的時候進行工作,因此可以非常節電,但這種良好的節電效果只對頻次較低的業務有效,對于VoLTE業務而言,終端需要經常監聽網絡尋呼,以及時響應到達的呼叫,所以無法采用eDRX和PSM技術的節電機制。

            大連接特征

            萬物互聯的要求,需要物聯網技術能夠服務海量的終端,為此3GPP設計了CP(Control Plane)優化與UP(User Plane)優化兩種空口技術優化方案,對于小包傳送的物聯網業務,可以節省大量的空口信令,提升傳輸效率。但對于VoLTE語音業務,是無法采用CP及UP優化方案提升容量的,因此eMTC對于VoLTE不具有提升容量的能力。

            廣覆蓋特征

            考慮到有些物聯網終端往往處于建筑物內部的較深位置,典型的比如水表,所處環境往往信號非常微弱,eMTC設計了重復技術以增強覆蓋,通過上、下行無線信號的重復,可以在接收端累積信號能量,從而增強覆蓋。但正是由于無線信號的重復,造成平均業務速率降低,也就是說,這種覆蓋增強技術是以業務速率降低為代價換取的,所以,對于VoLTE這種需要一定速率保障的業務而言,eMTC的覆蓋增強技術沒有帶來任何好處。

            低成本eMTC終端方案

            eMTC終端(芯片)的低成本方案主要包括:較小工作帶寬,eMTC終端的工作帶寬為1.08MHz,這種工作帶寬雖然比NB-IoT更高,但相較于普通LTE終端卻低了許多,能夠降低器件價格以及芯片計算能力要求,從而降低總體價格;較低的峰值速率,相對LTE而言,較低的峰值速率降低了芯片計算能力和Buffer要求,從而降低芯片價格;單終端接收天線,降低射頻器件成本;半雙工方案,可以省下終端射頻的雙工器,從而降低終端的成本。

            LoRa

            LoRa是LPWAN通信技術中的一種,是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。這一方案改變了以往關于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式,為用戶提供一種簡單的能實現遠距離、長電池壽命、大容量的系統,進而擴展傳感網絡。

            目前,LoRa主要在全球免費頻段運行,包括433、868、915 MHz等。LoRa技術具有遠距離、低功耗(電池壽命長)、多節點、低成本的特性。LoRa網絡主要由終端(可內置LoRa模塊)、網關(或稱基站)、Server和云四部分組成。應用數據可雙向傳輸。

            技術優勢

            按需部署:LoRa可以根據應用需要,規劃和部署網絡、根據現場環境針對性放置基站/網關、更容易做到無縫覆蓋,而改善覆蓋質量還可以降低功耗,提高系統容量、個人,企業或機構可部署,并且可以滿足安全需求,數據也可私有。

            輕量級:相比于其他的LPWAN技術協議,LoRa的系統復雜度更低,硬件實現簡單,對資源要求較低,輕量級的LoRaWAN協議,軟件實現簡單,部署實施簡單。

            低成本:LoRaWAN模塊量產,價格已經在USD5以下,并逐漸接近2G模塊價格,室外型基站已低至USD500左右,室內型USD100,從國外運營商來看,LoRa月租可達eMTC月租的1/5~1/10甚至更低。

            NB—IOT與LORA對比

            有效應對低ARPU:單個連接的APRU很低,高額投資將面臨低收益率問題,高質量,輕量級,低成本才是有效的應對途徑。

            開放的生態,成熟的產業鏈:節點,網關和云服務器全開放,各種量級的設備供選擇,網絡可以自己運營,不同的商業和運營模式。

            投資回報較高,經濟可行:若是只考慮基站的投資的話,LoRa的回報率為,基站以平均RMB5000計,6.25個月(半年)收回基站投資。NB-IOT的回報率為,綜合考慮基站升級和新建,假設平均15萬元/站,187.5個月(15.6年)收回基站投資。

            應用場景

            LoRa技術非常適用于要求功耗低、距離遠、大量連接以及定位跟蹤等的物聯網應用,如智能抄表、智能停車、車輛追蹤、寵物跟蹤、智慧農業、智慧工業、智慧城市、智慧社區等等應用和領域。

            面臨的挑戰

            城市級網絡覆蓋:LoRa沒有運營商的支出,布網方面先天弱勢。

            頻譜資源:LoRa采用免費頻段,可能存在干擾問題,盡管LoRa本身抗干擾能力強,LoRaWAN協議本身也有規避干擾的措施。但物理干擾難于完全避免。

            應對措施:去碎片化,建設統一的廣域網網,絡共建,資源共享。同時需要做到更輕量級,更低成本,LoRaWAN模塊的成本需要向2G模塊的成本看齊,甚至向WiFi模塊靠近。

            在物聯網技術發展產品化的過程中,我國一直缺乏一些關鍵技術的掌握,所以產品檔次上不去,價格下不來。缺乏RFID等關鍵技術的獨立自主產權這是限制中國物聯網發展的關鍵因素之一。和美國相比,國內物聯網產業鏈完善度上還存在著較大差距。雖然國內三大運營商和中興華為這一類的系統設備商都已是世界級水平,但是其他環節相對欠缺。物聯網的產業化必然需芯片商、傳感設備商、系統解決方案廠商、移動運營商等上下游廠商的通力配合,所以要在我國發展物聯網,在體制方面還有很多工作要做,如加強廣電、電信、交通等行業主管部門的合作,共同推動信息化、智能化交通系統的建立。

            物聯網應用領域十分廣泛,許多行業應用具有很大的交叉性,但這些行業分屬于不同的政府職能部門,要發展物聯網這種以傳感技術為基礎的信息化應用,在產業化過程中必須加強各行業主管部門的協調與互動,以開放的心態展開通力合作,打破行業、地區、部門之間的壁壘,促進資源共享,加強體制優化改革,才能有效的保障物聯網產業的順利發展。

            對于物聯網通訊技術,每種技術都有特點和優勢,滿足不同的訴求和市場,多LPWAN技術將百花齊放,共生共存。

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