蜂窩網(wǎng)絡物聯(lián)網(wǎng)

如前面所述，蜂窩網(wǎng)絡正在基于LTE開發(fā)面向IoT互連的解決方案，這個行業(yè)的總體發(fā)展路線就是在現(xiàn)有的LTE版本上進行開發(fā)并且繼續(xù)完善，包括降低復雜性和成本，隨著這個過程的展開，蜂窩網(wǎng)絡技術將會變得更適合廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應用，最終會促進第五代蜂窩網(wǎng)絡技術5G的推出。

業(yè)界的共識主要是集中在三種不同標準的使用，在最新發(fā)布的標準Release 13中都有介紹，這些規(guī)范最終也會集成到5G標準中。理想情況下這些解決方案都應該在頻率低于1GHz的情況下來實現(xiàn)，因為在這種條件下有利于遠程傳輸和建筑物的滲透：

LTE-M：也被稱為增強型機器通信（eMTC），從Release 12標準發(fā)展而來，并且在Release 13標準中做了進一步改進。

NB-IoT：Release 13標準中涉及到的LTE窄頻帶版本。

EC-GSM-IoT：面向IoT的擴展覆蓋GSM是全球移動通信系統(tǒng)的擴展版本，在Release 13中對IoT應用進行了優(yōu)化，可以與GSM運營商一起實現(xiàn)部署。

5G：將會在2020年完成標準化，會在NB-IoT和EC-GSM-IoT基礎上增強。

一個大膽的推測是因為物聯(lián)網(wǎng)應用的要求與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡操作存在著明顯的不同，使用節(jié)能模式未來的發(fā)展應該會積極影響電池壽命，降低復雜度和設備成本，通過共享的運營設施來降低部署成本，采用更高級的編碼技術并增加信號密度可以實現(xiàn)更大范圍的網(wǎng)絡覆蓋。

表1展示了蜂窩網(wǎng)絡技術的發(fā)展，比如說面向傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡應用在Release 8中提供了高達150Mb/s的峰值下行速率，然而數(shù)據(jù)速率在窄頻帶急劇下降到150Kb/s來適應物聯(lián)網(wǎng)應用要求，用戶設備的通道帶寬也是如此，在Release 8標準中其從最大的18MHz下降到180KHz。另一個重要的因素是調制解調的復雜性，隨著不斷的發(fā)展其大概降低了85%。簡而言之，為了滿足物聯(lián)網(wǎng)應用的需求，蜂窩網(wǎng)絡技術的發(fā)展在很多方面都與傳統(tǒng)語音和數(shù)據(jù)服務要在5G中實現(xiàn)的標準正好相反，也就是說，與其提高數(shù)據(jù)速率，還不如整體上降低蜂窩物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡和組件的復雜度。

LPWAN標準的一些選擇

LPWAN提供商使用開源的標準比如LoRaWAN，由LoRaWAN聯(lián)盟來管理，或者采用專屬的解決方案比如Sigfox，它們都是在為授權的頻帶范圍內運行，雖然Sigfox聲稱它是全球領先的物聯(lián)網(wǎng)互連服務，已經(jīng)在32個國家（大部分在歐洲）中使用，但是LoRaWAN已經(jīng)獲得了行業(yè)最廣泛的認可，其聯(lián)盟成員超過400，這意味著LoRa基帶和RF硬件成本會繼續(xù)降低，目前已經(jīng)降低了一半以上，隨著規(guī)模的擴展成本將會進一步下降。

LoRaWAN

能夠區(qū)分LoRa、LoRaWAN和LinkLabs提供的產(chǎn)品是非常重要的，因為這確實有點讓人困惑。LoRa是LoRaWAN聯(lián)盟管理的開放標準的物理層，而LoRaWAN則是提供網(wǎng)絡功能媒體訪問控制（MAC）層，LinkLabs是LoRaWAN聯(lián)盟的一個成員，它采用SematechLoRa芯片組，并提供了Symphony Link的解決方法，該方案有一些專屬特性，比如在沒有網(wǎng)絡服務器條件下操作的能力，Symphony Link使用八通道基站，操作頻率在433MHz或915MHz的工業(yè)、科學和醫(yī)療（ISM）波段內以及歐洲采用的868MHZ頻帶。它傳輸?shù)木嚯x至少是10英里，借助云服務器采用WiFi、蜂窩網(wǎng)絡或者以太網(wǎng)來傳輸數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)路由消息處理、供應和網(wǎng)絡管理等功能。

Sigfox

Sigfox標準是一家法國同名公司設計的，它與LoRaWAN主要的區(qū)別之一是Sigfox擁有從外圍或服務器和終端的所有技術，它實際上是整個生態(tài)網(wǎng)絡的供應商，某些情況下它也是網(wǎng)絡運營商，然而這家公司允許它的終端技術可以被任何同意其條款的組織免費使用，這樣它已經(jīng)能夠與主要的物聯(lián)網(wǎng)設備供應商，甚至一些無線運營商建立聯(lián)系，與LoRaWAN一樣，Sigfox也在繼續(xù)不斷的擴大市場份額，特別是在歐洲，其支持的傳輸距離完全符合歐盟制定的準則，為了滿足聯(lián)邦通信委員會（FCC）的規(guī)定，美國使用的版本則有很大的不同，Sigfox唯一的缺點就是它的專有特性。

Weightless

在IoT互連解決方案中Weightless是比較獨特的一種，它是一個真正的開放標準，目前由Weightless特別權益組織來管理，它的名字來自于它的“輕量級”協(xié)議，通常每次傳輸只傳輸幾個字節(jié)的數(shù)據(jù)，這對于那些通信只需要傳輸很少數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)設備是很好的選擇，比如某些類型的工業(yè)和醫(yī)療設備、智能電表和水表。與許多其他標準不同的是Weightless運行在所謂的TV空閑頻帶，低于1GHz，當它們從模擬到數(shù)字傳輸轉換時，無線廣播公司會將這頻帶空出，由于頻率低于1GHz，因為它們具有較大的覆蓋范圍，從基站發(fā)射的功率也較低，穿透建筑物和其他對于RF信號有挑戰(zhàn)的結構的能力也比較強。

目前Weightless有兩個版本：

Weightless-N是超窄頻帶，單通通信技術

Weightless-P是該公司推出的旗艦雙向通信技術，具有電信級的性能和安全，并且采用極低的功耗。

Nwave

Nwave是一種基于SDR（軟件定義無線電）的超窄頻帶技術，能夠在授權和未授權的頻帶范圍內運行，基站能夠容納100萬臺物聯(lián)網(wǎng)設備，覆蓋10KM的范圍，RF信號輸出功率在100mW左右，數(shù)據(jù)速率可達100bps，這家公司聲稱采用電池驅動的設備可以持續(xù)運行長達10年之久，當在1GHz頻率下運行時，Nwave能夠利用該區(qū)域理想的傳輸特性。

Ingenu

Ingenu（之前稱為On-Ramp Wireless）基于多年的研究已經(jīng)開發(fā)出雙向的解決方案，實現(xiàn)了專有的直接序列擴頻調制技術，稱為RPMA（隨機相位多址接入），RPMA的設計目的是在2.4GHz頻段內提供高容量、安全且范圍廣泛的互連方案。

在美國單個RPMA接入點能夠覆蓋176平方米的區(qū)域，這比Sigfox和LoRa標準都要大得多，它具有最小的開銷、低延遲和廣播功能，能夠同時向大量設備發(fā)送命令，硬件、軟件和其他功能僅限于該公司所提供的，這家公司要搭建自己的公共和私有網(wǎng)絡，專用于機器對機器之間的通信。

總結

由于只有蜂窩網(wǎng)絡和LPWAN提供商正在爭奪長期市場的霸主地位，所以與那些短距離解決方案要求相比，很容易就認為設計師的工作是簡單的，一條不變的真理就是每個競爭的技術都提供了不同程度的擴展，這些會幫助增強它們的能力，但同時也帶來了更大的設計挑戰(zhàn)。

對于終端用戶來說，選擇“正確”的解決方案通常會歸結為他們所在領域有哪些可用的服務，以及相應的費用，然而如果多個無線運營商和LPWAN提供商都能在同一個區(qū)域提供服務，那么下決定就有些難了，對于物聯(lián)網(wǎng)互連領域來講，確定最終的贏家將需要數(shù)年的時間。