各有長短 LPWAN技術將互補、共存

作者 : Luffy Liu,EE Times China

任何一種物聯網技術都有最適合其應用的場景,所以沒有完美的技術,只有最適合的選擇;營運商會根據實際情況選擇混合組網。從技術和應用層面看,授權和非授權LPWAN技術未來雖然會在某些領域存在競爭,但整體會以「互補、共存」為主,而非相互競爭取代。

在低功耗廣域網路(LPWAN)誕生之前,智慧家庭、工業物聯網等應用場景通常採用短距離通訊技術,例如Wi-Fi、藍牙、zigbee等;但對於更大範圍、遠距離的連結,則仰賴電信營運商網路的2G、3G、4G等。如果把這些無線通訊技術按照功耗與傳輸距離兩個標準來區分的話,就發現缺乏能夠同時滿足「低功耗」和「長距離」這兩個特點的技術,LPWAN技術的出現正好彌補了這個缺口。

什麼是LPWAN

LPWAN是一種遠距離、低功耗、低頻寬的無線通訊網路,多數LPWAN技術可以實現幾公里甚至幾十公里的網路覆蓋,解決物聯網產業存在的終端功耗高、海量終端連接、廣域覆蓋能力不足和成本高等困難,適合大規模佈署。

LPWAN並不單指某一種技術,而是各種低功耗、廣域網路技術的組合,與藍牙、RFID、蜂巢式M2M和ZigBee等其他無線網路通訊協定相較,它們普遍擁有以下特點:

  • 低功耗:電池壽命可長達 10 年;
  • 遠距離:覆蓋範圍廣,可達幾十公里,在城市環境中的工作範圍通常也超過2公里;
  • 低資料速率:佔用頻寬小、傳輸的資料量少、通訊頻率低;
  • 傳輸延遲不敏感:對資料傳輸即時性要求不高;
  • 低成本:由於規模大,要求佈署的成本低。

 

 

LPWAN的不同技術流派

在物聯網需求爆發式成長的同時,物聯網技術標準混戰不斷升級,LPWAN中技術流派的競爭可謂異常激烈。LPWAN可分為兩類:一類是工作於未授權頻譜的LoRa、SigFox等技術,也可稱為非蜂巢式LPWAN;另一類是由3GPP主推基於授權頻譜,採用蜂巢式通訊技術的EC-GSM、LTE Cat.1/0/M1 (eMTC)、NB-IoT等,也可稱為蜂巢式LPWAN。

在眾多LPWAN技術中,NB-IoT、eMTC與LoRa是目前使用最多,也是爭議最多的,常被用來互相比較,但其實他們在技術定位和應用領域都有區別。

授權頻譜

授權頻譜物聯網技術中,按照網路速率劃分,高速率可用Cat 4以上及5G承載,低速率可用NB-IoT承載,中速率則可以用Cat 1或eMTC承載。

eMTC是3GPP對LPWAN解決方案的強烈興趣做出的回應,該解決方案在保留資源的同時支持標準LTE連接;NB-IoT是為挑戰Sigfox和LoRa聯盟誕生的一種3GPP架構,它與eMTC的不同之處在於它在LTE架構之外運作;Cat.1近來很熱門,它和eMTC都能夠承載3G退網後的語音、中低速率市場,介於連網高速率(5G和4G LTE)和低速率(2G GPRS和NB-IoT)之間。

以中國大陸為例,目前市場主推NB-IoT,這種基於蜂巢式的窄頻物聯網支援對現有蜂巢式基礎設施進行軟體更新,例如升級現有的 LTE 和 GSM 基地台;重複利用現有的2G或3G頻譜,可迅速地實現海內外的覆蓋與佈署。

eMTC是基於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。主要特點是傳輸速率更高、延遲更低、支援切換和VoLTE語音通訊,可以應用在語音通話等對移動性、傳輸速率有較高需求的場景。

兩者相比,NB-IoT比eMTC提升20dB增益,相當於提升了100倍覆蓋區域能力,建築物穿透能力也更好,在智慧城市應用方面具有潛在優勢。NB-IoT聚焦小資料量、小速率應用,設備功耗非常小,尤其是DRX (不連續接收)技術的使用,讓終端只在需要的時候工作。

另一方面,NB-IoT由於是窄頻物聯網, 低速率的特性雖可承接部分2G市場,卻難以承接2G/3G語音通話、中速率、移動連結等需求,具有更高資料速率的eMTC/Cat.1更適合該領域。成本方面,NB-IoT簡化射頻硬體、簡化協定和減小基頻複雜度,降低了整體元件成本,採用eMTC/Cat.1的晶片方案則通常較貴。

非授權頻譜

使用非授權頻段的LPWAN技術包括Sigfox、LoRa、Weightless等,由於使用公開非授權頻段,因此進入門檻低、搭建簡單、商業化進程較快。

  • LoRa

LoRa是一個實體層的無線數位通訊調變技術,稱為擴頻連續調頻調變技術(Chirp Modulation),其最大特點是基於Sub-1GHz的免費頻段,在同等功耗下比傳統的無線射頻通訊距離擴大3~5倍,達1~20km。

LoRa終端可使用電池供電或其他能量收集的方式供電,電池壽命可達3~10年。同時0.3~50kbps較低的資料速率也延長了電池壽命和增加了網路容量,實現了低功耗和遠距離的統一。

LoRa訊號對建築的穿透力也很強,應用場景包括智慧農業中的低功耗、低成本感測器;工業自動化中的電池設備追蹤、狀態監控;物流追蹤或定位,LoRa在高速移動時通訊相對於NB-IoT更穩定。

  • SigFox

SigFox雖然也採用非授權頻譜,但在海外營運商中擁有較強的生態系統,在歐洲的推廣非常成功,在全球範圍內也有自己的基地台,目前在全球接近60個國家/地區開通了網路。

SigFox運作於868MHz和902MHz的ISM頻段,消耗很窄的頻寬或功耗。因此適用於僅需要發送少量、不頻繁資料突發的系統,例如停車感測器、水錶和智慧垃圾桶。其缺點是當資料發送回感測器/設備(下行鏈路能力)時會受到嚴重限制,並且還會存在訊號干擾問題。

LoRa與Sigfox都具有長距離、低功耗的特點,可延長電池壽命,實現大範圍的資訊傳輸,且均使用非授權的Sub-1GHz ISM頻段,不需額外付出授權費用。LoRa和Sigfox的每日傳輸次數都有限制,適合在沒有即時通訊需求的領域使用。

  • Ingenu

Ingenu (之前稱為On-Ramp Wireless)基於多年的研究已經開發出雙向的解決方案,實現了專有的直接序列擴頻調變技術,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、安全且範圍廣泛的互連方案。

在美國單個RPMA接入點能夠覆蓋176平方公尺的區域,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送命令。不過硬體、軟體和其他功能僅限於該公司所提供的,並且需要搭建自己的公共和私有網路,專用於機器對機器之間的通訊。

  • Symphony Link

Link Labs是LoRa聯盟成員,因此使用的是LoRa晶片。然而,Link Labs並沒有使用LoRaWAN,而是在Semtech名為Symphony Link的晶片之上構建了專有的MAC層(軟體)。與LoRaWAN相比,Symphony Link增加了一些重要的連接功能,包括有保證的消息接收、無線韌體升級、占空比限制的刪除、中繼器功能和動態範圍。

  • Weightless SIG

Weightless SIG成立於2008年,其使命是標準化LPWAN技術。Weightless SIG是唯一真正的開放標準,可在Sub-1GHz的免執照頻譜中運作。有三種版本的Weightless可用於不同目的: Weightless-W,利用空白(須執照電視頻段中未使用的本地頻譜);Weightless-N,由NWave技術誕生的免授權頻譜窄頻協議;Weightless-P,M2COMM Platanus技術誕生的雙向協議。

其中Weightless-N和Weightless-P更受歡迎,因為Weightless-W電池壽命更短。Nwave的Weightless-N與SigFox在功能上非常相似,但擁有更好的MAC層實現;它聲稱使用「先進的解調技術」,使其網路能夠與其他無線電技術共存而不會產生額外的雜訊。像SigFox一樣,它最適用於感測器網路、溫度讀數、儲存槽水位監控、智慧計量等類應用。

Weightless-P標準在12.5 kHz窄頻中使用FDMA + TDMA調變(大於SigFox但小於LoRa)。它還具有自我調整資料速率,類似於Symphony Link (200 bps到100 kbps)。靈敏度非常高,在625 bps時為-134 dBm,支援PSK和GMSK調變。對於私人網路,更複雜的應用案例以及控制上行鏈路數據和下行鏈路數據非常重要的情況,Weightless-P是有意義的。Weightless-P的開發套件現在才剛剛開始上市。

不同派系LPWAN技術佈署現狀

根據研究機構Ovum在 2019年第四季發佈的物聯網與LPWAN佈署追蹤報告,包含授權頻譜和非授權頻譜在內,全球已宣佈的LPWAN佈署執照數量累計達到501張。

 

 

非授權頻譜的LoRa仍是現網中採用最多的技術,在商用現網佈署中佔據主導地位,幾乎佔據了三分之一的市場比例(約30.3%)。但NB-IoT已經逐漸逼近,位居第二,截至2019年第三季度末擁有89張商用網路執照。

儘管授權頻譜LPWAN佈署有所成長,但LoRa可望保持自己的領先地位。LoRa晶片組提供商Semtech在去年底的一份簡報中表示,目前在全球10個國家/地區擁有14個全國性的公共LoRa網路,全球的LoRa技術開發者達到5萬人。該技術擁有超過1億個終端節點(包括專網),並得到了全球120個服務提供者的支持。

 

 

在授權頻譜技術方面,許多CSP現在都採用了雙重技術策略,同時提供NB-IoT和LTE-M網路。但在網路佈署方面,NB-IoT仍遠遠領先LTE-M,商用網路佈署數量是LTE-M的3倍。更低的模組成本使得NB-IoT (或者實際上採用2G或3G蜂巢式網路)成為更具吸引力的解決方案。

NB-IoT或LTE-M的物聯網漫遊對於資產追蹤等應用具有重要優勢,因為資產追蹤可能需要跨多個國家/地區的網路連接,但授權頻譜的LPWAN漫遊問題,一直制約著市場的發展。不能漫遊,意味著在多個國家/地區佈署授權頻譜LPWAN物聯網終端設備,就需要與不同的營運商簽訂多份合同,並且有可能需要處理多種不同的管理系統。不過近幾年這種情況也得到了改變。

中國市場概況

在中國大陸,LPWAN各種技術之爭可以簡單看作授權頻譜(NB-IoT為代表)和非授權頻譜(LoRa為代表)之間的競爭,雖然雙方都表示服務於不同市場,不存在競爭,但在尚未選定通訊標準的物聯網新興領域,卻又都極力爭取。

NB-IoT技術已被納入中國IMT-2020 5G候選技術方案;LoRa在中國無授權頻段,加上2019年11月中國工信部的發佈「第52號」公告規範微功率短距離無線電發射設備的管理,不少人解讀為LoRa在中國要全面被NB-IoT取代,但來自瑞士的LoRa晶片製造商Semetech表示LoRa符合工信部公告52號的所有要求。

Semetech的LoRa晶片製造、組裝和代理銷售通路是在亞洲地區進行的;此外該公司已將其LoRa技術的某些製造權授權給了歐洲和亞洲的某些半導體公司。NB-IoT的晶片則沒什麼限制,大家都可以做,目前在中國大陸主要由華為海思、紫光展銳和聯發科等企業主導。

由於頂著「國家物聯網戰略」的光環,自2017標準確立後,中國大陸營運商就相繼發放針對NB-IoT模組的補貼政策;今年4月初,中國電信公示的2020年NB-IoT物聯網模組集中採購專案結果,得標平均價為14.5元人民幣,其中最低價13.47元人民幣,最高價14.8元。7月份,部分模組廠商甚至報出9.9元人民幣的價格。

急速成長的網路市場規模是讓NB-IoT模組價格下降的主要原因。中國大陸政府對營運商的補貼激勵更多業者加入,供給端規模變大,上游晶片價格首先下降,隨之而來下游也會跟著降價。這對NB-IoT的普及、加快2G用戶的轉移更有利,但如果終端使用者一味要求降低價格,供應鏈某些環節的廠商可能就賺不到錢了,出現「和非授權頻譜還沒打起來,NB-IoT陣營先價格戰互相幹掉一批隊友」的情況。

相較eMTC和NB-IoT,Cat.1在中國大陸市場的機會更大,因為Cat.1隸屬於4G網路的分支,營運商借助4G基地台即可完成布網,無需增加投資。而eMTC需要基礎設施建設,而營運商現在正將更多的資源投入到5G建設中,很難有多餘的資金投入到eMTC。

相比NB-IoT和2G,Cat.1在網路覆蓋、速度和延遲上也有優勢;相比eMTC模組,則有低成本、低功耗的優勢,並且擁有相同的毫秒級傳輸延遲,被認為是填補2G/3G退網後的最佳技術。在發現NB-IoT的適用場景偏窄、無力替代2G/3G全部網路市場後,中國大陸三大電信營運商也紛紛進行Cat.1網路佈署,甚至一度弱化了NB-IoT的地位。

這也和中國營運商至今沒有找到好的NB-IoT的商業模式有關,營運商盈利模式有待進一步挖掘,垂直產業使用者需要與營運商一起探索業務合作收費模式。

互補、共存的LPWAN技術

從演進方向上來看,目前物聯網接入技術朝著低功率、廣覆蓋的方向發展的趨勢日益明顯。雖然有人說5G普及後,其低延遲、低功耗和高資料傳輸率的特點,可望撼動整個LPWAN格局,據稱3GPP還考慮允許5G技術在非授權頻段(特別是3.5 GHz、5 GHz和60 GHz)中運作,這對非授權LPWAN的影響非常大。

但筆者認為,營運商網路決定了5G的高資費和佈署不靈活,尤其是希望保證資料留在本地、安全可控的用戶,依舊會在小範圍內採用自組網的方式。

各種LPWAN技術各有特點,也各有運用成熟的市場,以NB-IoT和LoRa為例,二者均具備低功耗、廣覆蓋、成本低等LPWAN技術共同特性;NB-IoT頻寬更大、可靠性更高,能夠全球漫遊,更適合大網覆蓋,而LoRa功耗更低,佈署更簡易、成本更低,更能夠靈活滿足多樣化場景應用需求。

任何一種物聯網技術都有最適合其應用的場景,所以沒有完美的技術,只有最適合的選擇;營運商會根據實際情況選擇混合組網。從技術和應用層面看,授權和非授權LPWAN技術未來雖然會在某些領域存在競爭,但整體會以「互補、共存」為主,而非相互競爭取代。

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年9月號EE Times China網站

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