常见的几大物联网通讯技术优缺点分析

　　物联网是当前所有通讯技术与计算机、互联网的结合，物联网主要是实现物与物之间，人与物之间，动物与物之间的相互连接沟通及环境与信息状态的实时共享以及智能化的收集、处理、传递、执行，也就是说只要涉及到信息技术的应用，都可以纳入物联网的范畴。在物联网的普及过程中，无线技术将扮演着越来越重要的角色，笔者通过常见的几种LPWAN无线通讯技术(NB-IoT/eMTC/LoRa)对比，探讨物联网大势下的无线技术各自的特点和应用场景。
 

 

　　一、NB-IoT

　　NB-IOT全称为Narrow Band-Internet of Things，窄带物联网，NB-IOT属于物联网范畴的一种技术。是由华为主导，并已成为3GPP标准的LPWA技术。NB-IOT基于现有蜂窝网络的技术，可以通过升级现网来快速支持行业市场需求，成为GUL网络上的第四种模式。同时，NB-IOT还具有覆盖广(能覆盖到地下)、电池寿命长(超过十年)、成本低(每个模块不足5美元)、容量大(单个小区能支持10万连接)四大能力。

　　技术优势

　　NB-IoT具备四大特点：一是广覆盖，将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力;

　　二是具备支撑海量连接的能力，NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构;

　　三是更低功耗，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年;

　　四是更低的模块成本，企业预期的单个接连模块不超过5美元。

　　NB-IOT聚焦于低功耗广覆盖(LPWA)物联网(IOT)市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。其具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点。NB-IOT使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波三种部署方式，与现有网络共存。

　　应用场景

　　NB-IOT最常应用于智能水表、智能停车、宠物智能跟踪三大典型应用场景，在NB-IOT的后期规划中，还会涉及到智能自行车、智能烟雾检测器、智能垃圾桶、智能路、智能售货机等方面。

　　面临的挑战

　　第一，互操作和一致性问题。2015年，NB-IoT的主要成员，包括沃达丰、爱立信、Telefonica和GSMA开展了面向NB-IoT设备的简单的互操作和一致性认证试验。沃达丰还在英国纽伯里建立了专用NB-IoT实验室，2016年下半年在德国杜塞尔多夫继续开放进一步的实验室研究。

　　第二，部署和长期支持。NB-IoT部署的最大问题是时间和成本，根据沃达丰的估计，85%的企业基站可支持NB-IoT，只需进行软件的升级，但对基站陈旧的网络运营商，则需对硬件进行升级。这将导致NB-IoT网络建设的成本增加和时间消耗。另一个问题是全球M2M漫游。理论上，运营商需支持三种标准，分别是：CAT-M，EC-GSM，NB-IoT，以及GPRS。此外，端点需要OTA升级，以提供安全性和其它升级。

　　第三，应用和商业模式。为了建立NB-IoT应用和商业模式，移动通信行业需要尽快建立合作伙伴生态圈。例如：德国电信已在柏林和波兰的克拉科夫建立了NB-IoT原型枢纽，这些枢纽被纳入孵化器中，为开发者提供快速学习的环境，激励新的商业模式思考、缩短产品市场化的时间。

　　第四，与LPWAN(低功耗广域物联网)技术的竞争。LoRa和Sigfox已被证明是重要的发展技术，其中，Sigfox已在24个国家投入使用，LoRa继续在一些国家、专网和社区网建设中使用。由于NB-IoT在近期内不会大规模部署，其它技术竞争者仍有机会确定自己的市场定位。

　　目前，NB-IoT的市场普及在各国间存在差异。在许多国家，潜在的运营商可能面临来自非移动LPWAN网的强有力竞争。例如，在荷兰，KPN已建立了国家LoRa网，在这种情况下，它可能不太会采用NB-IoT。

　　第五，确定正确的市场进入战略。LPWAN的应用具有在非常规的间隔中发送小数据有效载荷的特性。潜在的用户可能需要更多低价值的服务。在这种情况下，NB-IoT运营商需要开发相应的战略，应对这样的市场需求。主要策略包括：建立市场与品牌间的平衡;扩大市场占有率，不仅限于传统的M2M业务;在低端市场避免成本价格战，侧重于可控制价格溢价的应用;探索新商业模式以创造价值，加强垂直行业合作。

　　第六，定价计划的设计，主要是物联网数据计划。目前，运营商仍在尝试中。例如：韩国电信最近推出覆盖全国的LoRa网，推出6种数据计划，每一计划对应于使用不同频段的数据应用。它的定价模式是：LoRa的数据计划价格只相当于基于LTE的物联网业务的十分之一。在拥有LoRa或Sigfox业务的国家，NB-IoT的资费不得不保持合理的竞争区间。而在英国，由于没有国家LPWAN网络，NB-IoT运营商在设计定价结构时，会有更多回旋余地。

　　此外，低速数据传输、隐私和安全、IT系统的转换时间等问题，都将限制其发展。
 

 

　　二、eMTC

　　LTE-M，即LTE-Machine-to-Machine，是基于LTE演进的物联网技术，在R12中叫Low-Cost MTC，在R13中被称为LTE enhanced MTC，即eMTC，旨在基于现有的LTE载波满足物联网设备需求。

　　eMTC基于蜂窝网络进行部署，支持上下行最大1Mbps的峰值速率，属于物联网中速率，其用户设备通过支持1.4MHz的射频和基带带宽，可以直接接入现有的LTE网络。LTE在不断演进的过程中，最新的eMTC和NBIoT都进一步优化了系统的成本、增强了续航能力、扩大了覆盖范围。eMTC的最关键能力在于支持移动性并可以定位，成本只有Cat1芯片的25%，相比于GPRS速率要高四倍。

　　技术优势

　　窄带LTE其中最主要的几个特性。第一，系统复杂性地大幅度降低，复杂程度及成本得到了极大的优化。

　　第二，功耗极度降低，电池续航时间大幅度增强。

　　第三，网络的覆盖能力大大加强。

　　第四，网络覆盖的密度增强。

　　eMTC具备LPWA基本的四大能力：一是广覆盖，在同样的频段下，eMTC比现有的网络增益15dB，极大地提升了LTE网络的深度覆盖能力;二是具备支撑海量连接的能力，eMTC一个扇区能够支持近10万个连接;三是更低功耗，eMTC终端模块的待机时间可长达10年;四是更低的模块成本，大规模的连接将会带来模组芯片成本的快速下降，eMTC芯片目标成本在1～2美金左右。

　　应用场景

　　应用在智能物流中，具有防盗、防调换、实时温度传感和可定位优势，能够实时监控及定位，将信息记录及上传，可以对行驶轨迹查询;在智能可穿戴设备中，可支持健康监测、视频业务、数据回传和定位;依靠目前的蜂窝网交互屏幕，提供包括智能充电桩、候机宝、电梯卫士、智能公交站牌、公共自行车管理等方面的应用场景。

　　面临的挑战

　　eMTC业务特征对VoLTE业务的适用性分析

　　eMTC与NB-IoT的典型特性差异在于，eMTC终端工作带宽可以达到1.08MHz，远远高于NB-IoT终端的200kHz，因此，eMTC终端的峰值速率远远高于NB-IoT终端。基于上述特征，业界普遍认为eMTC技术能够提供较为低廉的VoLTE终端方案，并能够具备较好的业务质量，但通过详细的技术分析，采用eMTC技术支持语音业务或提供语音解决方案，实际效果可能难以乐观。

　　低功耗特征

　　为了能够在电力供应受限环境中提供物联网服务，像NB-IoT一样，eMTC也将低功耗作为系统设计目标，期望能够基于较小容量的电池，支持终端10年免维护，并且与NB-IoT一样采用了eDRX(Extended Discontinuous Reception)和PSM(Power Saving Mode)两种节电技术。对于典型的低频次物联网业务，比如自动抄表类，由于业务频次非常低，采用这两种技术可以让终端长期处于休眠状态，只在需要进行数据传输的时候进行工作，因此可以非常节电，但这种良好的节电效果只对频次较低的业务有效，对于VoLTE业务而言，终端需要经常监听网络寻呼，以及时响应到达的呼叫，所以无法采用eDRX和PSM技术的节电机制。

　　大连接特征

　　万物互联的要求，需要物联网技术能够服务海量的终端，为此3GPP设计了CP(Control Plane)优化与UP(User Plane)优化两种空口技术优化方案，对于小包传送的物联网业务，可以节省大量的空口信令，提升传输效率。但对于VoLTE语音业务，是无法采用CP及UP优化方案提升容量的，因此eMTC对于VoLTE不具有提升容量的能力。

　　广覆盖特征

　　考虑到有些物联网终端往往处于建筑物内部的较深位置，典型的比如水表，所处环境往往信号非常微弱，eMTC设计了重复技术以增强覆盖，通过上、下行无线信号的重复，可以在接收端累积信号能量，从而增强覆盖。但正是由于无线信号的重复，造成平均业务速率降低，也就是说，这种覆盖增强技术是以业务速率降低为代价换取的，所以，对于VoLTE这种需要一定速率保障的业务而言，eMTC的覆盖增强技术没有带来任何好处。

　　低成本eMTC终端方案

　　eMTC终端(芯片)的低成本方案主要包括：较小工作带宽，eMTC终端的工作带宽为1.08MHz，这种工作带宽虽然比NB-IoT更高，但相较于普通LTE终端却低了许多，能够降低器件价格以及芯片计算能力要求，从而降低总体价格;较低的峰值速率，相对LTE而言，较低的峰值速率降低了芯片计算能力和Buffer要求，从而降低芯片价格;单终端接收天线，降低射频器件成本;半双工方案，可以省下终端射频的双工器，从而降低终端的成本。

　　LoRa

　　LoRa是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。这一方案改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统，进而扩展传感网络。

　　目前，LoRa主要在全球免费频段运行，包括433、868、915 MHz等。LoRa技术具有远距离、低功耗(电池寿命长)、多节点、低成本的特性。LoRa网络主要由终端(可内置LoRa模块)、网关(或称基站)、Server和云四部分组成。应用数据可双向传输。

　　技术优势

　　按需部署：LoRa可以根据应用需要，规划和部署网络、根据现场环境针对性放置基站/网关、更容易做到无缝覆盖，而改善覆盖质量还可以降低功耗，提高系统容量、个人，企业或机构可部署，并且可以满足安全需求，数据也可私有。

　　轻量级：相比于其他的LPWAN技术协议，LoRa的系统复杂度更低，硬件实现简单，对资源要求较低，轻量级的LoRaWAN协议，软件实现简单，部署实施简单。

　　低成本：LoRaWAN模块量产，价格已经在USD5以下，并逐渐接近2G模块价格，室外型基站已低至USD500左右，室内型USD100，从国外运营商来看，LoRa月租可达eMTC月租的1/5~1/10甚至更低。

　　NB—IOT与LORA对比

　　有效应对低ARPU：单个连接的APRU很低，高额投资将面临低收益率问题，高质量，轻量级，低成本才是有效的应对途径。

　　开放的生态，成熟的产业链：节点，网关和云服务器全开放，各种量级的设备供选择，网络可以自己运营，不同的商业和运营模式。

　　投资回报较高，经济可行：若是只考虑基站的投资的话，LoRa的回报率为，基站以平均RMB5000计，6.25个月(半年)收回基站投资。NB-IOT的回报率为，综合考虑基站升级和新建，假设平均15万元/站，187.5个月(15.6年)收回基站投资。

　　应用场景

　　LoRa技术非常适用于要求功耗低、距离远、大量连接以及定位跟踪等的物联网应用，如智能抄表、智能停车、车辆追踪、宠物跟踪、智慧农业、智慧工业、智慧城市、智慧社区等等应用和领域。

　　面临的挑战

　　城市级网络覆盖：LoRa没有运营商的支出，布网方面先天弱势。

　　频谱资源：LoRa采用免费频段，可能存在干扰问题，尽管LoRa本身抗干扰能力强，LoRaWAN协议本身也有规避干扰的措施。但物理干扰难于完全避免。

　　应对措施：去碎片化，建设统一的广域网网，络共建，资源共享。同时需要做到更轻量级,更低成本，LoRaWAN模块的成本需要向2G模块的成本看齐，甚至向WiFi模块靠近。

　　在物联网技术发展产品化的过程中，我国一直缺乏一些关键技术的掌握，所以产品档次上不去，价格下不来。缺乏RFID等关键技术的独立自主产权这是限制中国物联网发展的关键因素之一。和美国相比，国内物联网产业链完善度上还存在着较大差距。虽然国内三大运营商和中兴华为这一类的系统设备商都已是世界级水平，但是其他环节相对欠缺。物联网的产业化必然需芯片商、传感设备商、系统解决方案厂商、移动运营商等上下游厂商的通力配合，所以要在我国发展物联网，在体制方面还有很多工作要做，如加强广电、电信、交通等行业主管部门的合作，共同推动信息化、智能化交通系统的建立。

　　物联网应用领域十分广泛，许多行业应用具有很大的交叉性，但这些行业分属于不同的政府职能部门，要发展物联网这种以传感技术为基础的信息化应用，在产业化过程中必须加强各行业主管部门的协调与互动，以开放的心态展开通力合作，打破行业、地区、部门之间的壁垒，促进资源共享，加强体制优化改革，才能有效的保障物联网产业的顺利发展。

　　对于物联网通讯技术，每种技术都有特点和优势，满足不同的诉求和市场，多LPWAN技术将百花齐放，共生共存。