网络连接为何如此值得关注？

背景在传感器之间相互通信的「边缘地带」，各种通信标准互相竞争，它们之间大都互不兼容；而从边缘到Internet和云之间的连接则只存在两类互相竞争的标准：无线运营商标准和LPWAN。LPWAN提供商通常会使用多种标准，包括一部分专有标准；蜂窝通信行业的路线图则侧重于简化和增强以长期演进（LTE）标准为中心的当前产品的功能。因此，即使在长距离通信连接市场中只存在两个基本竞争者，也仍然有必要了解有关每个竞争者的基本信息，以及它们的优缺点和对特定应用的适用性。

网络连接为何如此值得关注？

说到底还是和钱有关。无线运营商和LPWAN提供商都会对每台联网设备收费，同时物联网设备数量也正在迅速增长。全世界的无线运营商花了三十多年时间，才实现今天高达23亿的总用户量；然而，在物联网服务出现后的区区几年内，联网的物联网设备总数就已经超过84亿台，预计2020年这一数字将不少于200亿。虽然物联网设备最终并不一定都连接到Internet，但只消「仅仅」100亿台联网设备，就足够让服务提供商赚得盆满钵满，这么好的生意谁不想做？然而，物联网应用之间存在很大差异，并且当前基于蜂窝网络的解决方案和LPWAN解决方案能够实现的功能也有所不同，因而并不存在一个单一标准能够满足所有需求。为了说清楚这些差异，我们来设想这样一个场景：一座城市中有10万个住宅、企业等用电实体，它们的智能电表（图1）都需要连接到Internet。这样的需求实现起来，显然和在一家工厂里让250台机器发送数据有着天壤之别，就好比在一个庞大的农场中，诸多类型的传感器会散布在方圆数公里的土地上，而非聚集在一栋建筑物中，此外自动驾驶汽车也几乎必然会出现，最终将会构建出一个复杂无比的独特物联网环境，需要在车辆之间以及固定设施之间实现各种连接。

图1：全美国共有近7000万个智能电表，它们会周期性地通过LPWAN传输最新用电情况，在不久的将来还将通过蜂窝网络传输这些数据。

无论对于何种应用，无线运营商和LPWAN提供商所提供的服务都有一个共同目标，就是让安装在阀门、电机和泵等主设备上的微型传感器在仅由纽扣电池供电的情况下，在长达数年的时间内定期与某个外部点进行通信。尽管这两种服务提供商都以各自不同的方式来解决此问题，但它们都采用了专门针对物联网环境而设计的各种技术。例如，它们都对数据传输的量和持续时间进行了限制，规定了传感器必须在何时进行通信，并且使用的是低速传输方式，因而只需很窄的带宽就可以实现传输。此外，由于带无线功能的传感器发送的低功率信号非常弱，因此必须使用非常敏感的基站接收器，才能检测到这些信号。基站本身还必须使用如图2所示的多输入多输出（MIMO）技术或其他类似技术，并且在某些情况下，还需要使用高度定向的天线来确保连接稳定。

图2：通常情况下，多路径传播是要尽力避免的，但MIMO技术却可以利用这种现象，通过在传输路径两端使用多个收发天线，从而显著增大网络容量，尽可能减少错误并优化吞吐量。

最后，我们还需要设立许多小型基站（小型蜂窝小区）来缩短信号传输的距离，从而将延迟降低到某些物联网应用所需的那种近乎瞬时的水平。

比较蜂窝通信和LPWAN

面对物联网的需求，蜂窝通信行业有着独特优势。在美国，各大运营商建立了数十万个宏基站，这个数量恐怕达到了小型蜂窝小区的三倍，使得LTE信号几乎无处不在。大多数情况下，要升级这些基础设施，以便适应与物联网设备的通信，仅需要升级软件就可以实现，无需在射频和微波收发器等硬件上投入大量资金。此外，哪怕在物联网被公认为下一个大事件之前，无线运营商便早已通过传统的第二代（2G）技术解决了无线传感器的连接问题。

蜂窝通信行业多年来一直致力于适应物联网。负责管理无线标准制定和发布的第三代合作伙伴计划（3GPP）在其最新的第13版标准中包含了专门针对物联网的实质性规范，该标准于2016年6月最终确定。从现在起，直至第五代蜂窝电话的首个标准预计于2019年发布之前，这些功能将继续得到增强。届时，无线运营商将在物联网连接方面打下坚实的基础。

相比之下，LPWAN提供商就没有这样的优势。由于它们完全是无线通信世界中的新进者，因而在想要提供信号覆盖的所有区域中，都必须从头开始构建每一个系统。与此同时，蜂窝通信行业正迅速推出以物联网为中心的数据套餐，这也使得LPWAN提供商必须抓紧非常有限的时间在关键区域（通常是城区）部署它们的网络；好在LPWAN系统的构建和部署成本低于蜂窝网络，而且并不一定需要在发射塔上租赁空间，并且可以用更少的基站覆盖广阔的范围。

对LPWAN提供商而言，现阶段真正的问题，在于它们是否可以在蜂窝通信主导的世界中生存。鉴于LPWAN可以提供与蜂窝网络类似的功能，例如运营商级安全性和其他各种强制性功能，因而大多数分析师都认为它们可以做到，并且它们对客户而言也可能具有成本优势。一些分析师还表示至少一半的物联网用例都可以由LPWAN来提供服务。可以肯定地说，虽然蜂窝通信行业将会主导物联网连接，但LPWAN提供商仍然可以在个别市场中与前者开展价格战。蜂窝通信物联网

蜂窝通信行业正在开发基于LTE的物联网连接解决方案，其总体路线图建立在当前LTE版本基础之上，并继续对其进行完善，包括降低其复杂性和成本。随着这一过程逐步开展，蜂窝通信技术将更加适用于各种物联网应用，并最终迎来第五代蜂窝通信技术（5G）。

对此，蜂窝通信行业的共识是采用主要在3GPP第13版标准中引入的三个不同标准，在此基础上实现物联网连接，并最终实现5G标准中的要求。理想情况下，这些解决方案应在低于1GHz的频率上实现，因为这种情况下的信号传播条件更有利于长距离传输和建筑物穿透：

LTE-M：也称为增强型机器类型通信（eMTC），是从第12版（2014年）标准中的LTE标准发展而来，并且包含第13版标准中的进一步改进。

NB-IoT：第13版标准中为物联网准备的窄带LTE。

EC-GSM-IoT：用于物联网的扩展覆盖GSM，是GSM技术扩大信号覆盖范围的变体。该技术在第13版标准中针对物联网进行了优化，可以与GSM运营商一同部署。

5G：将于2020年实现标准化，使NB-IoT和EC-GSM-IoT得到增强。

在此，我们可以推定，由于物联网的要求与运行传统蜂窝通信的要求存在显著区别，因而未来的新发展要通过使用省电模式来延长电池寿命、通过降低设备复杂度来降低设备成本、通过共享运营商容量来降低部署成本、通过采用更高级的编码和增加信号的频谱密度来扩大信号覆盖范围。

表1中详细阐释了蜂窝通信技术的发展。例如，第8版标准的峰值下行链路速率可达150Mb/s，因为它是为传统蜂窝应用设计的。但是，在新的NB-IoT窄带标准中，峰值下载速率只有170kb/s，以适应物联网的要求。用户设备的信道带宽也是如此，从第8版最大18MHz下降为NB-IoT的180kHz。另一个有关物联网应用的重要因素是调制解调器的复杂度，第13版中的这一数值相比第8版降低了85%。简而言之，对于面向物联网需求的蜂窝通信技术，其发展的方向在许多方面与传统语音和数据服务希望通过5G实现的目标完全相反。换言之，这些新技术并不是为了提高数据速率，而是通过降低数据速率，好让蜂窝物联网网络及其组件的整体复杂性也能够降下来。

表1

可供选择的LPWAN方案

LPWAN提供商既可以采用开放式标准（例如由LoRaWAN联盟管理的LoRaWAN），也可以采用专有解决方案（例如Sigfox）；LoRaWAN和Sigfox都运行在免许可频谱中。尽管Sigfox声称自己是「全球领先」的IoT连接服务，能够在32个国家和地区（主要位于欧洲）提供服务，但LoRaWAN在业界赢得了更广泛的认可，其联盟中已有400多个成员。正是由于这个原因，才使LoRa基带和RF硬件的成本不断降低，其降幅至今已超过一半，并且随着供货数量增加还可能进一步下降。LoRaWAN这里有必要澄清一下LoRa、LoRaWAN和Link Labs提供的产品之间的区别，它们之间确实很容易混淆。LoRa是由LoRaWAN联盟管理的开放标准物理层，LoRaWAN则是提供网络连接功能的媒体接入控制（MAC）层。Link Labs公司是LoRaWAN联盟的成员，该公司采用Sematech LoRa芯片组，并通过一种名为Symphony Link的解决方案来提供该公司独有的功能，例如在没有网络服务器的情况下运行。Symphony Link使用的是一种八频段基站，它工作在433MHz或915MHz的工业、科学和医学（ISM）频段上，欧洲地区还可以使用868MHz频段。它可以将信号传输到至少10英里范围内，并在借助云服务器处理消息路由、进行配置和网络管理的情况下经由Wi-Fi、蜂窝网络或以太网回传数据。SigfoxSigfox出自同名的法国公司。它与LoRaWAN的主要区别之一是，Sigfox拥有从边缘到服务器再到端点的所有技术，并且完全可以充当整个生态系统的供应商，或者在某些情况下直接作为网络运营商出现。但是，该公司允许任何同意其条款的组织免费使用其端点技术，因而能够与主流物联网设备供应商乃至一部分无线运营商建立关系。与LoRaWAN一样，Sigfox的市场份额持续上升，以欧洲最为明显，因为它的传输长度符合欧盟准则。其供应美国的版本为了符合美国联邦通信委员会（FCC）的规则，与欧洲版本存在明显差异。Sigfox的唯一缺点是它的专有性。

Weightless

Weightless可谓是物联网连接解决方案中的一个异类，它是由Weightless Special Interest Group（SIG）管理的真正开放式标准。该解决方案的名称源自其「轻量级」的协议，通常每次仅需传输几个字节的数据，非常契合某些种类的工业和医疗设备以及电表和水表等物联网设备的需求，因为它们传输的数据量非常少。不同于许多其他标准，Weightless运行在低于1GHz的「电视空白频段」中，这是无线电视广播公司从模拟传输转换为数字传输后腾空出来的频段。由于这些频率处在低于1GHz的频谱中，因而具有覆盖范围广、基站发射功率低的优势，并且更容易穿透建筑物和其他容易阻挡射频信号的结构。

目前Weightless共有两个版本：

Weightless-N是一种超窄带单向技术。

Weightless-P是该公司的旗舰双向产品，可实现更高的性能和安全性，并具有超低功耗特性和其他多种功能。

NwaveNwave是一种基于软件定义无线电（SDR）技术的超窄带技术，可以在许可频段和非许可频段上运行。Nwave基站可在10km范围内容纳多达100万个物联网设备，同时以不高于100mW的射频功率实现100bps的数据速率。该公司声称其由电池供电的设备可以运行长达10年的时间。在低于1GHz的频带中工作时，它可以利用该区域中理想的传播特性。

Ingenu

Ingenu（曾经称为On-Ramp Wireless）基于其多年研究开发了一种双向解决方案，从而产生了一种专有的直接序列扩频调制技术，称为随机相位多路访问（RPMA）。RPMA旨在提供安全的广域网占用空间，并在2.4GHz频段内实现高容量运行。

在美国使用时，单个RPMA接入点的信号可覆盖176平方英里的范围，远大与Sigfox或LoRa。它具有低开销、低延迟特点和广播功能，可以将命令同时发送到大量设备。其硬件、软件和其他功能仅限于公司提供的功能，并且公司会建立自己的专用于机器对机器通信的公共和专用网络。

总结

争夺长距离物联网通信头把交椅的只有蜂窝通信行业和LPWAN提供商，因此我们很可能会想当然地以为在这个领域中，设计师的工作相比短距离通信领域要容易得多。然而事实并非如此，因为这两种互相竞争的技术都存在五花八门的变体，其中的任何一种都具备功能优势，但同时也会在设计中带来巨大的挑战。

对于最终用户而言，要选择「正确的」解决方案，通常取决于其所在地区可以使用的服务，以及连接每个设备所需的费用。但是，如果用户所在区域内有多个正在运营的无线运营商和LPWAN提供商，显然用户会更加难以决策。对于一般的物联网连接，要分出谁胜谁负，还需要好几年的时间。