物联网七大协议.doc

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NB-IoT/LTE-M/Sigfox/LoRa/RPMA/Weightless/HaLow七大LPWAN技术之争

较受关注的是采用授权频谱的NB-IoT和LTE-M，主要由3GPP主导的运营商和电信设备商投入；以及采用非授权频谱的LoRaWAN、Sigfox、Weightless、HaLow、RPMA（RandomPhaseMultipleAccess）等技术，其大部分投入为非电信领域。

LPWAN，Low-PowerWide-AreaNetwork，抓住两个关键词：

低功耗和广域覆盖，简单的说，就是在特省电的情况下，实现长距离通信的无线技术。

这种技术的共同点就是，远距离通信能力可支持大规模物联网部署，低功耗可避免经常更换电池，降低维护成本。

LPWAN最典型的应用就是智慧城市，城市路灯、智能电表、下水道水位探测、智能交通等等，远距离无线通信可避免铺设有线管道，低功耗可保证几年不用更换电池，省事省成本，这对于规模浩大的智慧城市建设简直是不二选择。

1NB-IoTvs.LTE-M，市场碎片化？

NB-IoT颇有后来居上的势头。

2016年3GPP惊觉LPWAN商机已来，火速在6月推出R13NB-IoT标准。

尽管来得稍晚，却备受瞩目。

3GPP主导，几大电信设备商支持，全球300多家运营商的已完成全球90%覆盖的移动网络，无以伦比的生态系统让其他LPWAN技术直呼狼来了。

•支持现网升级，可在最短时间内抢占市场。

•运营商级的安全和质量保证。

•标准不断演进和完善。

在3GPPR14标准里，NB-IoT还将会增加定位、Multicast、增强型非锚定PRB、移动性和服务连续性、新的功率等级、降低功耗与时延等等，让NB-IoT技术更具竞争优势。

因为NB-IoT采用授权频谱，可避免无线干扰，且具备运营商级的安全和质量保证，所以，与其他LPWAN技术比起来，似乎更高逼格。

但是，这是有代价的，如果算上频谱拍卖价格，NB-IoT的部署成本其实是高于一些其他的LPWAN技术的。

根据一份NB-IoTvsLoRaTechnology研报，NB-IoT的部署成本高于LoRa（如下图）。

这就像寄快递一样，一些小快递公司价格便宜，但是不能保障速度，没准还把你的充气娃娃搞丢了，而NB-IoT就有点像快递中的顺丰。

所以，对一些对可靠性、包括时延性要求较高的应用场景，NB-IoT不可替代。

NB-IoT自R13标准冻结后，正以惊人的速度占领市场，据不完全统计，中国、德国、西班牙、荷兰等国家已经宣布计划商用NB-IoT。

•中国电信计划于2017年6月商用第一张全覆盖的NB-IoT网络。

•德国电信计划于2017年第二季度商用NB-IoT网络，采用LTE800MHz和900MHz频段，首先应用于智能电表、智能停车和资产追踪管理等。

•荷兰计划于2017年前完成国家级的NB-IoT网络建设。

•在西班牙，Vodafone首先在巴伦西亚和马德里部署了NB-IoT，并在3月底将城市扩展到巴萨罗拉、毕尔巴鄂、马拉加等地，已有1000个以上的基站支持NB-IoT。

…

但是，我们也不要忽略了3GPP的另一股力量——LTE-M。

2017伊始，LTE-M也在迅速蔓延扩张。

2017年2月27日，在MWC2017上，AT&T（美国和墨西哥）、KPN（荷兰）、KDDI（日本）、NTTDOCOMO（日本）、Orange（欧洲、中东和非洲）、Telefonica（欧洲）、Telstra（澳大利亚）、TELUS（加拿大）和Verizon（美国）联合宣布支持LTE-M全球部署。

•KPN已经在荷兰完成了LTE-M测试，采用的是爱立信和高通设备。

•AT&T早在2016年就于旧金山部署了LTE-M网络试点项目，2017年2月，宣布计划于2017年第二季度完成美国首个国家级的LTE-M网络部署。

•这还了得，友商Verizon一万个不服。

就在几天前，2017年3月31日，Verizon宣布将在美国首个推出全国范围的LTE-M网络，并表示正在加速建设，言外之意就是，甭管你AT&T啥时建成，劳资就是要比你快一步。

3GPP在R13版本出现了两种物联网版本：

LTE-M和NB-IoT。

坦白的讲，这是妥协的结果，3GPP和了稀泥，这导致了市场碎片化和混乱。

我们先来比较一下两种技术：

一眼便知，NB-IoT在频谱上更具灵活性，可支持三种部署方式。

LTE-M的速率更高。

但是，这不够，物联网的关键是性能、成本和功耗，所以我们下面从这三个方面来对比。

1）性能

由于NB-IoT的比特率较小，因此链接预算更好，所以，普遍认为NB-IoT的覆盖范围比LTE-M更大。

不过，最近看到国外一篇文章对此进行了反驳。

我只当搬运工，大家来评理。

原文如下：

最大耦合损耗（MCL）是传送数据时UE和eNodeB的天线端口之间的最大总信道损耗。

MCL越高，链接越强大。

根据3GPP，CAT-M1的MCL为155.7dB，NB-IoT为164dB，有8dB的差异。

表面上看，NB-IoT更具优势。

但是，根据香农定理，当信噪比（SNR）很低，噪音是白噪音的情况下，信道容量的近似值是和带宽无关的。

基于上面的推论，我们会得到以下结论：

•当发射功率相同时，两者在上行方向的覆盖范围一致，

•在下行方向，CAT-M1的覆盖范围是NB-IoT的6倍（~8dB），因为Cat-M1从节点（eNB）发出的信号带宽是NB-IoT的6倍。

事实上，如果我们仔细的去看3GPP标准里面用来计算MCL的参考场景的参数设置，两个标准的参数设置是不同的，比如发射功率，噪音系数，和目标吞吐率都不同，这样的比较是不公平的，如下表：

如果我们使用相同的假设条件（相同发射功率，相同噪音系数，和相同的目标吞吐率），我们可以看到前面的推论是成立的，即：

两个标准的上行覆盖范围相同，下行覆盖范围CAT-M1比NB-IoT优化~8dB。

2）成本

模块成本上，NB-IoT比LTE-M低毋庸置疑。

LTE-M的带宽为1.4MHz，NB-IoT处理带宽为200KHz，基带部分尺寸更小，而且200K带宽的射频前端和数字处理都比1.4MHz的LTE资源块简单得多。

另外，NB-IoT波形更简单，而LTE-M处理OFDM要更复杂。

3）功耗

由于物联网设备大多数时间在“睡觉”，所以比较功耗主要看设备激活状态下的功耗。

通常认为，由于NB-IoT速率更低，处理波形更简单，所以功耗更低。

不过，我又看到另一种解释，说是因为LTE-M比NB-IoT吞吐率更高，那么，如果接收的数据量相等，则LTE-M比NB-IoT花的时间更少，这意味着更省电。

&%&&**%￥#￥….真是受不了技术宅啊！

！

！

！

总之，如果非要分个国界的话，美国两大运营商支持LTE-M，中国和欧洲更支持NB-IoT。

当然，关键还是运营商根据自己的实际情况来部署，最利于自己才是关键。

2Sigfox，抢地盘抢地盘

2017年，在NB-IoT还未站稳脚跟之时，Sigfox正在疯狂的抢地盘，企图在最短的时间里拉开距离。

这也容易理解，Sigfox、LoRaWAN、RPMA这些技术的成熟度本来就领先NB-IoT一两年，事实上，2017年人家已经率先踏上商业化之路，此时不加速，等待何时？

来自法国的Sigfox心里很清楚，与NB-IoT竞争的最大弱势之一就是网络覆盖，毕竟NB-IoT是现成的网络，部署很快，而Sigfox需要新建基站。

所以，现阶段他们的目标就是建网络，疯狂的建网络。

据统计，截止2017年1月，Sigfox网络已覆盖29个国家和地区、170万平方公里、4.7亿人口，并计划在2018年把网络扩张到60个国家。

另外，Sigfox尽管没有NB-IoT引入瞩目，但其在生态部署上不容忽视。

Sigfox采用免费专利授权策略，吸引了许多伙伴加入生态系统。

目前Sigfox已有71个设备制造商、49个物联网平台供应商、8家芯片厂家、15家模块厂家、30家软件和设计服务商等伙伴。

其中，芯片供应商包括德州仪器（TI）、意法半导体（ST）、芯科（SiliconLabs）、安森美（On-Semi）、恩智浦（NXP）、Ethertronics、Microchip与云创通讯（M2Comm）等。

Sigfox工作在868MHz和902MHz的ISM频段，消耗很窄的带宽或功耗，且Sigfox的传输速率最低，仅为100bits/s，消息最长是12个字节，一个节点每天最多传送消息数量为140条。

在传送12字节消息的时候，封包大小仅为26字节。

因此，由于窄带宽和短消息特点，加之其162dB的链路预算，Sigfox在远距离传输上优势也较突出。

▲Sigfox消息上行12字节，下行8字节；每天最多发送140条消息；只需在电脑上就可利用SigfoxCould云平台连接到物联网设备

▲在传送12字节消息情况下，Sigfox封包容量仅为26字节，比其他通信协议小

另外，Sigfox这货还有个特点，它不需要传输信令，终端只要在频率上使用SigFoxRadioProtocol发射信号，基站会自行接收信息，因而省去了信令负荷，降低了总的传输数据量，可进一步降低功耗。

▲Sigfox协议还不需传输信令信号，能省下更多流量

不过，有优点也有缺点。

Sigfox速率低、覆盖广，但每天上传数据有限，不适合数据传送频率较高的应用。

所以，这里有个形象的比喻，如果消息长度为120字节的LPWAN技术是小汽车，那么Sigfox就是摩托车。

▲Sigfox的传输方式就像是用摩托车来运送小量货物

当然，这样的好处是，可以增加连接数量…

3LoRa，浩浩荡荡的大军

LoRa的名字源于LongRange的缩写，它的梦想就是长距离，如果一个网关或基站可覆盖整个整个城市那就再美不过了。

在LoRa组网中，所有终端会先连接网关，网关之间通过网络互连到网络服务器，在这种架构下，即使2个终端位于不同区域、连接不同的网关，也能互相传送数据，进一步扩展数据传输的范围。

▲LoRa组网结构图

目前大多数的网络采用网状拓朴，然而在这种网络拓扑下，往往通过节点作为中继传输，路由迂回，增加了整体网络的复杂性和耗电量。

LoRa独辟蹊径，采用星状拓朴，让所有节点直接连接到网关，网关再连接至网络服务器整合，若需要与其他终端节点沟通，也是经由网关传输。

如此一来，尽管终端节点必须指定位置安装，但网关安装选点灵活，可以就近有线网络或有电源的地方选点，不必担心网关的耗电问题。

进而，终端节点可以将一些耗电较高的工作交给网关来处理，以提高终端的续航能力。

LoRa支持双向传输，传输方式分为3种不同的等级：

ClassA，ClassB和ClassC。

ClassA最省电，终端设备平常会关闭数据传输功能，在终端上传数据后，会短暂执行2次接收动作，然后又再次关闭传输。

这种方式虽然能够大幅度省电，但是无法及时从网络服务器遥控或传送数据，会有较长的延迟。

ClassB耗电量较大，能够在设定的时间定期开启下载功能、接收数据，这样能降低传输延迟。

ClassC则会在上传数据以外的时间，持续开启下载功能，虽然能够大幅降低延迟，但也会进一步耗电。

由IBM和思科领衔的LoRa大军同样声势浩大。

LoRa联盟以17个赞助会员为主，包括了韩国SKTelecom和法国Orange等运营商加入。

以SK电信为例，早在2016年就宣布商用第一个国家级的基于Lo