低功耗广域网技术发展态势

低功耗广域网技术发展态势低功耗广域网（LowPowerWideAreaNetwork，LPWAN）是面向物联网中远距离和低功耗的通信需求，近年出现的一种物联网无线连结技术，具有覆盖范围广、服务成本低、能耗低的特点，能够满足物联网社会环境下广域范围内数据交换频率低、连接成本低、漫游网点切换方便、适用复杂环境的连接需求，是理想的物联方式。低功耗广域网技术主要可分为两类：一类是基于现有开放标准的技术，如窄带物联网（NB-IoT）、Halow等。此类技术虽基于全球标准，但落地需要经过多方博弈，因此产业化进程较慢。另一类是企业专门开发的技术，如Sigfox、LoRa和RPMA等。这类技术已进入规模部署阶段，但也面临选型的激烈竞争。下文将对上述五个主要的低功耗广域网技术的发展历程、特点、应用前景（产业化现状）作简要介绍。1．窄带物联网（NB-IoT）NB-IoT基于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。发展历程2013年初，华为与相关业内厂商、运营商展开窄带蜂窝物联网发展，并起名为LTE-M（LTEforMachinetoMachine）。2014年5月，由沃达丰、中国移动、Orange、意大利电信，华为，诺基亚等公司支持的物联网超低功耗蜂窝系统项目在3GPPGERAN工作组立项，LTE-M的名字演变为CellularIoT，简称CIoT。2015年5月，华为和高通共同宣布了NB-CIoT（NarrowBandCellularIoT）方案。2015年8月，爱立信联合几家公司提出了NB-LTE（NarrowBandLTE）的概念。2015年9月，NB-CIoT和NB-LTE两个技术方案进行融合形成了NB-IoT。技术特点强链接：在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数。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。高覆盖：NB-IoT室内覆盖能力强，比LTE提升20dB增益，相当于提升了100倍覆盖区域能力。不仅可以满足农村这样的广覆盖需求，对于厂区、地下车库、井盖这类对深度覆盖有要求的应用同样适用。低功耗：NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用，因此设备设备续航时间可以从过去的几个月大幅提升到几年。低成本：NB-IoT无需重新建网，射频和天线基本上都是复用的。应用前景NB-IoT促进了物联网的产业生态，带来巨大的商业机会。相比面向娱乐和性能的物联网应用，NB-IoT面向低端物联网终端，更适合广泛部署，可应用于以智能抄表、智能停车、智能追踪为代表的智能家居、智能城市、智能生产等领域。2016年6月16日，NB-IoT技术协议获得了3GPP无线接入网（RAN）技术规范组会议通过。在9月完成性能标准制定和12月完成一致性测试后，NB-IoT即可进入商用阶段。2．HaLow2016年1月，Wi-Fi联盟（Wi-FiAlliance）发布满足IEEE802.11ah新标准，并将其命名为“HaLow”（低功耗长距离网络），以服务更多的产品。发展历程802.11协议组是国际电工电子工程学会（IEEE）为无线局域网络制定的标准。其中，802.11b/g/n运作频段为2.4GHz，单一天线收发频宽40MHz速度最高为802.11n的150Mbps；802.11a/n/ac运作频段则为5GHz，802.11ac单一天线收发80MHz频宽最高为433Mbps；802.11ad使用60GHz频段传输，最高速率约可达6756Mbps左右，但传输距离并不长，加入波束成形技术也仅有10米左右而已；802.11则是专注于传输距离、低功耗市场的标准。技术特点HaLow将采用现有的无线网络协议，在1MHz下的低频段运行，从现有的2.4Hz宽带变相扩展到900MHz频段中，从而实现更大范围、更低能耗的连接。HaLow的传输距离可达到如今Wi-Fi的两倍，约1km，而且不仅仅是信号传输距离变远，Halow在一些对穿墙性能有着较高要求的特定环境下能够有效连接，传输效能保持在100Kbps以上。应用前景这个新标准很大程度上对IoT物联网以及连接家用设备相当关键的，如装载于门内的传感器、灯泡、摄像头需要足够的能量在可能较远的距离传送数据至控制中心（或路由器），现有的Wi-Fi标准就会比较局限，尤其是在电池续航和远距离传输的问题上。Wi-Fi联盟表示，HaLow标准将“广泛采用现有Wi-Fi协议”，如IP连接，而且类似路由器一类新设备也将同时包含2.4GHz和5GHz频段支持。Wi-Fi联盟说，新标准“将促进智能家居、汽车、零售业、农业、智能城市环境等各种注重能效的应用场景”。3．SigfoxSigfox协议由成立于2009年的Sigfox公司拥有，其创始人是法国企业家LudovicLeMoan。Sigfox公司专注于M2M/IoT通信，定位提供低速率、低功耗、低价格，基于Sub1Ghz的无线网络通信服务。技术特点Sigfox的网络使用超窄带技术（UNB）的技术，每秒处理10到1000比特的数据，它采用超窄带技术，使得网络设备消耗50～100微瓦的功率。相比较而言，移动电话通信则需要约5000微瓦。接入Sigfox网络的设备每条消息最大的长度大约为12字节，并且每天每个设备所能发送的消息不能超过140条。网络覆盖范围可以覆盖至1000公里并且每个基站能够处理100万个对象。产业化现状Sigfox正在建立一张与现今GSM/LTE网络并驾齐驱的专用于物联网的全球网络。基于该技术的网络，不仅成本远低于传统的蜂窝网络，而且其网络所占用的900MHz无线频段在美国不需要授权。当电信运营商更希望通过部署短波技术以最大限度地提高携带数据的时候，Sigfox公司反其道而行，其所使用的是波段是最长波。相对于无线局域网技术，Sigfox的专用网络还具有覆盖范围广、即买即用的特点。接入其网络不需要购买网关、不用进行配置、也不需要设备进行配对。Sigfox商业模式是将其超窄带网络与运营商的蜂窝网络搭配使用。目前，Sigfox网络已经覆盖到西班牙、法国、俄罗斯、英国、荷兰、美国、澳大利亚、新西兰、德国等几十个国家。因为价格便宜，Sigfox已经几乎覆盖整个法国。4．LoRa2013年8月，Semtech公司发布了一种新型的基于1GHz以下的超长距低功耗数据传输技术（LongRange，简称LoRa）的芯片。其接受灵敏度达到了惊人的-148dbm，与业界其他先进水平的sub-GHz芯片相比，最高的接收灵敏度改善了20db以上，这确保了网络连接可靠性。LoRaWAN即是基于该芯片组成的网络。技术特点LoRaWAN最大的优势就是低功耗，易组网，成本低，传输距离远等等，可以满足长时间的运作，电池供电使用时间长达数年。目前全球大概有数百万个物联网节点运用LoRa技术。LoRaWAN非常适合大规模部署，比如在智慧城市中的市政设施检测或者无线抄表等应用领域。LoRaWAN主要在全球免费频段运行（即非授权频段），包括433、868、915MHz等。LoRaWAN主要由终端（内置LoRa模块）、网关（或称基站）、服务器和云四部分组成，应用数据可双向传输。产业化现状2015年3月，LoRa联盟（LoRaAlliance）宣布成立。该联盟由Semtech牵头，发起成员还有法国Actility，中国AUGTEK和荷兰皇家电信KPN等企业，到目前为止，联盟成员数量达330多家，其中不乏IBM、思科、法国Orange等重量级厂商。目前，LoRaWAN已经在世界多地进行试点或部署。据LoRa联盟早先的数据是有9个国家开始建网，56个国家开始进行试点；据最新公布的数据，已经有17个国家公开宣布建网计划，120多个城市地区有正在运行的LoRa网络，如美国、法国、德国、澳大利亚、印度等等国家，荷兰、瑞士、韩国等更是部署或计划部署覆盖全国的LoRa网络。5．RPMARPMA（RandomPhaseMultipleAccess，随机相位多址接入）由美国Ingenu公司开发。Ingenu公司之前的名称为OnRamp，成立于2008年。Ingenu为开发人员提供了收发器模组以连接到该公司及其合作伙伴在全球范围内建立的RPMA网络，这些网络将来自终端节点的信息转发至使用者的IT系统。同时，RPMA也可适用于想要搭建私有网络的客户人群。技术特点网络覆盖能力强。RPMA基站的网络覆盖范围极广，覆盖整个美国和欧洲大陆分别只需要619个基站和1866个基站，而对应采用LoRa则分别需要10830个基站和43319个基站；采用Sigfox则分别需要6840个基站和24837个基站。基站数目的减少大大降低了物联网的建设及运营成本，因而从长期来看其经济效益更高。系统容量大。以美国大陆为例，如果物联网中的设备每小时传输100个字节的信息，那么采用RPMA可以接入249232个设备，而采用LoRa和Sigfox则分别只能接入2673个设备和9706个设备。能够充分降低设备能耗，进而尽可能地延长电池的使用寿命。RPMA采用功率控制和信息传输确认的办法来减少重新传输的次数，终端在数据传输的间隔进入深度睡眠状态来减少功耗，延长电池寿命。采用统一频率，方便漫游。RPMA技术采用的是2.4G频段，该频段在全球都属于免费频段，这样RPMA的设备可以在全球实现漫游。Sigfox在欧洲使用的是868MHz的频率，在美国使用的是915MHz的频率，而868和915这两个频率在中国已被占用，实现漫游比较困难。双向通讯，可以广播。RPMA采用的是双向通讯的方式，可以通过广播的方式对终端设备进行控制或升级。Sigfox采用的是单向传输，Lora采用的是半双工的通讯方式。产业化现状为迅速占领低功耗广域网市场，Ingenu表示，该公司已经在全球超过45个国家和地区部署其2.4GHz网络RPMA，该公司目标在2016年底于美国30个城市建立600个通讯塔，覆盖七成的美国国土。此外Ingenu也打算与更多晶片、模组及系统供应商建立伙伴关系，围绕RPMA技术打造健康的生态系统，进一步推进RPMA的市场应用。表1低功耗广域网主流技术指标比较一览指标\名称NB-IoTHaLowSigFoxLoRaWANRPMA频带蜂窝1GHz以下868MHz/902MHz433/868/780/915MHz2.4Ghz信道宽度200kHz1/2/4/8/16MHz超窄带8×125kHz（欧洲）、64×125kHz/8×125Khz（美国）、Chirp扩频（调制）1MHz（40个频道可用）覆盖范围2.5～5公里1公里（室外）30～50公里（农村）、310公里（城市）、1000公里（视距条件下）2～5公里（城市）、15公里（农村）＞500公里（视距条件下）终端节点

传输功耗20dBm0-30dBm-10dBm-20dBm＜+14dBm（欧洲）、

＜+27dBm（美国）20dBm分组长度100～1000字节7991～65535字节12字节用户定义6～10000字节上行数据速率约55Kbps150Kbps～346.666Mbps100bps、每天140条消息300bps～50Kbps（欧洲）、900bps～100Kbps（美国）624Kbps下行数据速率约40Kbps150Kbps～346.666Mbps最大每天8字节4条消息300bps～50Kbps（欧洲）、900bps～100Kbps（美国）156Kbps每个接入点的设备超过2万个8191个100万个上行大于100万个，

下行小于10万个384000拓扑结构星型星型、树型星型星型星型、树型主要推动者3GPPIEEE802.11工作组Sigfox公司LoRa联盟Ingenu（原OnRamp）目前进展2016年底后实现商用2016年发布，2018年商用部署中部署中部署中资料来源：ImageSource:EDN.com–Copyright2015UBMAmericas.[1]上海微技术工研院（SITRI）.

一篇文章读懂NB-IoT（上）[OL].物联网创投平台（2016-09-20）[2016-11-23].

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[2]子月.物联网技术之争：LoRa不惧NB-IoT挑战，两者各有千秋[OL].C114中国通信网（2016-09-02）[2016-11-23]./m2m/2485/a970657.html.

[3]lime.在美国火过NB-IoT、LoRa的物联网通信技术RPMA正式登录中国[OL].物联网智库（2016-10-19）[2016-11-23]./dghgyw/2016-10-19/12304.html.

[4]doodle.物联网低功耗广域网络（LPWAN）技术全面详解[OL].电子发烧友网（2016-05-19）[2016-11-23]./iot/419114.html.

[5]张亚.一文看懂NB-IoT所有猫腻：华为如此青睐的原因？[