自2016年NB-IoT核心标准冻结之后,关于低功耗广域网技术(LPWAN)的讨论迅速增多,市场热度不断升温。在我国,除了三大运营商鼎立支持的NB-IoT和eMTC,早几年已经进入国外市场应用的LoRa也从一种小众技术迅速进入到人们的视野当中。

不过,不同的技术流派可能给应用企业带来困扰:NB-IoT、eMTC和LoRa各自的技术特点到底是什么,有何优劣势?我的产品需要采用LPWAN技术吗,又该选择哪一种?LPWAN技术最有可能在哪个应用上爆发?

芯片年出货量超1000万片,LoRa究竟有何神通?

相比最近一两年才推出的NB-IoT,LoRa在国外已经有了广泛的应用。Semtech业务拓展总监杨柳博士在一场LPWAN研讨会上表示,经过5年的发展,LoRa在全世界各大洲已经建成了46个公网、350个试验网,一年的芯片出货量超过1000万片。

杨柳博士指出,与NB-IoT等新型蜂窝技术相比,LoRa最大的技术特点是采用了线性扩频技术,能在噪声以下的20db接收到信号,因此可以有效地在低速率低功耗的情况下进行远距离传输。根据Semtech与思科在美国合作的测试数据显示,LoRa在无遮挡情况下的传输距离能达到50公里。

其次,LoRa的功耗比NB-IoT更低。其原因在于LoRa的协议层更加简单,而且其无线模块的最高功率和平均功率的比率低,电路设计效率高。LoRa在深度睡眠的情况下电流少于2uA,等待状态是2mA,接收状态少于10mA,发射功率0.1w,这大大延长了电池的使用寿命。

最后,LoRa的网络部署更加灵活,可以实现按需部署。杨柳博士表示,LoRa的基站和路由器可以做到非常小,并在现场展示了用手掌托着的微型基站和只有普通路由器大小的室内网关,这与人们印象中矗立在山上有如高塔般大小的基站大相径庭。小体积还降低了基站的成本,可以做到100美金的价格。通过小基站和微型基站可以实现网络更深度的覆盖,这在某些现实的环境里面很适用。

1 图:LoRa的技术特点

瑞兴恒方网络(深圳)有限公司副总经理谢利超对此进一步补充道,在某些应用场景里面,基站的密度无法实现物联网网络的全覆盖。例如LPWAN在燃气表的应用中,很多燃气表都放置在铁箱子里面,属于信号屏蔽的环境。这个时候基站的密度绝不是大家宣传的十公里或者几公里,很可能是五六百米。与此类似的还有LPWAN在电梯的应用,基站密度要达到200米。又比如在深圳的城中村里面,根本没有蜂窝网络的覆盖,这个时候想要实现物联网的应用,就需要根据节点的数量和位置灵活部署小基站/微型基站。在这些应用场景中,LoRa网络部署的灵活性得以体现。

谢利超还提到了当下LoRa面临的一些挑战。第一,处于免授权频段,频率污染较为严重、私有化网络较多、安全性较差;第二,网络的建设和维护难、成本高,特别是对于小企业和普通消费者;第三,物联网碎片化严重,无线模块需要定制化;第四,缺乏运营商的支持,难以实现城市级的网络覆盖。

针对网络建设难的问题,国内已经有专业的LoRa物联网运营商出现。例如杭州罗万信息科技有限公司,提供包括LoRa网关、云平台和自建基站的LoRa系统级解决方案,并应用在无线烟感、水电气表等产品中。

2 图:杭州罗万信息科技有限公司基于LoRa的消防物联网解决方案

此外,2017年5月,中国科学院计算机网络信息中心(CNIC)宣布LoPo-IoT已实现在广州南沙区803平方公里的网络覆盖。广州中国科学院计算机网络信息中心副总工程师黄开德表示,LoPo-IoT是基于LoRa的一种LPWAN技术,数据接入国家物联网标识平台,保证了数据的唯一性和安全性,在医疗健康、资产追踪等领域有广泛的应用市场。

1 图:CNIC目前已建成118个基站,基本实现广州南沙区的网络全覆盖

模组厂商、运营商积极布局,明年或实现NB-IoT规模商用

NB-IoT技术很新,2016年核心标准冻结至今不过一年多的时间。但运营商对NB-IoT却并不陌生,因为它从本质上还是一种标准化的蜂窝技术,国内运营商不必为此重新布置站点,完全可以在已有基站基础上实现快速部署,因而得到三大运营商的大力支持。

“在未来物联网的应用中,大部分的设备只需要传输很少的数据,因此NB-IoT将会是低速物联网设备的最佳选择,基于此,国内的运营商都在积极的部署NB-IoT网络。”上海联通的物联网运营中心技术总监沈洲表示。

沈洲说道,上海联通可以说采用了非常激进的态度来推动NB-IoT的发展:2015年7月,首先开始样本测试;2016年,率先在迪士尼乐园提供NB-IoT的物联网应用体验;2017年5月,实现了上海NB-IoT网络的全覆盖。而到了现在,NB-IoT已经处于爆发期。上海联通在与政府的沟通中,发现他们在智慧城市方面有非常大的需求。智能停车、智能烟感、智慧路灯、水表气表等很有可能率先实现规模商用化。

目前来看,阻碍NB-IoT 发展的最大的问题还是成本。“从我们了解的情况来看, NB-IoT模块在年初的成本是100元,现在可以降到60-70元左右,但仍然比2G模块20-30元的价格高出许多,这不利于NB-IoT的普及。” 沈洲说道。

那么目前NB-IoT模组到底发展到了什么程度?在上周的物联网展上,龙尚、中兴物联、Simcom、美格、有方、Telit、Ublox、骐俊等主流NB-IoT厂家都有参展,让我们来看看他们怎么说。

龙尚科技的现场工作人员指出,当下几乎所有主流模组厂商的NB-IoT模块均未实现量产。2017年龙尚推出基于高通芯片的NB-IoT/eTMC/GPRS多模模组A9500,至今出货量有一万多套,但主要还是给客户测试或者应用试点使用。应用场景包括远程抄表、智能停车、智能路灯、环境监测、智慧农业、畜牧养殖灌溉、智能垃圾箱等智慧城市领域。预计今年9月份,龙尚将推出NB-IoT单模的A9600模组。

3 图:龙尚A9500开发板

6 图:龙尚无线通讯模组

中兴物联目前只有一款NB-IoT模组ME3612,采用高通的MDM9206芯片。中兴物联的现场工作人员介绍,ME3612模组已经实现了小规模量产,在智能井盖、智能路灯、智能消防栓、共享单车等有试点性应用。据传今年9月份,中兴物联会推出NB-IoT商用芯片RoseFinch7100(朱雀7100),与华为、高通在NB-IoT芯片市场一决高下。

4 图:中兴物联在江西的NB-IoT智慧地井监测系统

值得一提的是,出货量名列前茅的移远并未参展,反倒是与其颇有渊源的移柯带来基于高通MDM9206芯片的L700无线模组参展。由于L700刚发布不久,其出货量并不大。此外,骐俊也展示了ML3500 NB-IoT无线通信模组,不过仍处于测试研发阶段,预计今年内推出。

5 图:骐俊NB-IoT无线通信模组ML3500

7 图:芯讯通无线通信模组

8 图:有方无线通信模组

共享单车or智能锁,哪一个将是LPWAN爆发级的应用

从技术特点来看,LoRa、NB-IoT、eMTC都具备低功耗、低成本、广覆盖、大连接等特点。那么,对于应用企业来说,该如何选择LPWAN技术?

芯讯通无线科技有限公司产品总监赵明女士指出,用户应该根据自己的需求,根据产品特性和应用场景来选择合适的技术。上海联通的沈洲也表达了相似的观点:“我们没有强迫用户使用NB-IoT,如果是井盖、水电表等对低功耗要求极高的产品,可以选择NB-IoT;如果是为了低成本和低流量,建议先使用2G模块,等NB-IoT和eMTC规模商用后再选择也不迟。”

瑞兴恒方的谢利超则从技术的层面分析, 一般的LPWAN技术通过限制带宽的方式来提升灵敏度,例如NB-IoT就限制了上行带宽。而LoRa无需如此,其特有的线性扩频技术保证了上下行带宽对称。如果需要真正的双向通信,如电网监控,LoRa可能是更好的选择。

随着LPWAN技术的普及,出现了很多除了传统的井盖、水/电/气表、路灯、烟感之外的产品,表明LPWAN已经吹响了取代一部分2G/BT/WiFi市场的号角。例如福建的一家企业推出了NB-IoT心率带,把传统的蓝牙演进到NB-IoT传输。又比如当下最为火爆的共享单车市场,前几个月ofo单车和中国电信、华为合作推出NB-IoT共享单车。高通也宣布计划与中国移动及摩拜单车展开合作,启动中国首个eMTC/NB-IoT/GSM(LTE Cat M1/NB1和E-GPRS)多模外场测试。

据悉,芯讯通是共享单车市场最大的无线模块供应商。赵明表示,LPWAN解决了共享单车的两个问题。一是2G网络的连接数有限,局部地区如果有大量用户连接,存在网络堵塞;二是电池续航时间有限。

但是,业界对于NB-IoT在共享单车的应用持谨慎态度。赵明表示,目前芯讯通给共享单车供应的仍是2G模块, NB-IoT共享单车还处于试验阶段,模组厂商也在观望。因为NB-IoT不支持移动状态下的基站切换,导致用户停车时有个断网重连的等待过程。相比之下,具备移动性的eMTC更适合共享单车,为ofo单车供货的龙尚科技也表达了类似的观点。

当然,对于NB-IoT在共享单车的应用也不能一棒子打死。随着NB-IoT的技术发展,有可能解决上述问题。据悉,3GPP在Re-14中对NB-IoT进行了一系列增强技术并于2017年6月完成了核心规范,其中就包括定位和移动性功能。以后,NB-IoT的应用可拓展至资产追踪和可穿戴领域。

除了共享单车,智能门锁也可能是LPWAN下一个爆发级应用。根据易观智库的发布的统计数据,2015年我国智能门锁的出货量是200万, 2016年达到400万,预计2017年的出货量将会再翻一番,达到800万。

沈洲指出,智能门锁将会在今年年底、明年年初彻底爆发起来。LPWAN技术符合智能门锁低功耗、低成本的痛点需求,可帮助政府的公租房、青年公寓市场实现多功能的管理。

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