物联网应用技术包含哪些(详解物联网应用技术)

       我们常常提到的低功耗广域网络(LPWAN)所指的网络就是物联网。物联网(Internet of Things,IoT)的字面意思是物品之间的网络。

物联网的定义

       虽然物联网概念已经引起了学术界、产业界和政府的高度关注,但是对于物联网的确切定义还存在很多争议,并且相信随着时间的推移物联网的定义会不断变化,人们对物联网的认识也会不断进步。下面针对现阶段整个行业不同方向对物联网的认识进行讲解。
       物联网最早是在1999年被提出的:通过射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)、RFID+互联网、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备,按约定的协议,把物品与互联网连接起来,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。简而言之,物联网就是物物相连的互联网。图1-3所示为物联网简易示意图。这有两层意思:其一,物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;其二,其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间,进行信息交换和通信。物联网就是“物物相连的互联网”。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算、广泛应用于网络的融合中,也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网是互联网的应用拓展,与其说物联网是网络,不如说物联网是业务和应用。因此,应用创新是物联网发展的核心,以用户体验为核心的创新2.0是物联网发展的灵魂。总体来说就是利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起,形成人与物、物与物相连,实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。物联网是互联网的延伸,它包括互联网及互联网上所有的资源,兼容互联网所有的应用,但物联网中所有的元素(所有的设备、资源及通信等)都是个性化和私有化的。
 物联网示意图
图1-3     物联网示意图
 
       中国物联网校企联盟将物联网定义为当下几乎所有技术与计算机、互联网技术的结合,实现物体与物体之间,环境以及状态信息的实时共享以及智能化的收集、传递、处理、执行。广义上说,当下涉及信息技术的应用,都可以纳入物联网的范畴。而在其著名的科技融合体模型中,提出了物联网是当下最接近该模型顶端的科技概念和应用。物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体,让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。其具有智能、先进、互连的三个重要特征。
       根据国际电信联盟(ITU)的定义,物联网主要解决物品与物品(ThingtoThing,T2T),人与物品(HumantoThing,H2T),人与人(HumantoHuman,H2H)之间的互连。但是与传统互联网不同的是H2T是指人利用通用装置与物品之间的连接,从而使得物品连接更加简化,而H2H是指人之间不依赖于计算机而进行的互连。因为 互联网并没有考虑对于任何物品连接的问题,故我们使用物联网来解决这个传统意义上的问题。物联网,顾名思义,就是连接物品的网络,许多学者讨论物联网时,经常会引入一个M2M的概念,可以解释为人到人(Human to Human)、人到机器(Human to Machine)、机器到机器(Machine to Machine)。从本质而言,人与机器、机器与机器的交互大部分是为了实现人与人之间的信息交互。
       物联网的概念在不同的地方有不同的理解,想得到绝对的统一是很难的,它是由技术的进步和特定的历史环境所决定的,如现在如日中天的LPWAN。可能未来几年低功耗局域网络(LPLAN)也会成为新的热点。

物联网的历史及发展

        在物联网的定义中我们已经知道了“物联网”的概念是在不断变化的,这里简介物联网“编年史”。
     (1)1999年美国麻省理工学院建立了“自动识别中心(Auto-ID)”,KevinAshton教授提出“万物皆可通过网络互连”,阐明了物联网的基本含义。早期的物联网是依托射频识别(RFID)技术的物流网络。
     (2)2003年,美国《技术评论》提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。
     (3)2004年日本总务省(MIC)提出u-Japan计划。该战略力求实现人与人、物与物、人与物之间的连接,希望将日本建设成一个随时、随地、任何物体、任何人均可连接的泛在网络社会。
     (4)2005年11月17日,在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上,国际电信联盟(ITU)发布《ITU互联网报告2005:物联网》,引用了“物联网”的概念。物联网的定义和范围已经发生了变化,覆盖范围有了较大的拓展,不再只是指基于RFID技术的物联网。
     (5)2008年11月,在北京大学举行的第二届中国移动政务研讨 会“知识社会与创新2.0”提出移动技术、物联网技术的发展代表着新一代信息技术的形成,并带动了经济社会形态、创新形态的变革,推动了面向知识社会的以用户体验为核心的下一代创新(创新2.0)形态的形成,创新与发展更加关注用户、注重以人为本。而创新2.0形态的形成又进一步推动新一代信息技术的健康发展。
     (6)2009年1月28日,IBM公司首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”这一概念,建议新政府投资新一代的智慧型基础设施。当年,美国将新能源和物联网列为振兴经济的两大重点。
     (7)2009年8月,时任国家总理温家宝的“感知中国”讲话把我国物联网领域的研究和应用开发推向了高潮。无锡市率先建立了“感知中国”研究中心,中国科学院、运营商、多所大学在无锡建立了物联网研究院。自温家宝总理提出“感知中国”以来,物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一,写入《政府工作报告》。物联网在中国受到了全社会的极大关注,其受关注程度是在美国、欧盟以及其他各国不可比拟的。
       而今,在中国物联网的概念已经被贴上“中国制造”的标签,它的覆盖范围与时俱进,已经远远超越了1999年Ashton教授和2005年ITU报告所指的范围,物联网已被贴上“中国式”标签。从具体的情况来看,我国物联网技术已经融入了纺织、冶金、机械、石化、制药等工业制造领域。在工业流程监控、生产链管理、物资供应链管理、产品质量监控、装备维修、检验检测、安全生产、用能管理等生产环节着重推进了物联网的应用和发展,建立了应用协调机制,提高了工业生产效率和产品质量,实现了工业的集约化生产、企业的智能化管理和节能降耗。

无线物联网通信技术

1.无线物联网技术分类

       物联网技术的发展能够达到如今的程度,是与许多基础技术的发展和进步分不开的,其中最关键的三种技术如下。
     (1)无线通信技术。物联网概念早期指的是RFID技术:可以通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据,而无须识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触,RFID在自动识别、物品物流管理方面有着广阔的应用前景,在物联网中作为最终端的物品身份识别方法。而现在的物联网无线通信技术就比较宽泛了,除了RFID外还包括LoRa、Wi-Fi(Wireless-Fidelity)、低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy,BLE)、近场通信(Near Field Communication,NFC)、ZigBee、窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)、超宽带(UltraWide Band,UWB)、Sigfox等,相信今后会有更多的技术会纳入物联网的通信技术中。
     (2)传感器技术。传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节,在测试系统中,被作为一次仪表定位,其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息,并将其转换成另一形态的信息。其利用物理效应、化学效应、生物效应,把被测的物理量、化学量、生物量等转换成符合需要的电量。传感器作为信息获取的重要手段,与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱。传感器技术可以探测的信息种类多种多样,包括环境温度、湿度、压强、压力、空气质量或者化学成分等。有了传感器技术物联网才能把所有的环境数据整合在一起进行交互和运算。
     (3)嵌入式系统技术。嵌入式系统技术综合了计算机软硬件、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术为一体的复杂技术。经过几十年的演变,以嵌入式系统为特征的智能终端产品随处可见;小到人们身边的MP3,大到航天航空的卫星系统。嵌入式系统正在改变着人们的生活,推动着工业生产以及国防工业的发展。如果把物联网用人体做一个简单比喻,传感器相当于人的眼睛、鼻子、皮肤等感官,网络就是神经系统用来传递信息,嵌入式系统则是人的大脑,在接收到信息后要进行分类处理。这个例子很形象地描述了传感器、嵌入式系统在物联网中的位置与作用。
       既然在物联网连接中存在多种无线技术,就说明市场需要这些技术,或者说这些无线技术都有自己的特点满足不同的物联网需求。通常,把这些物联网无线技术根据工作距离分为两大类,一类是远距离低功耗广域网(LPWAN)无线技术;另一类是短距离局域网(LAN)无线技术。其中,LPWAN网络的主要应用是远距离的物联网连接,如智慧城市、智慧表计等;短距离局域网主要是针对家庭和个人等近距离的物联网应用,如智能穿戴、智能家居等。无线技术网络还可以根据其工作频段进行分类,比如工作在授权频段的蜂窝网技术,如NB-IoT、eMTC网络等。从图1-4可以看出,RFID、NFC、UWB、Wi-Fi、ZigBee、BLE等技术都是工作在近距离的LAN网络,而LoRa技术是一个既可在近距离工作也可以在远距离工作的物联网技术。也就是说,
LoRa既可以作为运营商的蜂窝网通信技术也可以作为家庭大小或者个人穿戴的通信技术。
无线物联网技术距离与带宽分布图
图1-4   无线物联网技术距离与带宽分布图
      上述的主流物联网通信技术根据工作频段和工作距离进行分类如表1-1所示。现阶段还没有授权频段的短距离无线局域网技术、LoRa技术被同时划分在短距离无线局域网和低功耗无线广域网的分类中。
表1-1   物联网通信技术表
物联网通信技术

2.短距离无线物联网连接技术

       常见的短距离无线技术都已发展多年,经过多次迭代,其功能不断增加,性能不断提升,逐步满足客户高速增长的需求。其中蓝牙已经更新到第五代,而Wi-Fi技术也更新到了第六代。
1)蓝牙
        蓝牙(Bluetooth)是一种无线技术标准,可实现固定设备、移动设备和楼宇、个人之间的短距离数据交换(使用2.4~2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波)。蓝牙可连接多个设备,克服了数据同步的难题。从音频传输、图文传输、视频传输,再到以低功耗为主的物联网传输,蓝牙应用的场景也越来越广。
       前两代蓝牙技术都是技术的塑形阶段,将蓝牙技术发展成为一种可靠、安全、实用的传输通信技术。随着3G的到来,蓝牙技术也迈入高速率传输的第三代。第三代蓝牙技术的传输速率高达24Mb/s,核心是使用AMP技术,允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确的配置。仅仅一年之后,蓝牙就进入了4.0时代,第四代蓝牙技术是迄今为止第一个蓝牙综合协议规范,将蓝牙的理论传输距离提升至100m以 上,响应速度更快,最短可在3ms内完成连接设置并开始传输数据,并在传输速率、隐私保护以及可拓展性方面进行了极大提升,极大提高了技术价值。
       2016年,伴随着物联网的风口,蓝牙技术更新至5.0。蓝牙5.0在低功耗模式下具备更快更远的传输能力,传输速率是上代技术的2倍(速率上限为2Mb/s),有效传输距离是上一代技术的4倍(理论上可达300m),数据包容量更是上一代技术的8倍。同时,为了更好地服 务物联网,蓝牙技术发展了一套Mesh网状网络,有别于传统的蓝牙连接的“一对一”配对,Mesh网络能够使设备实现“多对多”的关系。因此,Mesh网络可以分布在制造工厂、办公楼、购物中心、商业园区以及更广的场景中,为照明设备、工业自动化设备、安防摄像机、烟雾探测器和环境传感器提供更稳定的控制方案
       随着蓝牙5.0技术的出现和蓝牙Mesh技术的成熟,大大降低了设备之间长距离、多设备通信的门槛,为未来的IoT带来了更大的想象空间。
2)Wi-Fi
      Wi-Fi技术已经越来越成为目前人们生活中的标配,不只是手机、计算机等,越来越多的物联网设备也支持Wi-Fi。人们目前所使用的Wi-Fi标准是由最早于1997年发布的802.11b演变而来,802.11b的速率仅为2Mb/s,1999年提出的802.11g将速率提升至11Mb/s。目前最新的802.11ax(Wi-Fi6)理论最大速率为10Gb/s左右。
        Wi-Fi有两种组网结构:一对多(Infrastructure模式)和点对点(Ad-hoc模式,也叫IBSS模式)。最常用的Wi-Fi是一对多结构的,例如日常使用的无线路由器是路由器+AP(接入点),可接入多个设备。此外Wi-Fi还可实现点对点结构,比如两台笔记本计算机可以用Wi-Fi直接连接起来不经过无线路由器。LoRa在局域网的推广过程中称为“长Wi-Fi”,原因是LoRa具有与Wi-Fi技术类似的组网结构和部署灵活性。
       传统的Wi-Fi使用2.4GHz频段,随着使用2.4GHz频段的设备越来越多,相互之间干扰增强,因此第五代Wi-Fi技术研制了运行在5GHz以上的高频段。理论上5GHz频段相较2.4GHz速率更高,但两者各有优缺点。2.4GHz穿墙衰减更少,传播距离更远,但使用设备多,干扰大;5GHz网速更稳定,速率更高,但穿墙等衰减大,覆盖距离小。
       标准Wi-Fi(基于802.11a/b/g/n/ac)通常用于高速数据传输,但由于Wi-Fi技术目前应用的广泛性,某些物联网应用可以利用已安装的标准Wi-Fi,在室内或校园环境投入使用。基于802.11ah的Wi-FiHaLow是专为物联网而设计,但它需要独立(与标准Wi-Fi相比)基础设施和专用客户端。目前最新提出的802.11ax已经能够满足大多数物联设备的使用,但在以后的物联网中是否采用802.11ax,仍将取决于802.11ax客户端的成本以及客户端和AP进入市场的速度。
3)NFC
       NFC(Near-FieldCommunication,近场通信)是一种短距高频的无线电技术,属于RFID技术的一种,工作频率在13.56MHz,有效工作距离在20cm以内。其传输速率有106kb/s、212kb/s或者424kb/s三种。通过卡、读卡器以及点对点三种业务模式进行数据读取与交换。
 
       NFC最早于2002年提出,并广泛应用于公交卡、门禁卡等领域。一直默默无闻的NFC技术直到物联网时代的到来而重新焕发生机,发展到今日成为中高端智能手机的标配。图1-5为NFC技术的应用场景。
 NFC技术被广泛应用于支付场景
图1-5     NFC技术被广泛应用于支付场景
        NFC技术存在很多优点,例如通信保密性好、无功耗、方案的成本较低等,尤其NFC能够通过简单的碰触瞬间完成连接。在整合至IoT设备中之后,可以通过物联网系统收集与用户有关的习惯和使用方式等数据,之后再提供给云端或大数据服务器做数据分析,提高用户生活质量。未来NFC技术将在智能家居、支付以及智慧城市等领域得到更广泛的应用。但NFC的通信距离短、通信速率低等缺点,限制了其只适合特定的某些物联网应用。
4)ZigBee
       ZigBee是一种可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上的无线连接技术,分别具有最高250kb/s、20kb/s和40kb/s的传输速率,它的传输距离为10~75m,但可以通过Mesh继续增加。
       在组网性能上,ZigBee可以构造为星状网络或者点对点对等网络,在每一个由ZigBee组成的无线网络中,连接地址码分为16b短地址或者64b长地址,可容纳的最大设备个数分别为216和264个,具有较大的网络容量。
       在无线通信技术上,采用CSMA-CA方式,有效地避免了无线电载波之间的冲突,此外,为保证传输数据的可靠性,建立了完整的应答通信协议。
       另外,ZigBee设备具有低功耗,数据传输速率低,兼容性高以及实现成本低等特点,现已发展至3.0版本,广泛应用于智能家居、智慧医疗、智能楼宇以及能源等领域。
5)UWB
       UWB(超宽带)技术是近年来新兴的一项全新的、与传统通信技 术有极大差异的无线通信新技术。它无须使用传统通信体制中的载波,而是通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来传输数据,从而具有3.1~10.6GHz量级的带宽。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号,UWB能在10m左右的范围内实现数百兆比特每秒至数吉比特每秒的数据传输速率。
       除了高传输速率外,UWB技术还有发射功率较低、穿透能力较强、抗干扰性能强等优点,在室内定位领域可得到较为精确的结果,广泛应用于小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。除此之外,这种新技术适用于对速率要求非常高(大于100Mb/s)的LAN或PAN。
       表1-2为多种短距离无线连接技术在标准、频段、工作范围、最高速率、成本及应用范围的对比。这些无线连接技术多为20年前创立的,创立之初不是为了物联网的应用。随着物联网的需求不断增加,它们不断改版新的协议标准以适应物联网的应用。LoRa技术与这些传统短距离无线技术的最大差别在于基因不同。LoRa被创造的初衷是实现物联网的无线连接,具有物联网的DNA,所以在新的物联网应用中具有先天的优势。
表1-2   短距离无线连接技术对比表
短距离无线连接技术对比表

3.低功耗广域物联网LPWAN

       以LoRa、NB-IoT为代表的低功耗广域网(Low  Power  WideArea  Network,LPWAN)技术近年来已经是物联网领域最热门的部分。在一些场合,NB-IoT或LoRa成了物联网的代名词,仿佛一个项目没有和NB-IoT或LoRa有点关系都不算物联网项目。
虽然LoRa、NB-IoT是近几年出现并开始商用,但此类低功耗广域网络的想法并不是新鲜事物,那些对低数据吞吐量有明确需求的应用落地已经有了超过30年的历史。实际上,在蜂窝网络还未商用之前,一些行业就采用M2M方式来给低速率终端联网实现应用,使用专用的无 线数据网络,这些无线数据网络和今天的低功耗广域网络有相似的拓扑和网络架构,有些直至今日仍然在一些场景中使用。
1)LPWAN的历史
        从20世纪80年代开始,LPWAN已在全球各地开始萌芽,部分技术形成的网络已发展到较大应用规模。比较典型的包括:全球化的低速率数据网络DataTAC、源于欧洲的Mobex和为消防报警器而生的AlarmNet。
        DataTAC是一个窄带数据网络技术,最初由美国MDI(MobileData International)研发。使用该技术的窄带无线网络ARDIS网络,是由摩托罗拉和IBM公司于20世纪80年代初投资建设的合资公司所开发。该网络专为数据传输应用而设计,运行在800MHz频段上,其数据传输速率为19.2kb/s,而且最为知名的是拥有比高速率网络更强的穿透性。除了寻呼机和黑莓的邮件业务外,ARDIS在其他方面也有广泛的应用,比如安全、车队追踪、信用卡授权和销售自动化等。
       具体来说,ARDIS是一集群式无线数据通信网络,不能用于语音通信。该网络上行时运行在806~821MHz,下行时运行在851~866MHz,有25kHz的信道间隔。在那个时候,ARDIS已具备一定规模,在美国都市统计区域(MSA)的城市中有400座最大城市已被覆盖,涵盖了美国90%城市的核心商业区以及80%的总人口。ARDIS也称得上全球化的网络,它在英国、加拿大、德国、澳大利亚、马来西亚、新加坡和泰国有分支,比如澳洲电讯、和记电讯在澳大利亚、中国香港都部署运营了ARDIS网络。1995—1996年,ARDIS在全球已拥有超过44000个客户(大部分是企业客户),在个别区域其容量已超出极限值,不过ARDIS更多会随着需求增加来增加容量和覆盖。
       在现在看来,ARDIS的费率非常高,对消息传送服务,从每月39美元的最低套餐(包含100条消息)到每月139美元的白金套餐(包含650条消息),对于非消息类应用的服务,每个数据包收取6美分,或者每100字节数据收取3美分,此类套餐不可用于E-mail。ARDIS也做了不少室内深度覆盖,而且由于全国性的覆盖,ARDIS的用户在各大城市之间可以无缝漫游。
       不过,在当时的背景下,ARDIS仅提供数据服务,而当时人们对于基于语音的通信需求非常旺盛,加上该网络缺乏像思科、Ascend、北电等主流硬件设备厂商的支持,让该网络可以发挥的作用有限。后来,摩托罗拉和IBM均将其股份出售给电信运营商美国移动(AmericanMobile),美国移动将ARDIS的客户并入了其部署的2G网络中,该早期的低功耗广域网宣告结束。
       Mobex也是一项窄带数据通信技术,在20世纪80年代由瑞典TeleverketRadio研发,数年后TeleverketRadio和爱立信成立合资公司Eritel,共同拥有Mobex,进一步完善该技术,Eritel后来成为爱立信的一个子公司。Mobex在欧洲运行在400~450MHz频段上,在北美运行在900MHz频段上,该技术使用12.5kHz带宽传输数据,最高速率8kb/s,最大的覆盖范围可以达到30km。1986年Mobex开始在瑞典部署,后来也扩展到英国和美国等,与DataTAC类似,除了用于寻呼和黑莓邮件业务外,也用于公共交通、安全和大量M2M场景,其中在 美国“9·11”事件和2005飓风等救援行动中,Mobex发挥了一定作用。
       Mobex也是一个全球化的网络,在五大洲30多个国家或地区实现部署(其中包括在中国小范围部署),而且形成大量的运营商,比如在美国就有RAMMobileData、BellSouthWirelessData、Cingular Interactive、CingularWireless和VelocitaWireless这些运营商,在加拿大有Rogers Wireless,在英国有RAM Mobile Data等。在英国,Mobex规模最大的应用当属汽车故障修复业务,几乎所有的汽车故障信息传送至故障服务机构时都采用的是基于Mobex的网关软件,预计每年有超过2000万次故障和修复信息是通过其传送的。
        和DataTAC类似,在越来越成熟的GSM网络的阴影下,Mobex开始走下坡路,能够提供的应用场景不断萎缩。一个标志性事件是,2012年12月31日,瑞典永久关闭了Mobex网络。
        AlarmNet从字面来看就和报警器有关,这一无线技术是安定宝(ADEMCO)在20世纪80年代中期研发的。安定宝是当时美国一家大型的报警设备制造商,在2000年时与另一家知名安防企业C&K合并成立AdemcoGroup(美国安定宝集团),并隶属于霍尼韦尔。2004年美国安定宝集团正式更名为霍尼韦尔安防集团。
        AlarmNet已经与今天的LPWAN比较相似,它使用928MHz免授权频段,该网络用来监控安定宝公司的报警设备,而AlarmNet用来发送报警信号等少量数据,所以传输速率也很低。AlarmNet当时已经具备了一定的规模,覆盖了美国18个主要的区域和约65%的城市人口,这样的规模已经形成一张广域覆盖的大网。不过,在20世纪90年代末,2G蜂窝网络开始普及,人们发现蜂窝网络可用来传输数据和音频,而且覆盖较广,整个产业链成熟后硬件成本非常低,因此大量需要使用无线的设备开始使用2G网络,其中包括报警系统,因此该网络就开始和2G网络融合。不过时至今日,AlarmNet仍然是霍尼韦尔报警联网系统的重要服务内容。
       从以上三个类似于LPWAN的技术发展历史可以看出,这些技术最终的命运都是在2G网络商用中走向衰落。从20世纪90年代中期开始,GSM网络在全球的普及部署,提供一个泛在的覆盖,且硬件成本大大降低,2G芯片出货量快速增长,M2M业务开始迁移到2G网络上。GPRS的商用,给M2M业务更多数据接入的机会,很多厂商在其设备中嵌入了GPRS模组,模组成本和流量资费越来越低廉,厂商也能负担这一成本,这一现象持续了近20年。
2)LPWAN现状
       2020年,在全球运营商将4G作为主流网络且开始商用5G背景下,2G网络的退网已实施或提上日程。物联网的市场前景,尤其是需要低速率、低电量耗费的无线场景的连接需求越来越多,在这个时机下,以LoRa、NB-IoT为代表的LPWAN正填补了这一缺口。
       30多年前的DataTAC、Mobex、AlarmNet这些LPWAN曾一度从星星之火形成燎原之势,但最终被2G网络扑灭。这一变迁是由于当时M2M的场景有限,其网络技术和2G有很明显的替代性,而更重要的是GSM技术形成的高度标准化和全球产业生态将网络部署运营的门槛大大降低了。而DataTAC、Mobex、AlarmNet当时依然坚持封闭技术,只有少数几家厂商支持,缺乏产业生态让其无法与2G形成竞争。
       作为LPWAN四雄的LoRa、NB-IoT、eMTC、Sigfox从一开始就重视标准化和产业生态的建设,而其他移动通信技术的发展也为其留下了应用场景空间。在最近的几年中,这四种LPWAN技术才刚刚崭露头角。图1-6为HISMarkit在2019年给出的LPWAN节点连接量全球市场图,市场对于LPWAN以及LoRa和NB-IoT都抱有非常高的期待。
 LPWAN全球市场展望图
图1-6   LPWAN全球市场展望图(来源:HISMarkit)
 
LPWAN基本的四大能力:广覆盖、大连接、低功耗、低成本。LoRa、NB-IoT、eMTC、Sigfox等LPWAN技术正在朝着这四大目标努力迈进。

NB-IoT

提到LPWAN所有人都会想到NB-IoT技术,那么NB-IoT技术是如何产生的呢?

1.NB-IoT的发展历史

       运营商在推广M2M服务(物联网应用)的时候,发现企业对M2M的业务需求不同于个人用户的需求。企业希望构建集中化的信息系统,与自身资产建立长久的通信连接,以便于管理和监控。
  • 这些资产,往往分布各地,而且数量巨大。
  • 资产上配备的通信设备可能没有外部供电的条件(即电池供电,而且可能是一次性的,既无法充电也无法更换电池)。
  • 单一的传感器终端需要上报的数据量小、周期长。
  • 企业需要低廉的通信成本(包括通信资费、装配成本、硬件和维护费用)。
       以上这种应用场景在网络层面具有较强的统一性,所以通信领域的组织、企业期望能够对现有的通信网络技术标准进行一系列优化,以满足此类M2M业务的一致性需求。
       2013年,沃达丰与华为携手开始了新型通信标准的研究,起初他们将该通信技术称为NB-M2M(LTE for Machine to Machine)。
       2014年5月,3GPP的GERAN组成立了新的研究项目FS_IoT_LC。该项目主要研究新型的无线电接入网系统,NB-M2M成为了该项目研究方向之一。稍后,高通公司提交了NB-OFDM(Narrow Band Orthogonal Frequency Division
Multiplexing,窄带正交频分复用)的技术方案。3GPP(3rdGenerationPartnershipProject,第三代合作伙伴计划)标准化组织和TSG-GERAN(GSM/EDGE Radio Access Network)负责GSM/EDGE无线接入网技术规范的制定)。
       2015年5月,NB-M2M方案和NB-OFDM方案融合成为NB-CIoT(Narrow Band Cellular IoT)。该方案的融合之处主要在于:通信上行采用SC-FDMA多址方式,而下行采用OFDM多址方式。
       2015年7月,爱立信联合中兴、诺基亚等公司,提出了NB-LTE(NarrowBandLTE)的技术方案。
       在2015年9月的RAN#69次全会上,经过激烈的讨论和协商,各方案的主导者将两个技术方案(NB-CIoT、NB-LTE)进行了融合,3GPP对统一后的标准工作进行了立项。该标准作为统一的国际标准,称为NB-IoT(NarrowBandInternetofThings,基于蜂窝的窄带物联网)。至此,NB-M2M、NB-OFDM、NB-CIoT、NB-LTE都成为了历史。2016年6月,NB-IoT的核心标准作为物联网专有协议,在3GPPRel-13冻结。同年9月,完成NB-IoT性能部分的标准制定。2017年1月,完成NB-IoT一致性测试部分的标准制定。图1-7所示为NB-IoT标准制定的历史演进图。
NB-IoT演进图
图1-7    NB-IoT演进图
 
       低功耗蜂窝技术“结盟”的关键,并不仅仅是日益增长的商业诉求,还有其他新生的(非授权频段)低功耗接入技术的威胁。LoRa、Sigfox、RPMA等新兴接入技术的出现,促成了3GPP中相关成员企业和组织的抱团发展。

2.NB-IoT的技术特点

       NB-IoT针对M2M通信场景对原有的4G网络进行了技术优化,其对网络特性和终端特性进行了适当地平衡,以适应物联网应用的需求。在“距离、品质、特性”和“能耗、成本”中,保证“距离”上的广域覆盖,一定程度地降低“品质”(例如采用半双工的通信模式,不支持高带宽的数据传送),减少“特性”(例如不支持切换,即连接态的移动性管理)。网络特性“缩水”的好处就是:降低了终端的通信“能耗”,并可以通过简化通信模块的复杂度来降低“成本”(例如简化通信链路层的处理算法)。所以说,为了满足部分物联网终端的个性要求(低能耗、低成本),网络做出了“妥协”。NB-IoT是“牺牲”了一些网络特性,来满足物联网中不同以往的应用需要。
1)部署方式
       为了便于运营商根据自有网络的条件灵活运用,NB-IoT可以在不同的无线频带上进行部署,分为三种方式:独立部署(Stand alone)、保护带部署(Guard band)、带内部署(In band)。图1-8所示为这三种部署的频带示意图,在800MHz频段实现独立部署,在其他频段与LTE频段共存。
 NB-IoT部署方式
图1-8    NB-IoT部署方式
 
       独立部署方式:利用独立的新频带或空闲频段进行部署,运营商所提的“GSM频段重耕”也属于此类方式。
       保护带部署方式:利用LTE系统中边缘的保护频段。采用该方式,需要满足一些额外的技术要求(例如原LTE频段带宽要大于5Mb/s),以避免LTE和NB-IoT之间的信号干扰。
       带内部署方式:利用LTE载波中间的某一段频段。为了避免干扰,3GPP要求该方式下的信号功率谱密度与LTE信号的功率谱密度不得超过6dB。
       除了独立部署方式外,另外两种部署方式都需要考虑和原LTE系统的兼容性,部署的技术难度相对较高,网络容量相对较低。表1-3为NB-IoT三种部署方式的技术对比,三种部署方式的频谱、共存、通信速率、覆盖和容量各有不同。
表1-3  NB-IoT不同部署方式对比
NB-IoT不同部署方式对比
        LTE的工作频率在2GHz附近,波长较短,不具有良好的绕射特性,作为远距离传输存在问题。总的来说,采用独立部署的方式会有更好的频谱特性和信道容量。
        从中国的三大运营商部署NB-IoT基站的情况看,由于中国联通没有较好的独立部署频带资源,中国电信和中国移动是NB-IoT的主要推动者。
2)覆盖增强
        为了增强信号覆盖,在NB-IoT的下行无线信道上,网络系统通过重复向终端发送控制、业务消息(重传机制),再由终端对重复接收的数据进行合并以提高数据通信的质量。
        如图1-9所示,重传就是在多个子帧传送一个传输块。重传增益(RepetitionGain)=10lg重传次数(RepetitionTimes),也可以叫扩频中的处理增益。信号增加与噪声增加的方式不同。重传2次,就可以提升3dB。NB-IoT最大可支持下行2048次重传,上行128次重传,相当于增加30dB下行处理增益和21dB的上行处理增益。
 NB-IoT重传示意图
图1-9   NB-IoT重传示意图
 
       这样的方式可以增加信号覆盖的范围,但数据重传势必将导致时延的增加,从而影响信息传递的实时性。在信号覆盖较弱的地方,虽然NB-IoT能够保证网络与终端的连通性,但对部分实时性要求较高的业务就无法保证了。
        NB-IoT终端信号在更窄的LTE带宽中发送,可以实现单位频谱上的信号增强,如图1-10所示,使功率谱密度(Power Spectrum Density,PSD)增益更大。通过增加功率谱密度,更利于网络接收端的信号解调,提升上行无线信号在空中的穿透能力。NB-IoT工作带宽为3.75kHz时上行功率谱密度增强17dB(10lg(180kHz/3.75kHz)=17dB),考虑GSM终端发射功率最大可以到33dBm,NB-IoT发射功率最大23dBm,所以实际NB-IoT终端比GSM终端功率谱密度高7dB,实际应用中NB-IoT一般采用15kHz带宽。LoRa技术也使用了类似的技术手段增强信号,LoRa的带宽选择范围为7.8~500kHz多挡可选,当需要更远的覆盖时,可以采用较窄的信道带宽。
 NB-IoT与LTE上行功率谱对比
图1-10       NB-IoT与LTE上行功率谱对比
 
        如表1-4所示,NB-IoT基于FDDLTE技术改造而来,包括帧结构、下行OFDMA、上行SC-FDMA、信道编码、交织等大部分沿用LTE技术,可以理解为一种简化版的FDDLTE技术。
表1-4   NB-IoT上下行参数表
NB-IoT上下行参数表
        下行传输方案:NB-IoT下行与LTE一致,采用正交频分多址(OFDMA)技术,子载波间隔15kHz,时隙、子帧和无线帧长分别为0.5ms、1ms和10ms,包括每时隙的OFDM符号数和循环前缀(CyclicPrefix)都是与LTE一样的。NB-IoT载波带宽为180kHz,相当于LTE一个PRB(PhysicalResourceBlock)的频宽,即12个子载波×15kHz/子载波=180kHz,这确保了下行与LTE的相容性。比如,在采用LTE载波带内部署时,可保持下行NB-IoTPRB与其他LTEPRB的正交性。
        上行传输方案:NB-IoT上行支持多频传输(Multi-tone)和单频(Single-tone)传输。多频传输基于SC-FDMA,子载波间隔为15kHz,0.5ms时隙,1ms子帧(与LTE一样)。单频传输子载波间隔可为15kHz以及3.75kHz,其中15kHz与LTE一样,以保持两者在上行的相容性;其中当子载波为3.75kHz时,其帧结构中一个时隙为2ms长(包含7个符号),15kHz为3.75kHz的整数倍,所以对LTE系统有较小的干扰。与下行一样,NB-IoT上行总系统带宽为180kHz。
        通过上行、下行信道的优化设计,NB-IoT信号的耦合损耗(CouplingLoss)最高可以达到164dB。NB-IoT极限灵敏度为-141dBm,终端输出为23dBm,23-(-141)=164dB。注:
        耦合损耗,指能量从一个电路系统传播到另一个电路系统时发生的能量损耗。这里是指无线信号在空中传播的能量损耗,也可以称之为链路预算。
        为了进一步利用网络系统的信号覆盖能力,NB-IoT还根据信号覆盖的强度进行了分级(CELevel),并实现寻呼优化,即引入PTW(寻呼传输窗),允许网络在一个PTW内多次寻呼,并根据覆盖等级调整寻呼次数。
        常规覆盖(Normal Coverage)的MCL(Maximum Coupling Loss,最大耦合损耗)小于144dB,与目前的GPRS覆盖一致。扩展覆盖(Extended Coverage)的MCL介于144dB与154dB之间,相对GPRS覆盖有10dB的增强。
        极端覆盖(ExtremeCoverage)的MCL最高可达164dB,相对GPRS覆盖强度提升了20dB。
        LoRa的覆盖也采用类似的手段,可以通过调整扩频因子参数调整覆盖范围,在LoRaWAN协议中,扩频因子范围从SF7到SF12,网关灵敏度为-129.5~-142dBm,LoRa终端输出功率为最大19dBm(中国无线电规范要求50mWERP辐射,相当于19dBm配合0dBi天线辐射),其MCL为148.5~161dB共6挡不同覆盖参数。
3)NB-IoT低功耗的实现
       要终端通信模块低功耗运行,最好的办法就是尽量地让其“休眠”。NB-IoT有两种模式,可以使得通信模块只在约定的一段很短暂的时间段内,监听网络对其的寻呼,其他时间则都处于关闭的状态。这两种“省电”模式为省电模式(PowerSavingMode,PSM)和扩展的不连续接收(Extended Discontinuous Reception,eDRX)模式。
       在PSM模式下,终端设备的通信模块进入空闲状态一段时间后,会关闭其信号的收发以及接入层的相关功能。当设备处于这种局部关机状态的时候,即进入了省电模式PSM。终端以此可以减少通信元器件(芯片、天线、射频等)的能源消耗。
终端进入省电模式期间,网络无法访问到该终端。从语音通话的角度来说,即“无法被叫”。
       大多数情况下,采用PSM的终端,超过99%的时间都处于休眠状态,主要有两种方式可以激活它们与网络的通信:
  • 当终端自身有连接网络的需求时,它会退出PSM的状态,并主动与网络进行通信,上传业务数据。
  • 在每一个周期性的跟踪区更新(TrackingAreaUpdate,TAU)中,都有一小段时间处于激活的状态。在激活状态中,终端先进入连接状态(Connect),与通信网络交互其网络、业务的数据。在通信完成后,终端不会立刻进入PSM状态,而是保持一段时间为空闲状态(IDLE)。在空闲状态下,终端可以接收网络的寻呼。
        在PSM的运行机制中,使用激活定时器(ActiveTimer,AT)控制空闲状态的时长,并由网络和终端在网络附着(Attach,终端首次登记到网络)或TAU时协商决定激活定时器的时长。终端在空闲状态下出现AT超时的时候,便进入了PSM状态。
根据标准,终端的一个TAU周期最长可达310h;空闲状态的时长最高可达到3.1h(11160s)。
        从技术原理可以看出,PSM适用于那些几乎没有下行数据流量的应用。云端应用和终端的交互,主要依赖于终端自主性地与网络联系。绝大多数情况下,云端应用是无法实时“联系”到终端的。
        在PSM模式下,网络只能在每个TAU最开始的时间段内寻呼到终端(在连接状态后的空闲状态进行寻呼)。eDRX模式的运行不同于PSM,它引入了eDRX机制,提升了业务下行的可达性。注:DRX(DiscontinuousReception)即不连续接收;eDRX就是扩展的不连续接收。
        eDRX模式,在一个TAU周期内,包含有多个eDRX周期,以便于网络更实时性地向其建立通信连接(寻呼)。
 NB-IoTeDRX模式示意图
图1-11     NB-IoTeDRX模式示意图
       如图1-11所示,eDRX的一个TAU包含一个连接状态周期和一个空闲状态周期,空闲状态周期中则包含了多个eDRX寻呼周期,每个eDRX寻呼周期又包含了一个PTW周期和一个PSM周期。PTW和PSM的状态会周期性地交替出现在一个TAU中,使得终端能够间歇性地处于待机的状态,等待网络对其的呼叫。
       eDRX模式下,网络和终端建立通信的方式相同:终端主动连接网络;终端在每个eDRX周期中的PTW内,接收网络对其的寻呼。
       在TAU中,最小的eDRX周期为20.48s,最大周期为2.91h。
       在eDRX中,最小的PTW周期为2.56s,最大周期为40.96s。
       在PTW中,最小的DRX周期为1.28s,最大周期为10.24s。
       总体而言,在TAU一致的情况下,eDRX模式相比于PSM模式,其空闲状态的分布密度更高,终端对寻呼的响应更为及时。eDRX模式适用的业务,一般下行数据传送的需求相对较多,但允许终端接收消息有一定的延时(例如云端需要不定期地对终端进行配置管理、日志采集等)。根据技术差异,eDRX模式在大多数情况下比PSM模式更耗电。实际应用中eDRX在保证一定实时性前提下耗电量非常大,无法用于电池供电的低功耗设备中。下行控制和实时性的矛盾问题一直是NB-IoT难以克服的难关,尤其在水、气表的远程开关阀的应用中,只能保证1天的实时性。NB-IoT开关阀门的下行控制一般采用PSM模式,可以在每天水、气表上报一次数据后的IDLE状态下接收基站的控制命令。
       LoRaWAN协议中的ClassA和ClassB对应NB-IoT的PWM模式和eDRX模式,分别处理低功耗主动上报数据功能和低功耗间歇下行控制接收功能。对比NB-IoT技术,LoRaWAN协议为轻量级物联网协议,完成同样的功能,功耗为NB-IoT的三分之一到十分之一。
4)终端简化带来低成本
       针对数据传输品质要求不高的应用,NB-IoT具有低速率、低带宽、非实时的网络特性,这些特性使得NB-IoT终端不必向个人用户终端那样复杂,简单的构造、简化的模组电路依然能够满足物联网通信的需要。图1-12所示为NB-IoT与Cat-4和Cat-0的简化对比。
图1-12NB-IoT系统简化示意图
        NB-IoT采用半双工的通信方式,终端不能同时发送或接收信号数据,相对于全双工方式的终端,减少了元器件的配置,节省了成本。
       业务低速率的数据流量,使得通信模组不需要配置大容量的缓存。低带宽,则降低了对均衡算法的要求,降低了对均衡器性能的要求。均衡器主要用于通过计算抵消无线信道干扰。
        NB-IoT通信协议栈基于LTE设计,但它系统地简化了协议栈,使得通信单元的软件和硬件也可以相应地降低配置:终端可以使用低成本的专用集成电路来替代高成本的通用计算芯片来实现协议简化后的功能。这样还能够减少通信单元的整体功耗,延长电池的使用寿命。LoRa在终端简化上与NB-IoT技术类似,相比之下,LoRa终端芯片无论基带协议、存储控制部分还是射频电路复杂度,都远低于NB-IoT终端芯片。这是由NB-IoT技术的基因决定的,NB-IoT源于4G技术,虽然做了大量的精简工作,仍然无法丢弃其原有的特性。相比之下LoRa设计之初就充分考虑了物联网发展的要求,其终端结构简单,成本和功耗优势明显。

eMTC

1.eMTC的来源

        eMTC的全称为enhanced Machine-Type Communication,增强型机器类型通信。它还有一个名字,叫作LTE-M(LTE-Machine-to-Machine,LTE-机器到机器)。也就是说,是机器之间用的LTE通信,非常直白了,是适用于物联的LTE网络。
        2008年,LTE的第一个版本R8(Release 8)中,除了有满足宽带多媒体应用的Cat.3、Cat.4、Cat.5等终端等级外,也有上行峰值速率仅有5Mb/s的终端等级Cat.1,可用于物联网等低速率应用。在LTE发展初期,Cat.1并没有被业界所关注。随着可穿戴设备的逐渐普及,Cat.1才逐渐被业界重视。但是,Cat.1终端需要使用2根天线,对体积敏感度极高的可穿戴设备来说仍然要求过高(一般只配备1根天线)。所以,在R12/R13中,3GPP多次针对物联网进行优化。首先是在R12中增加了新终端等级Cat.0,放弃了对多进多出(Multiple-inMultiple-out,MIMO)天线的支持,简化为半双工,峰值速率降低为1Mb/s,终端复杂度降低为普通LTE终端的40%左右。这样一来,初步达到了物联网的成本要求。但是,虽然Cat.0终端的发射信道带宽降至1.4MHz,但接收带宽仍为20MHz,是发射信道带宽的14倍。于是,3GPP在R13中又新增Cat.M1等级的终端,信道带宽和射频接收带宽均为1.4MHz,终端复杂度进一步降低。而Cat.M1,也就是我们的eMTC,其演化过程如图1-13所示。
 
 eMTC演化过程
图1-13   eMTC演化过程

2.eMTC作为窄带物联网的优势

       eMTC作为窄带蜂窝物联网主流网络制式标准之一,相比于非蜂窝物联网具备了LPWAN基本的四大能力:广覆盖、大连接、低功耗、低成本。分析如下:
  • 功耗低、终端续航时间长。目前2G终端的待机时长为20天左右,在一些LPWAN典型应用(如抄表类业务)中,2G模块显然无法符合特殊地点(如深井、烟囱等)更换电池的应用要求,而eMTC的耗电仅为2G模式的1%,终端待机时长可达10a。
  • 海量连接,满足“大连接”应用需求。物联网终端的一大特点就是海量连接用户,现在针对非物联网应用设计的网络无法满足同时接入海量终端的需求,而eMTC支持每小区超过1万个终端。
  • 广覆盖。LPWAN典型场景网络覆盖不足,例如深井、地下车库等存在覆盖盲点,4G室外基站无法实现全覆盖,而在广覆盖方面,eMTC比LTE增强15dB(可多穿一堵墙),比GPRS增强了11dB,信号可覆盖至地下2~3层。
  • 成本有望不断降低。目前智能家居应用主流通信技术是Wi-Fi。Wi-Fi模块虽然本身价格较低,已经降到了10元人民币以内了,但支持Wi-Fi的物联网设备通常还需无线路由器或无线AP做网络接入,或只能做局域网通信。2G通信模块一般在20元人民币以上,而4G通信模块则要150元人民币以上,相比之下eMTC终端有望通过产业链交叉补贴,不断降低成本。
  • 与此同时,eMTC使用专用频段传输干扰小。相对非蜂窝物联网技术来说,eMTC基于授权频谱传输,传输干扰小,安全性较好,能够确保可靠传输。

3.eMTC和NB-IoT的对比

        我们知道eMTC和NB-IoT是来自3GPP的一对亲兄弟,都属于LPWAN的授权频段,有诸多的相似之处,其对比如表1-5所示。
表1-5    eMTC和NB-IoT的对比表
 eMTC和NB-IoT的对比表
概括起来说,eMTC相比于NB-IoT,有五个优势:
  • 速率高。之前我们说NB-IoT,总是会说,为了保证低功耗,所以速率很慢。但是eMTC不一样,它支持上下行最大1Mb/s的峰值速率。请不要小看这个速率,在保证覆盖和功耗的基础上,能达到这个速率已经很不错了。这个速率,足以支撑更丰富的物联应用,如低速视频、语音等。
  • 支持移动性。NB-IoT的移动性差,只支持重选,不支持切换。所以,它一般都用于不怎么需要动的领域,如水表、电表及路灯井盖。但eMTC不同,它支持连接态的移动性,物联网用户可以无缝切换,保障用户体验。因此,eMTC更适用于如智能手表这样的可穿戴设备。
  • 可定位。基于TDD的eMTC,利用基站侧的PRS测量,在无须新增GPS芯片的情况下就可以进行位置定位。这样一来,更有利于eMTC在物流跟踪、货物跟踪等场景的普及。
  • 支持语音,支持VoLTE。因此,eMTC可被广泛应用到与紧急呼救相关的物联网设备中。
  • 支持LTE网络复用。eMTC可以基于现有LTE网络直接升级部署,和现有的LTE基站共站址共天线。省钱才是硬道理。eMTC利用这个优势,可以实现低成本的快速部署,有利于运营商抢占市场先机。
       当然,eMTC也不是每个方面都强于NB-IoT,在覆盖能力和模组成本方面,eMTC是不如NB-IoT的。
       如图1-14所示,在具体的应用方向上,如果对语音、移动性、速率等有较高要求,则选择eMTC技术;相反,如果对这些方面要求不高,而对成本、覆盖等有更高要求,则可选择NB-IoT。具体来说,像智能物流、楼宇安防、可穿戴通话等设备,就适合采用eMTC技术。从上述分析可知,eMTC与LoRa技术的应用存在差异,并不具有竞争性,是互补关系。
       中国的eMTC发展并不顺利,由于NB-IoT基站建设和改造的成本过大,且收益甚微,再加上现在运营商又在大力发展5G,对于eMTC的投入捉襟见肘。
 
  eMTC与NB-IoT应用对比
图1-14     eMTC与NB-IoT应用对比

Sigfox技术

       2009年,Sigfox由LudovicLeMoan和ChristopheFourtet创立,现两人分别任CEO和技术总监。该公司坐落于法国的西南部图卢 兹的郊区被称为“物联网小镇”的Labège。Labège是法国的科技创业中心。该公司专注于M2M/IoT通信,定位提供低速率、低功耗、低价格,基于Sub-1GHz的无线网络通信服务。Sigfox的运营模式非常特别,自己提供所有的技术和网络运营,既是运营商又是技术提供商。这样的市场策略有利有弊,在早期的发展中可以快速地建网,但是后期的市场竞争问题明显。对比NB-IoT技术,无法与强有力的运营商对抗;对比LoRa,无法迎合广泛的私有和局域网用户的需求。
       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,但是由于缺乏运营商和中小私有网络客户的支持,其网络覆盖增速锐减。比如在中国的市场就遇到了滑铁卢,中国的几大运营商都不能接受Sigfox的独立运营的模式。虽然Sigfox在中国与个别省份签署了战略合作协议,但是其网络一直无法规模覆盖。

1.Sigfox技术介绍

        如图1-15所示,用户设备发送带有应用信息的Sigfox协议数据包,附近的Sigfox基站负责接收并将数据包回传到Sigfox云服务器,Sigfox云再将数据包分发给相应的客户服务器,由客户服务器来解析及处理应用信息,实现客户设备到服务器的无线连接。
       Sigfox是一种低成本、可靠性高、功耗低的解决方案,用于连接传感器和设备。通过专用的低功耗广域网络,致力于连接千千万万的物理设备,并改善物联网的体验。
Sigfox协议具有如下特点。
  • 低功耗。极低的能耗,可延长电池寿命,典型的电池供电设备工作可达10年。
Sigfox网络拓扑图
图1-15Sigfox网络拓扑图
  • 简单易用。基站和设备间没有配置流程、连接请求或信令,设备在几分钟内启动并运行。
  • 低成本。从设备中使用的Sigfox射频模块到Sigfox网络,Sigfox会优化每个步骤,使其尽可能具有成本效益。
  • 小消息。用户设备只允许发送很小的数据包,最多12B。
  • 互补性。由于其低成本和易于开发使用,客户还可以使用Sigfox作为任何其他类型网络的辅助解决方案,如Wi-Fi、蓝牙、GPRS等。

2.Sigfox技术原理

1)UNB(Ultra-NarrowBand)超窄带技术
        如图1-16所示,Sigfox使用192kHz频谱带宽的公共频段来传输信号,采用超窄带的调制方式,每条信息的传输宽度为100Hz,并且以100b/s或600b/s的数据速率传输,具体速率取决于不同区域的网络配置。
Sigfox超窄带技术
图1-16     Sigfox超窄带技术
       UNB技术使Sigfox基站能够远距离通信,不容易受到噪声的影响和干扰。系统使用的频段取决于网络部署的区域。例如,在欧洲使用的频段为868~868.2MHz;在世界的其他地方,使用的频段在902~928MHz,具体的部署情况由当地的法律法规决定。
2)随机接入
       随机接入是实现高质量服务的关键技术。网络和设备之间的传输采用异步的方式。如图1-17所示,设备以随机选择的频率发送消息,然后再以不同的频率发送另外两个副本。这种对频率和时间的使用方式,称为时间和频率分散(Time and Frequency Diversity)。
上行消息的跳频传输
图1-17   上行消息的跳频传输
        一条12B有效载荷的消息在空中传输时长为2.08s,速率为100b/s。Sigfox基站监听整个192kHz频谱,寻找UNB信号进行解
调。Sigfox的传输速率非常低且速率范围很小,这也是超窄带的技术局限,物联网的多样性要求对其提出了严重挑战。相比之下LoRa的灵活度就强很多,在保证信号质量的前提下支持几十比特至几十千比特每秒的传输速率。
3)协作接收
        协作接收的原理是任何终端设备都不附着在某个特定的基站,这种方式不同于传统的蜂窝网络。如图1-18所示,设备发送的消息可以由任何附近的基站进行接收,实际部署中平均的接收基站数量为3个。这就是所谓的空间分散(SpatialDiversity)。
Sigfox基站协作接收
图1-18    Sigfox基站协作接收
        空间分散与时间和频率分散也是Sigfox网络高质量服务背后的主要因素。LoRaWAN就充分学习了Sigfox的协作接收的优势,LoRaWAN中的ADR更是将这一优势发挥到了极致,请参照本书的5.2.2小节。
4)短消息
       为了解决实现低成本的远距离覆盖和终端设备低功耗限制的问题,Sigfox设计了一个短消息通信协议。消息的大小可为0~12B。12B的有效负载足以传输传感器数据,如状态、警报、GPS坐标甚至应用数据等事件。
下面列出了一些有效载荷大小的示例:
  • GPS坐标:6B;
  • 温度:2B;
  • 速度:1B;
  • 目标状态信息:1B;
  • 激活保持信息:0B。
       欧洲的法规规定射频传输可以占有公共频段1%的时间。这个要求等于每小时6条12B的消息或每天140条消息。虽然其他地区的监管有所不同,但Sigfox使用相同的服务标准。
       对于下行消息,有效负载的大小是固定的:8B,绝大部分的信息都可以用8B传输。这已经足够用来触发一个动作,远程管理设备或设置应用程序参数。基站的占空比要求为10%,保证每个终端设备每天收到4条下行信息。如果还有多余的资源,终端可以接收到更多的信息。
       为了简单统一,Sigfox在通信消息的格式上做了严格的统一,但带来的问题是无法满足大量的复杂物联网应用。许多物联网应用中需要上百字节的数据传输,显然Sigfox技术无法实现。
5)双向传输
       下行消息由终端设备触发,Sigfox云服务器接收到设备发送的带有下行触发标识的消息后,会协商客户服务器发送下行消息。如图1-19所示,设备发送触发下行消息的第一帧20s后,将有一个最长持续时间为25s的接收窗口。下行频率是第一帧上行消息的频率加上已知的偏移量。
   Sigfox数据接收图
图1-19      Sigfox数据接收图
        总结来说,Sigfox具有一定的技术特点,但由于其UNB技术的局限性,以及自身协议标准的兼容性较差,再加上其独立的市场策略,最终导致Sigfox这几年的发展缓慢。另外,由于NB-IoT和LoRa技术的挤
压,Sigfox的生存更加艰难。作为LPWAN四雄中第一个出现的明星公司,需要从技术和市场两方面进行改进。

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