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物联网通信协议纷争:群雄逐鹿 百家争鸣

发布时间:2018-04-18 点击数:561

       随着互联网的迅速发展,越来越多的信息孤岛已经实现了联通,在此基础上,实现万物互联已经不再是遥不可及的梦想。不知不觉间,我们在生活中已经开始接触物联网的相关技术甚至是产品。

       物联网的基本架构包括三个层面:感知层、网络层和应用层。

物联网架构图

       感知层通过传感器采集某些数据(声、光、电等),基于网络层的终端模组,对接到网络层的基站,实现数据采集后的传输。

       网络层负责将感知层采集的数据进行回传,基于不同特点采用不同的通信协议技术进行回传至关重要,这也是本文重点所讨论的内容。

       应用层可以理解为物联网的数据平台和业务平台。数据平台作为所有物联网终端数据的集合点,负责数据的统一存储、分析等,北向通过标准的API接口提供给业务平台做数据调用;业务平台基于数据平台的原始数据实现各种业务逻辑,对外呈现的是服务。

       其中,聚焦于网络层的通信协议,则是群雄逐鹿,百家争鸣。

       当下最流行的Wi-Fi技术数据传输速度飞快,尤其802.11ax技术即将诞生,理论上8条流不是梦。然而伴随速度的提升,耗电量急剧增大,且传输距离也成为难题,长距离传输需要每隔一定距离放一个AP进行桥接,这必将大幅提升成本。因此,Wi-Fi技术更适合供PC及PDA等终端应用的室内无线上网场景。

       蓝牙技术与Wi-Fi在2.4G频段上有交接,所以同频段会有一些干扰问题的产生。蓝牙的耗电情况比Wi-Fi稍微低一些, 而传输速度远不及Wi-Fi。在资产追踪、定位标签以及医疗传感器等场景下应用较多,如智能手表,蓝牙定位等。

       Zigbee技术的功耗比较小,通信距离也比较短,是一种短距离低功耗的技术,主要应用于无线传感器及医疗场景等。

       UWB超宽带技术频段较为干净,没有其他频段的干扰,在高精度定位的场景下应用更多。

通信协议对比

       以上技术更适合近距离场景的数据传输,那么在远距离场景下又有哪些技术呢?

       运营商提供的4G网络,是人们生活中应用最多的,甚至超过Wi-Fi。它可以做到长距离传输,无论在室内还是室外,速度都很可观。这种技术看起来很优越,但其功耗较大,只能应用于终端可自取电的物联网场景,如某公司的共享单车,利用太阳能电池板进行取电。

       在远距离场景下,如果终端不能解决供电问题,那么需要一种具有更低功耗,覆盖范围更大的技术来满足这个场景下的物联网通信需求。于是在业务和技术的驱动下,一些专家和企业为了解决这个问题,研究出一种新型的通信技术——LPWAN,即低功耗广域网技术。

       LPWAN的目标是为物联网应用中的M2M(设备到设备)通信场景而优化的远距离无线网络通讯技术。LPWAN技术的优势主要体现在:低速率、超低功耗、长距离、低吞吐、强覆盖。这些特点恰好说明,此项技术正是针对物联网在长距离传输的场景下开发的。具体应用如:城区覆盖、远程抄表、井盖检测以及近海渔船检测等。

LPWAN技术特点

       LPWAN作为一个新的技术阵营,其内部分为两大派系:授权频段和非授权频段。授权频段又分为EC-GSM、eMTC以及NB-IoT;而非授权频段的“头牌”则是LoRa。

EC-GSM

       随着LPWAN的兴起,传统的GRPS应用于物联网的劣势愈发明显。2014年,3GPP研究项目提出,将窄带(200kHz)物联网技术迁移到GSM上,寻求比传统GPRS高20dB的更广的覆盖范围,并提出五大目标:提升室内覆盖性能、支持大规模设备连接、减小设备复杂性、减小功耗和时延。到了2015年,TSG GERAN #67会议报告表示,EC-GSM已满足5大目标。但随着R13 NB-IoT标准冻结之后,人们将更多精力投入到了重新定义的标准当中。

eMTC

         eMTC的概念在R13中被正式命名,以前的R12被称为Low-Cost MTC,它是基于LTE演进的物联网技术。eMTC基于蜂窝网进行部署,用户设备通过支持1.4MHz的射频和基带带宽,可直接接入现有的LTE网络。eMTC的关键能力在于速率高(相较于GPRS、zigbee等)、可移动、可定位以及支持语音。。

NB-IoT

       最近特别火热的NB-IoT其实是NB-CIoT和NB-LTE两者的融合。NB-CIoT提出了全新的空口技术,较传统LTE网络改动较大,他满足于TSG GERAN#67会议上提出的五大目标,其亮点在于通信模块成本低于GSM及NB-LTE的模块。而NB-LTE则与现有的LTE兼容,特点是利于部署。在激烈的争论后,终于对两者加以融合,形成了NB-IoT的技术标准。

        NB-IoT全称为窄带物联网,可以直接部署于LTE网络,良好的兼容性降低了部署的成本。其本身具有更低的功耗,理论上估算,承载NB-IoT的终端模组基于电池的待机时间可达10年之久。模块成本的降低,也让市场更多的公司开始应用这项技术,风靡全国的共享单车就是其一。某公司第三代的智能锁就采用了NB-IoT的模组,一方面是运营商的大力推广,另一方面也确实带来了价值。

LoRa

       与NB-IoT齐头并进发展的就是LoRa,与之不同的是LoRa技术使用非授权频段。它是由Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输技术。LoRa全称是Long Range,顾名思义,LoRa可以支持长距离传输。在中国,LoRa可以使用的频段有两个:CN779-787以及CN470-CN510。由于CN779-787最大发射功率只有10dBm(10mW),并没有“实用”的价值。所以人们更青睐于CN470-CN510这个频段,它的最大发射功率可以达到17dBm(50mW)。

       类比于Wi-Fi联盟,LoRa也有对应的LoRa联盟,旨为共同建立标准和规范,LoRaWAN就是这样的产物。

LoRa与NB-IoT对比

        基于成本的考虑,LoRa的模组单价在8-10美元左右,而且非授权频段也不需要支付额外的频谱成本,相比于NB-IoT而言,成本方面具有较大优势。在电池性能方面,由于NB-IoT在蜂窝授权频谱上工作,所以需要定时进行网络同步,会消耗相应的电量,而LoRa则无此担忧,但NB-IoT的这个特性也受到共享单车的热烈欢迎,可以基于此来做车辆的实时定位工作。另外,从商业模式上来看,NB-IoT属于运营商建网,业务方不需要自己来考虑基站的部署,比较省心;但与此同时,网络的质量、安全都是不可控的风险,且企业自身的增值也会受到一定阻碍。反观LoRa,属于企业自建网络,基站需自己部署,后续需自己运维、优化等,覆盖的点位、网络质量及安全等维度都要自己负责。

        截止目前,没有哪个物联网技术能够成为真正的主流,对技术本身而言,没有绝对的完美;从业务出发,更是需要结合业务特点、商业模式去选择更适合的物联网技术。

       物联网技术的发展伴随各方“豪杰”群雄逐鹿,未来会不会三足鼎立或由新的势力一统天下,让我们拭目以待。文章转载自:


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