关于窄带物联网NBIoT前沿技术

关于窄带物联网NBIoT前沿技术

一、引言

物联网应用需要考虑许多因素，比如节点成本，网络成本，电池寿命，数据传输速率

(吞吐率)，延迟，移动性，网络覆盖范围与部署类型等。能够说没有一种技术能够满足

loT所有的需求。NB-IoT与LoRa两种技术具有不一致的技术与商业特性，因此在应用

场景方面会有不一致。这里会针对二者的区别进行阐述，同时对各自适合的应用场景进行

说明。

二、频段，服务质量与成本

LoRa工作在1GHz下列的非授权频段，故在应用时不需要额外付费。NB-IoT与蜂

窝通信使用1GHz下列的授权频段。处于500MHz与1GHz之间的频段关于远距离通信

是最优的选择，由于天线的实际尺寸与效率是具有相当优势的。

LoRaWAN使用免费的非授权频段，同时是异步通信协议，关于电池供电与低成本是

最佳的选择。LoRa与LoRaWAN协议，在处理干扰、网络重叠、可伸缩性等方面具有

特殊的特性，但却不能提供像蜂窝协议一样的服务质量(QoS)。据悉授权的Sub-GHz频

段的竞拍，每MHz价格超过5亿美金。蜂窝网络与NB-IoT出于对服务质量(QoS)的考

虑，并不能提供类似LoRa一样的电池寿命。由于QoS与高昂的频段使用费，需要确保

QoS的应用场景推荐使用蜂窝网络与NB-IoT,而低成本与大量连接是首选项的话LoRa

是不错的选择，如下图。

eJ30loTSolutionandPriceSegmentation

QAI25Cellular

gM2M

u20

C

uA15

逅

-dc10

3

>

l5

M

U

U0

O

012345678910

QualityofService

三、电池寿命与下行延迟

蜂窝网络设计的理念是最优的频段利用率，相应的就牺牲了节点成本与电池寿命.相

反，LoRaWAN节点是为了低成本与长电池寿命而生，在频段利用率方面有一定的欠缺。

关于电池寿命方面有两个重要的因素需要考虑，节点的电流消耗（峰值电流与平均电

流）与协议内容。LoRaWAN是一种异步的基于ALOHA的协议，也就是说节点能够根据具

体应用场景需求进行或者长或者短的睡眠，而蜂窝等同步协议的节点务必定期地联网。比

如，现在市面上的手机工作时每1.5s务必与网络进行同步。在NB-IoT中，这种同步变

少但是仍然在定期进行，这样就额外的消耗了电池的电量。

在蜂窝网络中调制是充分利用频段的有效手段，但是从节点的角度这并不是有效的。

蜂窝的调制（OFDM或者者FDMA）需要一个线性的发射器来产生调制信号，而一个线性的

发射器需要的峰值电流比非线性调制多几个数量级，越高的峰值电流会消耗电池更多的电

量。

但同步的通信协议在较短的下行延迟方面具有优势，同时NB-IoT能够为需要大量数

据吞吐量的应用提供快速的数据传输速率。而LoRaWAN的ClassB通过定期地（编程实

现）唤醒终端以收取下行消息而缩短了下行通信的延迟。

因此关于需要频繁通信、较短的延迟或者者较大数据量的应用来说NB-IoT或者许是

更好的选择，而关于需要较低的成本、较高的电池寿命与通信并不频繁的场景来说LoRa

更好。

Cost/DR/Battery/Range

^5O-129O-0S0O

IIIIIIIIIIIlllfllllllll

$5$10$15$20$25

10kpbs1Mbps10Mbps

四、网络覆盖与部署时间表

节点工作的本质需求是网络的覆盖，关于NB-IoT来说一个明显的优势是能够通过升

级现有的网络设施来提供网络部署，但是这种升级仅限于某些特定的4G/LTE基站，同时

花费较高。同时这种升级仅适于已经具有4G/LTE覆盖的城区，关于偏远或者者郊区等没

有4G覆盖的来说并不合适。NB-IoT标准在16年6月公布，估计模块将于17年上半年

量产公布。除网络部署之外，相应的商业化与产业链的建立还需要更长的时间与努力去探

索，但是市场需求与机会是否会等待呢？

LoRa的整个产业链相对已经较为成熟了，产品也处于''蓄势待发”的状态，同时全球

很多国家正在进行或者者已经完成了全国性的网络部署。LoRa产业链一个突出优点是每

个环节的成员都掌握着自主性，一些大公司正在计划制造一种混合型的商业模型来部署网

络与应用。但NB-IoT产业链会受到频段、运营商等限制。

五、设备成本,网络成本与混合模型

对终端节点来说，LoRaWAN协议比NB-IoT更简单，更容易开发同时关于微处理器

的适用与兼容性更好。NB-IoT的调制机制与协议比较复杂，这就需要更复杂的电路与更

多的花费，同时NB-IoT与3Gpp一样是要收税的。现阶段关于一部手机的税费大概是5

美元，但这关于物联网设备来说显得太昂贵了，而且假如贸然的降低税费会引起手机等移

动通信市场的价格混乱。因此3GPP组织如何权衡IoT与移动通信两方面税费问题也个大

问题。

低成本、技术相对成熟的LoRa模块已经能够在市场上找到了，同时升级版还会接踵

而至。LoRa联盟没有过多版权与税费的限制使得在LoRa产业链下模块低于4美元是十

分可观的。现在市场上的LoRa模块价格通常在7-10美元，但是随着技术的成熟度提高

4-5美元并不是大问题。而现在一个LTE模块的价格却很难低于20美元。

相关于传统的只依靠''铁塔"部网，关于IoT与LPWAN来说部署需要使用不一致模型

以降低支出与运营成本。LoRaWAN部署花费更少，由于能够利用传统的信号塔、工业基

站甚至是便携式家庭网关来进行。现阶段一个塔式的基站价格大概是1000美元，工业基

站价格低于500美元，而家庭式的网关只需要100美元左右。但是关于NB-IoT来说，

升级现有的4GLTE基站的价格保守估计每个很多于15000美元。

六、应用举例

如之前提到的，没有一种技术能够同时满足IoT应用的所有需求。卜面将通过几个具

体的应用实例来分析NB-IoT与LoRa各自适合的应用场景。

A：智能电表

在智能电表领域有关的公司与部门需要高速率的数据传输、频繁的通信与低延迟。由

于电表是由电源供电的，因此并没有超低功耗与长电池使用寿命的需求。同时还需要对线

网进行实时监控以便发现隐患时及时处理。LoRaWAN的ClassC能够实现低延迟，但是

关于高传输速率与频繁通信的需求NB-IoT是更适合于智能电表的选择。同时电表通常安

装在人口密集的地区的固定位置，因此关于运营商部网也较为容易。

B：智慧农业

对农业来说，低功耗低成本的传感器是迫切需要的。温湿度、二氧化碳、盐碱度等传

感器的应用关于农业提高产量、减少水资源的消耗等有重要的意义，这些传感器需要定期

地上传数据。LoRa十分适用于这样的场景。而且很多偏远的农场或者者耕地并没有覆盖

蜂窝网络，更不用说4G/LTE了，因此NB-IoT并不如LoRa一样适合于智慧农业。

C；自动化制造

工厂机器的运行需要实时的监控，不仅能够保证生产效率而且通过远程监控能够提高

人工效率。在工厂的自动化制造与生产中，有许多不一致类型的传感器与设备。一些场景

需要频繁的通信同时确保良好的服务质量(QoS),这时NB-IoT是较为合适的选择。而一

些场景需要低成本的传感器配以低功耗与长寿命的电池来追踪设备、监控状态，这时

LoRa便是合理的选择。因此关于自动化生产制造的多样性来说，NB-IoT与LoRa都有

用武之地。

D；智能建筑

关于建筑的改造，加入温湿度、安全、有害气体、水流监测等传感器同时定时的将监

测的信息上传，方便了管理者的监管同时更方便了用户。通常来说这些传感器的通信不需

要特别频繁或者者保证特别好的服务质量，同时便携式的家庭式网关便能够满足需要。因

此该场景LoRa是比较合适的选择。

E：零售终端(POS)

零售终端(POS)系统往往需要较频繁与高质量的通信，而且这些设备通常有专门供电

的设备，因此关于较长的电池使用寿命没有要求。同时关于通信的时效性与低延迟要求较

高。因此出于以上考虑NB-IoT比较适合于本应用。

F：物流追踪

追踪或者者定位市场的一个重要的需求就是终端的电池使用寿命。物流追踪能够作为

混合型部署的实际案例。物流企业能够根据定位的需要在需要场所部网，能够是仓库或者

者运输车辆上，这时便携式的基站便派上了用场.LoRa能够提供这样的部署方案，而关

于NB-IoT来说追踪范围过大基站的铺设是很大的问题.同时LoRa有一个特点，在高速

移动时通信相关于NB-IoT更稳固。出于以上的考虑，LoRa更适合于物流追踪。

7、总结

IOT领域并没有一个没有争议的选择，每一个应用场景都有自己特殊的需求与考虑。

本文阐述了NB-IoT与LoRa二者各自的特点与商业模式，相信二者在IOT市场上都将有

一席之地。

想快速全面熟悉LoRa?看这篇就够了！

物联网的快速进展对无线通信技术提出了更高的要求，专为低带宽、低功耗、远距

离、大量连接的物联网应用而设计的LPWAN（low-powerWide-AreaNetwork,低功

耗广域网）也快速兴起。NB-IoT与LoRa是其中的典型代表，也是最有进展前景的两个低

功耗广域网通信技术。

这两种LPWAN技术都有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗少等特点，都适合

低功耗物联网应用，都在积极扩建自己的生态系统。但是，

这两者之间到底有什么区别与不一致？

有什么重叠或者不一致的应用范围？

两者之间是你死我活的互相替代关系

还是你有我无的互补关系？

这也是笔者试图弄清晰的问题，接下来我们将会陆续推出广域物联网通信技术专题文

章，介绍LoRa与NB-IoT与两种技术、各自生态与对两者进行对比。

LoRa：易于建设与部署的低功耗广域物联技术

LoRa的诞生比NB-IoT要早些，2013年8月，Semtech公司向业界公布了一种新

型的基于1GHz下列的超长距低功耗数据传输技术（LongRange,简称LoRa）的芯片。

其同意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j'网络连接可靠性。

它使用线性调频扩频调制技术，即保持了像FSK（频移键控）调制相同的低功耗特性,

又明显地增加/通信距离，同时提高了网络效率并消除了干扰，即不一致扩频序列的终端

即使使用相同的频率同时发送也不可能相互干扰，因此在此基础上研发的集中器/网关

（Concentrator/Gateway）能够并行接收并处理多个节点的数据，大大扩展了系统容量。

•

3

3

E

S

U

3

S

Datarate

图LLoRa技术特点

线性扩频已在军事与空间通信领域使用了数十年，由于其能够实现长通信距离与干扰

的鲁棒性，而LoRa是第一个用于商业用途的低成本实现。随着LoRa的引入，嵌入式无

线通信领域的局面发生了完全的改变。这一技术改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考

虑方式，提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量、低成本的通讯系统。

LoRa要紧在全球免费频段运行（即非授权频段），包含433、868、915MHz等。

LoRa网络要紧由终端（内置LoRa模块）、网关（或者称基站）、服务器与云四部分构成，应

用数据可双向传输。如图2所示。

IS2：LoRa网络架构

LoRa的优势要紧表达在下列几个方面：

1、大大的改善了接收的灵敏度，降低了功耗

高达157db的链路预算使其通信距离可达15公里（与环境有关）。其接收电流仅

10mA,睡眠电流200nA,这大大延迟了电池的使用寿命。

2、基于该技术的网关/集中器支持多信道多数据速率的并行处理，系统容量大。

如图2所示，网关是节点与IP网络之间的桥梁（通过2G/3G/4G或者者

Ethernet）,每个网关每天能够处理500万次各节点之间的通信（假设每次发送

10Bytes,网络占用率10%）。假如把网关安装在现有移动通信基站的位置，发射功率

20dBm（100mW）,那么在建筑密集的城市环境能够覆盖2公里左右，而在密度较低的郊

区，覆盖范围可达10公里。

3、基于终端与集中器/网关的系统能够支持测距与定位。

LoRa对距离的测量是基于信号的空中传输时间而非传统的RSSI（ReceivedSignal

SterngthInd-ication）,而定位则基于多点（网关）对一点（节点）的空中传输时间差的测

量。其定位精度可达5m（假设10km的范围）。

这些关键特征使得LoRa技术非常适用于要求功耗低、距离远、大量连接与定位跟踪

等的物联网应用，如智能抄表、智能停车、车辆追踪、宠物跟踪、智慧农业、智慧工业、

智慧城市、智慧社区等等应用与领域。

表：LoRa关键特性和优势

关蜩征优势

157db链路预算

远距离

距离＞15km

品小的基础设施成本

易于建设和

使用网关/集中芸扩展系统容量

电池寿命＞10年

延长电池寿金

接收电流10mA,休眠电流＜200nA

免牌照附痂段

基础设施成本低低成本

节点/终端成本低

应用：国外如火如荼，国内略显冷清

一种通讯技术要实现大规模商业化，除技术本身要有特定的优势外，还需要背后阵营

强力支持，其中产业联盟就是一股强大的推动力量，LoRa也不例外。

2015年3月LoRa联盟宣布成立，这是一个开放的、非盈利性组织，其目的在于将

LoRa推向全球，实现LoRa技术的商用。该联盟由Semtech牵头，发起成员还有法国

Actility,中国AUGTEK与荷兰皇家电信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。

LoRa的产业链中（包含终端硬件产商、芯片产商、模块网关产商、软件厂商、系统集

成商、网络运营商）的每一环均有大量的企业，构成了LoRa的完整生态系统，促使了

LoRa的快速进展与生态繁盛。

Nenieus£MOIOCMIP

BN—DCMJO

AduenisRI吧总'i阴麓ocblitu

HopeRF

ttymtekroxconn

ARMrbed

LKT,IJ,：SvtWisestreom

HolleyGemtek

z&imstkalink:ZTE中兴

图3：LoRa产业链中的厂家

目前LoRa网络已经在世界多地进行试点或者部署。据LoRa联盟年初的数据是有9

个国家开始建网，56个国家开始进行试点;截至目前最新公布的数据，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、韩国等更是部署或者计划部署覆盖全国的LoRa

网络。

图4：法国电信运营商Bouygues部署连接百万设备量的LoRa网络

LoRa技术在国外进展如火如荼。只是就国内来看，LoRa的应用大概并不多，目前可

看到的公开应用是国内AUGTEK公司在京杭大运河开展的LoRa网络建设，据悉目前已

经完成江苏段的全线覆盖。

事实上国内从事LoRa模块与方案开发的厂商并很多，除AUGTEK,还有洲斯物联、

思创汇连、普天通达、八月科技、NPLink,门思科技、利尔达、通感微电子、上海雍敏、

武汉拓宝、博大光通、纵行科技、唯传科技、三凡信息等等众多公司。

LoRa易于建设与部署，得到越来越多国内公司的关注与跟进。比如深圳通感微电子

有限公司成立了专门的项目组从事LoRa模块、网关与整体方案的开发。据该公司副总经

理刘文上介绍，通感微做了很多有关LoRa的项目，比如可实时显示停车位分布状况的停

车场监控系统（图5）、实现无线土壤检测的智能农业系统（图6）、防止盗猎的南非Kruger

国家公园犀牛保护项目（图7）等。

这些项目的部署时间都非常快，比如上述的停车监控系统，覆盖面积

10km*10km,部署了6个LoRa网关，支持终端规模3000个，部署时间仅需两周。只

是这些项目都是为国外而开发的，刘文上表示他们今年才在国内开展一些项目。

名称：PervasiveSystems

斯：WoRa网关

支持绥端想校：3000

部署时间：2周

:itlfiSOKbps,

平均幽30Kbps

能杏面积:10KMx10KM

应用目的：实时显示停车位分布状况

图5：成功案例-停车场监控

公司名称:NovarisB.V.andTerraleqB.V.

郃国同关榭g:&MoRa网关

支持缰。皎1000个

辞言时间：网关部署时间84例

:iHiSOKbps.平i«3^3OKbps

mssn:15KMX15KM

应用目的：无法土堰检费.检测土堰温度、

电介质等,为智能农业提供参考嶷

见.项目得到欧盟项目委员会认同和支持以

及荷兰农业部黄金支持.

图6：成功案例-智能农业

公司名称：TerraTieqB.V.

葬省网划限：120个LoRa网关

支持缴"线10000个

部8崛：1个月

^£39:tHB50Kbps,平0Kbps

SififiK:365KMX65KM

目的：陶EKrugerg家公项

目筋止濯府）.包括管干碘和动物成身携

带移动网络.

图7：成功案例-犀牛保护项目

疑问：后起之秀NB-IoT将导致LoRa消亡？

随着今年6月份NB-IoT的标准冻结，近来备受瞩目的NB-IoT的规模化商用的基础

终于落实。普遍认为2017年将是NB-IoT网络商用的元年。

作为华为与众多运营商力推的低功耗广域网技术，NB-IoT一经推出就受到了业内的

广泛关注，LoRa与NB-IoT之争的话题不曾间断•Nb-iot联盟成员之一的沃达丰，其某

位高管甚至公开表示了''NB-IoT将导致LoRa消亡”的观点。

面对这样一个有强劲后台的后起之秀，

LoRa确实会被其取代吗？

刘文上认为，从技术上看，两者之间事实上并没有太大的优劣式之分，从应用范围上

来看，两者事实上很多都是一样的。区别在于，NB-IOT使用的是运营商统一部署覆盖全

国的网络进行收费运营的方式，而LoRa能够让企业搭建属于自己的网络实现业务运营。

尽管NB-IoT受到了运营商的强力支持，只是并不代表LoRa就会被轻易取代。

“LoRa相对NB-IoT的好处是已经有成熟的商用，而NB-IoT才刚刚开始•LoRa与

NB-IoT的应用可能会有很多重叠，只是NB-IoT是由运营商来主导，要用到运营商的网

络，因此数据是先上到运营商那里，许多企业或者许不愿意把自己的数据给到别人，因此

这些企业宁愿部署自己的私有物联网络，这时候用LoRa就很合适。”刘文上说道。

表：NB-IGT与LoRa技术叁数对比

Nb-IoTLoRa

技术特点蜂裔线性扩频

网络部署与现有蛭意基站复用独立建网

频段运营商辍150MHz到1GHz

传输距留远距陶远距离（l-20km）

速率<100kbps03-50kbps

连接数量200k/cell200k-300k/hub

终端电池工作时间约10年约10年

的迪5-10$模块约5$

上海雍敏信息科技股份有限公司董事长张敏也有同样的观点，该公司目前也在为第三

方开发LoRa方案。他认为，事实上LoRa与NB-IoT两个都是目前最有进展前景的远距

离通信技术，同时他们在技术上来说并不是说哪个更好，哪个差些，最终谁进展得好，

要紧看背后的阵营的推动力量与国家的政策。

''两者的应用范围事实上也没有太大区别，都是智能电表、水表抄表、智能农业等低数

据量的采集。说到智能电、水表的抄表，假如使用NB-IoT,需要用到电信运营商的基

站，但是水电气的运营商（电力公司、水务公司）不可能把数据通过电信运营商绕•圈在收

回来，他们完全能够自己搭建网络，由于其中涉及到很多利益分配问题。”张敏说道，因此

最终哪类技术会更胜一筹或者占据大部分应用目前还不好推断。

12种无线技术，谁将成为物联网时代的,、成王败寇〃？

物联网，万物互联。在这个时代卜，越来越多的物体将被连接到互联网，并最终实现

到主控端/云端的连接。这些连接，我们可使用多种通信链路予以实现。

然而，设备本身通常通过无线方式连接到物联网系统。这种无线连接是系统中极为重

要或者最为薄弱的链路。因此，选择一种能够匹配设备及其周边环境的无线技术很重要。

本文介绍了最有可能为新设计使用的几种无线候选技术。

设备通过无线方式链接到网关是一种典型的物联网连接场景（图）。网关是通过公用宽

带电缆或者DSL调制解调器连接互联网的接口，然后再通过互联网服务提供商连接到互联

网。在另外一种被称之机到机（M2M）的应用场景中，设备连接会通过一家蜂窝运营商，然

后再到另一家运营商，或者直接到互联网。

图:针对物联网(a)与M2M(b)应用的典型无线连接场景

在选择无线技术时务必全面考察许多设计因素：

•设备的数据速率：视频流，测量每分钟的温度，或者之间的其他参数。

•到网关的范围或者距离：房间内几英寸的距离，或者农村地区超过1英里的范围。

・环境：工厂中的危险环境，暴露在天气中的室外环境，来自电子设备的噪声或者电

磁干扰等。

・需要加密或者认证：对数据安全性有什么要求？

•功耗：电池寿命，能效，可能需要连接交流电。

•容量：联网设备的数量。

•服务质量与可靠性。

•网络拓扑：星形，网状，或者其它拓扑。

•单工或者双工：单向还是双向通信。

•合适与可用的频谱：许可还是免许可。

・可用的IC、模块与设备。

•成本：设计、制造或者互联网接入服务费用。

・开发平台：需要操作系统吗？需要什么其它软件？

•互联网接入：蜂窝、数字用户线路(DSL)、电缆、卫星。

・可用标准的许可条件。

2G/3G蜂窝

通常被称之机到机(M2M)的许多使用案例都类似于物联网。多家供应商提供蜂窝电话

模块用于嵌入到其它产品，而大多数要紧的蜂窝运营商都在标准许可频谱上提供M2M连

接服务。尽管像GSM/GPRS/EDGE等2G技术很流行，但一些运营商已经有计划逐步淘

汰2G业务。

然而，大多数网络仍然支持诸如WCDMA与CDMA2000等3G技术，其数据速率高

达每秒几兆比特。范围是指到蜂窝站的距离，能够长达几公里。蜂窝连接显然是一种选

择，但它比后文介绍的其它方案更昂贵些。

802.15.4

802.15.4以短距离、低中数据速率与低功耗用例为目标，是后文提到的几种其它标

准的基础。它的要紧工作频谱是2.4GHz工业、科学与医疗(ISM)免许可频段，有的时候

候也用到902MHz至928MHz与868MHz频段。

802.15.4标准为PHY与MAC网络层提供基于数据包的协议。其它标准都是以此为

基础增加更多的层，从而提供增强的网络功能与性能。

6LOWPAN地址节点

国际互联网工程任务组(IETF)的6LOWPAN是基于低功耗无线个人区域网的互联网协

议第6版(IPv6)的简称。

这个标准最初的目标是802.15.4,后来也被BluetoothSmart与低功耗HaLow

Wi-Fi所使用。具体来说，6LOWPAN定义了使用封装与头部压缩技术将IPv6数据包适

配进其它协议帧的方式。

蓝牙

也许使用最广泛的短距离无线技术是工作在2.4GHzISM频段的蓝牙(BT)。几种不

一致的版本提供多种不一致的数据速率、功率电平与范围。其基本的工作原理是使用不一

致调制方法的跳频扩展频谱(FHSS)技术。

最新版本的蓝牙是BluetoothSmart或者版本4.1,也称之低功耗蓝牙(BLE)。这个

配置使用缩短了的数据包，最大速率是IMb/s,使用GFSK调制。它的最大好处是优异

的低功耗特性。发送功率是10mW,它的距离可达100米。针对不一致的用途有多种软

件配置文件，而其互操作性认证可有效做到完全兼容。

LoRa

LoRa(长距离)是由Semtech公司开发的一种技术，典型工作频率在美国是

915MHz,在欧洲是868MHz,在亚洲是433MHz。LoRa的物理层(PHY)使用了一种特

殊形式的带前向纠错(FEC)的调频喟啾扩频技术。这种扩频调制同意多个无线电设备使用

相同的频段，只要每台设备使用不一致的明啾与数据速率就能够了。其典型范围是2km

至5km,最长距离可达15km,具体取决于所处的位置与天线特性。

LTECat0/1

LTE是长期演进的缩写，是目前第4代蜂窝技术。

LTECat0与Cat1是LTE的功能简化版本，是为了匹配M2M的低功耗低速率要求

而专门设计的。M2M应用也被称作机器类通信(MTC),使用许可频谱中的现有蜂窝网

络，而不是短距离的无线与互联网。

对大多数基本的监视与操纵应用来说，标准的LTE网络太浪费了。LTECatO与Cat

1是简化版本，能够为最大数据速率分别为IMb/s与10Mb/s的M2M应用提供合适的解

决方案。Cat0与Cat1使用现有的LTE带宽与正交频分多址(OFDMA)调制技术。这种

长距离解决方案能够支持数公里的范围。

窄带物联网(NB-IoT)

将LTE用于物联网的一个相对较新的变体是窄带物联网。与使用标准LTE的全部

10MHz或者20MHz带宽不一致，窄带物联网使用包含12个15kHzLTE子载波的

180kHz宽的资源块。数据速率在100kb/s至ijIMb/s范围之内。

这种更加简化的标准能够为联网设备提供很低的功耗。此外，它能够作为一种软件叠

加被部署进任何LTE网络。窄带物联网的资源块能够很好地适配进标准LTE信道或者保

护带.当运营商重新划分它们较早的2G频谱时，它也能适配进标准的GSM信道。调制

使用OFDMA卜行链路与SC-FDMA上行链路。

SIGFOX

SIGFOX既是一种无线技术，也是一种网络服务。SIGFOX工作在868MHz与

902MHz的ISM频段，但消耗很窄的带宽或者功耗。

SIGFOX无线电设备使用了一种被称之超窄带(UNB)调制的技术，只是偶尔以低数据

速率传送短消息。消息最长是12个字节，一个节点每天能够传送的消息数量最多是140

条。由因此窄带宽与短消息，因此除了其162dB的链路预算外，它还能够达到数公里的

长传输距离。

Weightless

Weightless是以物联网应用为目标的一系列开放无线技术标准。它有三种不一致的

版本，分别时应LPWAN市场中的不一致细分领域。

最简单的版本是用于低成本应用的Weightless-No这个版本的目标是单工或者单向

用途，如传感器监视。它工作在不到1Gb的免许可ISM频段。调制使用的是使用跳频技

术的差分BPSK,可最大程度地减少干扰。具有完整签权功能的128位AES加密是这种

技术的一个关键特性。由因此低数据速率与窄带宽通道，传输距离可达5km。

技术频率数据速率范围功耗成本

2G/3G集富频段lOMb/s几公里高高

802.15.42.4GHz250kb/s100米低低

藏茏2.4GHz1,2.1,3Mb/s100米低低

[oRq<lGHz<50kb/s2-5公里低中

LTECat0/1蜂窝频段l-10Mb/s几公里中高

NB-loT捱窝频段0.1-lMb/s几公里中高

SIGFOX<lGHz很低几公里低中

Weightless<lGHz0.1-24Mb/s几公里任低

Wi-Fi(llf/h)2.4/5<lGHz0.1-lMb/s几公里中低

WirelessHART2.4GHz250kb/s100米中中

ZigBee2.4GHz250kb/s100米低中

Z-Wave908.42MHz40kb/s30米低中

无线技术一览表

假如需要更高性能的双向通信，Weightless-P也许是最好的选择。它同时使用了频

分多址(FDMA)与时分多址(TDMA)技术，可管理访问多个12.5kHz宽的信道。这种技术

使用GMSK与交错QPSK调制，数据速率范围可从低速的200b/s一直到100kb/s。典

型的最大传输距离约为2km。在安全方面支持AES-128/256加密与签权。

第三个版本是Weightless-W,旨在工作在电视的空白频段。空白频段是往常在

470MHz至790MHz范围内被电视台使用的那些6MHz宽信道。它能够达到lkb/s至

10Mb/s的数据速率，具体取决于链路预算。在非视距条件下最远传输距离可达5km以

上。

Wi-Fi

Wi-Fi被广泛用于许多物联网应用案例，最常见的是作为从网关到连接互联网的路由

器的链路。然而，它也被用于要求高速与中距离的要紧无线链路。

大多数Wi-Fi版本工作在2.4GHz免许可频段，传输距离长达100米，具体取决于

应用环境。流行的802.11n速度可达300Mb/s,而更新的、工作在5GHzISM频段的

802.11ac,速度甚至能够超过1.3Gb/s。

一种被称之HaLow的适合物联网应用的新版Wi-Fi马上推出。这个版本的代号是

802.11ah,在美国使用902MHz至928MHz的免许可频段，其它国家使用1GHz下列

的类似频段。尽管大多数Wi-Fi设备在理想条件下最大只能达到100米的覆盖范围，但

HaLow在使用合适天线的情况下能够远达1km。

802.llah的调制技术是OFDM,它在1MHz信道中使用24个子载波，在更大带宽

的信道中使用52个子载波。它能够是BPSK、QPSK或者QAM,因此能够提供宽范围的

数据速率。在大多数情况下100kb/s到数Mb/s的速率足够用了一一真正的目标是低功

耗。Wi-Fi联盟透露，它将在2018年前完成802.llah的测试与认证计划。

针对物联网应用的另外一种新的Wi-Fi标准是802.11afo它旨在使用从54MHz到

698MHz范围内的电视空白频段或者未使用的电视频道。这些频道很适合长距离与非视距

传输。调制技术是使用BPSK、QPSK或者QAM的OFDM。每个6MHz信道的最大数据

速率大约为24Mb/s,只是在更低的VHF电视频段有望实现更长的距离。

WirelessHART

这是得到广泛使用的高速可寻址远程传感器(HART)工业网络技术的无线版本，要紧

用于过程监控、传感器网络、楼宇自动化与交通运输领域。该技术基于流行的IEEE

802.15.4标准，代号是802.15.4e。

WirelessHART在基础标准之上增加了一个时间同步网格协议。除了网格拓扑外，它

也能使用星形配置。WirelessHART使用TDMA与时隙跳信道(TSCH)技术，最多可访问

个节点。

ZigBee

ZigBee是物联网的理想选择之一。

尽管ZigBee通常工作在2.4GHzISM频段，但它也能够在902MHz到928MHz与

868MHz频段中使用。在2.4GHz频段中数据速率是250kb/s。它能够用在点到点、星

形与网格配置中，支持多达216个节点。与其它技术一样，安全性是通过AES-128加密

来保证的。ZigBee的一个要紧优势是有预先开发好的软件应用配置文件供具体应用（包含

物联网）使用。最终产品务必得到许可。

Z-Wave

Z-Wave是一种单一来源的私有无线技术。工作在908.42MHz的ISM频段。它使

用高效的GFSK,可实现9600b/s或者40kb/s的数据速率;在某些应用中甚至可达

100kb/s,典型的功率电平是lmW（OdBm）,最大覆盖范围约30米，取决于具体应用环

境。Z-Wave能够用于点到点链路或者节点数最多232个的星形配置中。在安全性方

面，它使用AES-128加密措施。这种技术务必获得许可才能在商用产品中使用。

从文中这张表，我们能够快速地对文中提到的这12种技术进行比较。同时，物联网

市场包罗万象，涉及工业、交通、农业与医疗等各行各业，应用的需求也各不相同。因

此，关于物联网这样一个长尾市场，我们能够确信，任何标准都不可能占据主导地位。但

是，我们能够针对具体应用很方便地找到一种最恰当的技术来与之对应。

【老司机解读NB-IoT系列NBToT低成本之葵花

宝典大结局

新空口协议栈，阉割芯片运算能力

上篇吴老司要紧谈到NB对物理层的简化，这里要紧从整个协议栈的角度来看NB的

简化（吴老司默认你明白物理层是协议栈的一部分，不展开讲）。

我们来将传统的LTE与NB的协议栈进行一个对比，从中能够看到NB是如何下定决

心进入抠逼模式的（简直是一个都不放过!）：

LegacyLTENB-loT

|RRCConnedon11RANShadng

RRCM函而yi二][~lfwS?CMAS

PDCP卜旧MSI|Ceowity

AKfJRUM]I"TM

RLCRtF一例。1RicsS.

MAC

PHY

?PHY物理层：信道重新设计，降低基本信道的运算开销。比如PHY层取消了

PCFICH.PHICH等信道，上行取消了PUCCH与SRS。这个问题在上一章节已经有所提

及，这里不再重复，请各位同学自觉复习《NB-loT低成本之葵花宝典part2》.

?MAC层：协议栈优化，减少芯片协议栈处理流程的开销。这里重点讲下，由于在吴

老司看来，MAC在LTE中起的作用实在是太重要了!举个栗子来说，假如说物理层是房子

的根基的话，那么MAC层就是房子的顶梁柱！

/仅支持单进程HARQ（说明两点：一是NB中仍然有HARQ重传机制，二是相比于

LTE原有的最多支持8个进程process,NB仅支持单个进程。什么意思?说明数据传输

中，在没有得到NACK/ACK反馈之前终端都务必等着!亲，这就完全颠覆了LTE中多进程

同时传输提升传输速率与效率的基本思想）；

/不支持MAC层上行SR、SRS、CQI上报。没了CQI,LTE中那么重要的AMC（自

习惯调制编码技术）功能岂不基本等于武功全废？

，不支持非竞争性随机接入功能；

/功控没有闭环功控了，只有开环功控（这也正常，假如使用闭环功控，算法会烦恼得

多，调度信令开销也会很大）。

写到这里的时候，作为老司机，我不得不说NB你这个败家子!LTE的家都快让你败完

了！

?RLC层：不支持RLCUM（这意味着没法支持VoLTE类似的语音）、TM模式（这意味

着原先在LTE中走TM的系统消息，在NB中也务必走AM）;

?PDCP：PDCP的功能被大面积简化，原LTE中给予的安全模式、ROHC压缩等功能

直接被阉割掉。被简化后，NB中PDCP的功能己经弱到不能呼吸，直呼不要不要的「；

?在RRC层：没有了mobility管理（这意味啥?意味着NB将不支持切换）;新设计

CP、UP方案简化RRC信令开销（后续会单独成篇分析）;增加了PSM、eDRX等功能减少

耗电（请参考小功耗部分讲解）。

tips

注意吴老司对上图各层协议栈进行说明的时候，所列出各层的顺序，是遵循协议栈结

构的，事实上这样的顺序是咱们懂得协议栈的一个基本套路，也是咱们在学习任何一个通

信协议栈的时候所建议的学习顺序。懂得了这点，你也就能猜到后续吴老司在讲解NB的

技术细节的时候的出牌套路。

只是需要特别提醒各位小同学的是，NB的协议栈是在LTE的协议栈上进行修改得来

的，彼此之间还是存在一定的联系，这是由于当前LTE的进展形势一片大好，已经形成了

完整的产业链，站在LTE这个巨人的肩膀上，对后续NB成本的降低是大有好处滴。

产业链及运营等影响成本的因素

关于成本问题，我认为还有另外两个成本因素需要重点考虑，一是运营商的建网成

本，另外一个是产业链的成熟度。

/关于运营商建网成本，与LoRa相比，NB-IoT无需重新建网，射频与天线基本上都

是复用的。以中国移动为例，900MHz里面有一个比较宽的频带，只需要清出来一部分

2G的频段，就能够直接进行NB-IoT的同时部署，甚至是NB与LTE同时部署。只是，

根据吴老司《NB-IoT低成本之葵花宝典parti》中分析，问题没有这么简单。具体建网

模式将在后续进行全面分析。

）关于产业链来说，芯片在NB-IoT整个产业链中处于基础核心地位，现在几乎所有

主流的芯片与模组厂商都有明确的NB-IoT支持计划，这将打造一个较好的生态链，对降

低成本是大有好处的。比如华为收购公司Neul的芯片实现的比较早，已有测试样片;高通

的芯片在2016年四季度阶段公布，而且高通的芯片是NB-IoT与eMTC双模的芯片；

Intel的芯片今年四季度会提供第一批的芯片，商用芯片也是在明年年初公布;MTK的芯片

也在研发当中，明年上半年会公布;中兴微、大唐的芯片也都在研发当中。

，NB在物理层下行使用OFDMA,上行使用SC-FDMA,这点与LTE基本保持了一

致。另外在帧结构中也有很多是''就LTE而取材”的。此外，再后续讲解NB的三种工作

模式时，你会更清晰地看到NB是如何与LTE共呼吸同命运的。总而言之，NB从LTE而

来，继承了很多LTE的实现，且NB比LTE又要简化得多，因此这对后续研发成本、量产

成本带来非常多的好处。

说这么多，吴老司用通俗点的例子来告诉你真相：简单的懂得就是NB为了实现人生

巅峰，各类傍大款，各类求带!有木有秒懂？

芯片成本进展

最后关于成本问题，引用一些''名言警句"（网上的报道）：

?沃达丰集团研发主管LukeIbbetson认为：''假如产业链不能将单模块成本降到两

三美元下列，实现大规模应用，NB-IoT市场就做不起来。我们需要从全局角度出发，以

极低的成本将物联网模块嵌入设备中"。

?华为总裁胡厚良认为，要想刺激NB-IoT大规模进展，通信模块成本务必低于5美

元。假如成本降到1美元以内，则会带来爆发式增长。

因此，尽管NB-IoT市场前景广阔，但火热背后也存在着价格战。NB-IoT成本极

低，大规模应用下成本应降至1美元，目前单个连接模块还停留在5美元。而这种价格差

距让企业思考NB-IoT时不得不考虑成本优势问题，尽管运营商正在积极推动，最终要真

正实现技术的产品化还有很长的一段路要走。

正如伟大领袖毛主席所言：前途是光明的，道路是曲折的。

假如确实实现，小伙伴们就能够奔走相告：妈妈再也不一致担心我的肾啦！

低成本之葵花宝典小结

吴老司用了三个篇章的内容对NB低成本问题进行了阐述，下面将低成本的三个part

内容进行下小结。

不得不说，NB为了练成绝世神功葵花宝典，对全身上下进行了一次又一次的白宫:

）协议栈上物理层、MAC等进行了重大简化，降低运算能力;

,硬件上进入抠逼模式，能省就省；

/在产业链上尽量傍大款，各类求带。

基于云端的10T集成解决方案

基于云端的IOT集成解决方案

1。丁时代，要实现工业设备中多屏、移动的人机交互，构建工业物联网架构，基本需

要这几个要紧部分：

I.具备感知的现场设备（传感器或者者智能设备）

II.从现场到网关的信号通路

i.现场设备自带总线端口

ii.或者者通过操纵器中转

III.接入internet的网关接口，作为从现场到云服务的数据通道

IV.基于internet的云服务器

V.客户端用户界面UI（UserInerface）

BLE

我们基本上能够认为这是一项横跨''工业自动化"与''互联网IT”的系统集成，这其中包

含了从工业操纵、现场总线、互联网、通讯、数据库、服务器、软件乃至大数据分析等多

项复杂技术领域。

现状

这两年，随着工业4.0与中国制造2025的推进，各类工业IoT与远程服务类产品

层出不穷、方兴未艾，但假如我们认真观察就不难发现，目前大部分的工业物联网解决方

案仍然是非常基于现有传统自动化系统与架构的。

首先，IoT的基础之一，就是最后一个字母所代表的''Things”,在工业物联网中的

''万物"当然就是现场的传感、设备与各类智能部件了，而目前这些工业设备I/O组件要

紧都是由各大自动化产品公司提供的，同时这些产品设备之间的连接更多的是倾向于使用

各自的自动化系统总线。也就是说，现在现场设备与''云端"的联结仍然需要先借道现场总

线，然后在通向云端时借助网关将设备系统接入互联网。

因此，基于这样的现实，现在我们看到的很多''远程小IoT”解决方案，通常提供的都是

一套能够与现有自控系统配套的网关与其背后的云端服务器，实现将设备中现有运行数据

传送到云端服务器并进行结构化存储的功能，注意粗体字部分的''现有运行数据"，就是说

搭建这样一套、'IoT”系统的前提是务必有设备操纵系统，同时操纵器与总线都得是这个网

关''认识"的。

另外，就目前看来，很多的''远程'"'IoT"产品，基本上解决了从设备现场到云端的数据

传输与存储的功能，但关于信息与数据的展示，特别是在移动端的展示与人机交互，尽管

某些厂家的确提供了客户端展示功能，但往往都是基于标准界面的页面展示与基本功能交

互，行业深度仍然不够，当然就更谈不上什么大数据分析了。假如要基于应用场景展示数

据图表，需要比较深度的客户端开发，而这往往并非这些服务提供商提供的常规服务。

因此，关于目前市面上的工业产品与服务的认识基本能够这样看：

•使用通用的工业设备的I/O组件

•需基于本地设备操纵系统的集中数据采集并预存储

・需借助通用网关接入互联网，将本地操纵系统数据发送至云端二次存储

•云存储与数据呈现需单独进行二次深度开发

问题

正如本文开头所说，这是一项横跨''工业自动化"与''互联网IT”的系统集成，因此，要

实现并达到完整的IoT物联网使用体验，对工业制造企业来说，第一个问题就是要面对来

自不一致技术领域的多个供应商，而这些供应商可能来自工业操纵、现场总线、互联网、

通讯、数据库、服务器、软件…等等方面。这事实上对我们目前的制造企业来说，不管从

成本、管理与技术能力等各方面来说，都是不小的挑战。

同时.，当下IoT产品大部分是要依靠设备操纵系统与现场总线实现数据连接的，这事

实上让工业物联网应用难度与门槛增加了很多。比如，假如我们的设备现场没有完整的操

纵系统与现场总线，甚至连操纵器都没有，是否还需要先做操纵系统集成再升级到物联网

呢？再比如，假如云端需要的数据，在现有操纵系统中没有对应的运行数据，务必先重新配

置设备操纵系统，可能要包含从现场设备（如传感器）布置、接线到参数调整一系列工作，

这些工作交给这些IoT的服务商靠谱么？

IOT过度依靠于设备操纵系统，大量决策信息与设备操纵信息并行事实上对操纵器提

出了极高的挑战，特别是未来的IOT系统将承载大量可能与操纵无关的现场感知信息，而

这些信息对操纵系统而言，可能并不是务必的。

另外，这样的IoT系统需要通过本地总线、交换机、操纵器与网关等多个步骤才能实

现现场与云端的数据连接，涉及的软硬件等中间环节非常多，因此保护运营成本自然也是

较高的。

数据传修

后台

存储

GS喀传Ml连接图

库

我抠