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文档简介
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
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库
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