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NB-IoT、LoRa、eMTC的应用前景

本文作者
徐灿辉:具有多年从事无线网络通信工程规划咨询及设计工作经验的高级设计师

       本文从物联网产业发展现状分析低功耗广域网络在物联网产业中的重要地位,并对NB-loT、eMTC、LoRa这3种主流的低功耗广域网络技术从技术特点、应用场景、产业链以及国家政策等角度研究其各自的应用前景及特点,并展望物联网技术发展的未来趋势。

1、引言

       物联网作为新代的信息技术,被认为是"下个工业革命”,物联网就是物物相连的互联网,其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。物联网通过信息传感设备按照事先约定的协议,将世间万物与互联网连接起来,并进行信息的交换和通信,从而实现智能化识别、定位、跟踪、监测控制和管理。物联网在政府、企业、消费者等方面均有广阔的应用前景,如智能交通、智能社区、智慧政务等可以应用在政府领域,为政府及市民提供更智能化服务工业监控、智能物流、智能停车等则可以企业领域发挥巨大作用;车联网、可穿戴设备、智能家居将成为消费者在物联网方面的重点应用场景。而根据应用场景所需的传输速率,又可将物联网业务需求划分为高、中、低速。其中低速率业务有着最为丰富的应用场景包括各种智能表,智能抄表、智能停车、物流监控、智慧农林牧渔业、工业监控设备等,而此类低速率应用占据了物联网应用的最大比重,如表1所示。

表1物联网业务接入速率需求


       物联网通常可以分成感知层、网络层和应用层这3层。感知层通过实时感知,随时随地进行相关信息的采集和获取,并将收集到的物理信息传送至网络层,网络层提供信息网络接入,实现的信息交互和共享。应用层则对采集到的数据进行分析处理并加以利用。网络层的连接是物联网的最重要的部分,它起到承上启下的作用,物联网的技术演进路线及分类也是主要围绕网络层的通信技术进行。物联网通信技术从其服务的范围可分为短距离通信技术和远距离通信技术。短距离通信技术如Wi-Fi蓝牙以及Zigbee等一般用于智能家居、工业数据采集等局城网通信场景,其优势是部署成本低、功耗低、传输速率高,但劣势也很明显--传输距离短,且无法保证网络间靠的协调控制,因此短距离无线通信技术难以在物联网领域实现统一的大规模的应用。而且随着物联网接入设备数量、设备的类型及应用场景增多,更多的应用场景是需要广范围、远距离的连接,如智能抄表、物流监控等。而远距离的通信技术代表低功耗广域网络更能适应物联网网络连接的需求。低功耗广域网络有“远距离通信”、“低速卒数据传输和“功耗低”三大特点,因此非常适合远距离、通信数据量较少、由电池长期供电的物联网应用。,而低功耗广域网络代表性的技术包括LoRa、eMTC、NB-loT等

 

2、技术和应用场景层面分析

       在物联网应用中占比最大的中低速率的应用场景下,NB-loT、eMTC、LoRa成为全球范围内的3种主流的低功耗广域网物联网标住。虽然物联网应用场景众多,但其对通信技术的需求技术的要点可大致归纳为图1中的7个方面:

图1物联网对通信技术需求技术要点

(1)工作频段:根据所使用的无线电频段的性质LPWAN技术可以分成两大类:第一类是授权频段技术,其中代表就是NB-loT、eMTC,工作在通信管理部门指配的专用频段;第二类是工作在非授权频段技术,LoRa作为其中代表之ー,使用与其他业务可共用的非授权专有频段。中国LoRa应用联盟(CLAA)推荐LoRa在中国市场使用470~518MHz,在国内使用LoRa技术建设物联网的前提是不能对其工作频段中运行的其他业务如无线广播电视、航空无线电导航等业务产生干扰。

(2)覆盖范围:NB-loT采用传输带宽的变窄提高功率密度、低阶调制及最大传输重复次数的增加等上行覆盖增强技术,目标是实现NB-loT比比GSM基站提升20dB的增益,实现覆盖到地下车库、地下室、地下管道等以往信号难以到达的地方的目的。eMTC覆盖增强主要依靠信道的重复和调频,不同覆盖等级PRACH配置不同的重复次数,其设计目标是在LTE最大路损140dB基础上增强15dB,提升深度覆盖能力。LoRa在城区部署的理论覆盖范围可达3~5km而在空旷环境下最远可达30km,但因其工作在非授权频段,受国家政策影响LoRa在国内进行室外广域覆盖将受限,在覆盖方面可能会存在一定的局限性。

(3)电池和能效:NB-loT和eMTC通过eDRX省电技术和PSM省电模式,降低功耗,延长电池使用时间。在PSM省电模式下,终端仍旧注册在网但信令不可达,等终端有上报数据的请求的时刻才会唤醒自己退出PSM模式,从而使终端更长时间驻留在睡眠状态。eDRX省电技术主要原理为采用更长周期的寻呼监听,进一步延长终端在空闲模式下的睡眠间期,减少接收单元不必要的启动。与NB-loT和eMTC等同步协议的节点必须定期地联网不同,LORAWAN采用的是一种异步的基于ALOHA的协议,节点可以根据具体应用场景需求设定睡眠的长短。

(4)安全:物联网在给人们的生活带来便利的同时,也面临着如何保证物联网的信息安全性问题。LoRa联盟的LORAWAN标准在信息安全方面采用双重128AES加加密机制提供数据保护和身份认证,其中包括了终端设备和应用服务器之间安全的双向通信解决方案。其整体安全架构如图图2所示

图2LORAWAN整体安全架构


       NB-loT和eMTC均工作在授权的专用频段,由运营商的提供电信级的安全保障。以NB-loT为例,其整体安全架构如图3所示。

图3NB-IoT整体安全架构

(5)建设和维护成本:从网络建设和维护来看LoRa需要客户自己负责建设并维护网络,而NB-loT和eMTC则直接利用运营商建设的网络。由于运营商长期提供网络服务,NB-IoT和eMTC在网络建设和维护方面将更具专业性和稳定性,如表2所示。

       在低成本、广覆盖和长续航的静态场景下,如环境监测、智能停车、智能抄表等,NB-loT和LoRa在覆盖、功耗、成本、连接数等方面性能占优,但存在速率较低、实时性较弱等不足。另外,LoRa由于主要承载在非授权频段造成无线覆盖范围受限,在区域性的专用网络场景中较为适用。虽然eMTC在覆盖、功耗以及模组成本方面不如上述两种技术,但eMTC网络应用场景更加丰富,其在峰值速率、移动性、语音能力、时延较小、位置定位方面存在优势,更适合应用在有语音通话、带完速率较高以及有移动需求的场景下,未来可被广泛应用到可穿戴设备、物流跟踪等场景。

 

3、产业链层面分析

       技术的大规模商用离不开其产业链 的支撑,目前低功耗广域网络已形成从“芯片一模组一终端设备一运营商一应用"的完整产业链,其中LoRa商用的时间比较早,已经积累了相当数量的用户。深圳三火通信了解到本文作者进一步分析,虽然LoRa的芯片供应商只有Semtech一家,但因其技术的开放性,目前在国内中兴通讯、鹏博士、利尔达等公司积极参与LoRa产品的研究开发,并涌现出一大批的LoRa模组与方案商。从成本、数据安全性等方面考虑,企业用户的定制化项目可能会优先选择建设LoRa这样的私有网络,随着eMTC、NB-IoT这两个蜂窝物联网标准在移动通信标注化组织3GPP制定工作相继完成,基于授权频谱的低功耗广域网络(LPWAN)技术在蜂窝通信阵营内部取得了标准上的统一,全球主流运营商以及通讯设备厂商纷纷加大了对两个标准的摧进力度。虽然物联网运营领域是否会形成以电信运营商为主体的产业链尚未可知,但在网络通道层面上,运营商在物联网发展中具备专业、品牌、运营、跨行业等各方面优势。 

       总体来看,eMTC、NB-IoT的生态产业链与传统的电信网络产业链类似,主要由传统的蜂窝通讯设备商、芯片厂商、运营商作为标准和产业的主要推动者;而对于LoRa来说,LoRa基站设备和管理平台的研发和生产主要由大量的中小企业参与,现阶段尚未形成规模化和一定的市场集中度,为此中国LoRa应用联盟已经推出的共享模式在一定程度上提升LoRa设备和平台的集中度。

4、国家政策层面分析

       物联网作为我国大力扶持和发展的战略性行业之一,国务院以及各部委出台了不少物联网的产业政策。其中在《国务院关于推进物联网有序健康发展的指导意见》《中国制造2025》和《国务院关于积极推进“互联网+"行动的指导意见》等国家政策顶层设计中对物联网发展提出了要求。工信部发布的《信息通信行业发展规划物联网分册(2016-2020年年)》中提出,到2020年具有国际竞争力的物联网产业体系基本形成,总体产业规模突破1.5万亿元,M2M连接数突破17亿。

       另外,工信部在2017年6月发布的《关于全面推进移动物联网(NB-IoT)建设发展》通知提出到2020年NB-loT基站规模达到150万个实现在全国的NB-oT网络的普遍覆盖以及深度覆盖。照目前的我国的现状来看,NB-loT获得国家政策的大力支持以及运营商的大规模投入,其商用可能会远远走在其他技术的前面。 


5、总结与展

       在物联网领域中,低功耗广域网技术是公认的实现“万物互联”较好的技术方案,其中LoRa、eMTC以及NB-loT三种技术可谓各有干秋,互有优劣,因而将形成具有各自特点的应用模式,但最根本的目的还是满足各种场景下的需求。在丰富的物联网应用场景下,各种类型的客户将根据设备连接数、承载能力、成本控制等多个方面去综合权衡,选择合适的技术建设物联网网络。

此外,随着社会的不断发展,在将来的更多的物联网应用场景中,物联网设备的速率需求会由以低速率为主转向低、中、高多种速率共存,因此支持双模式或者多模式的物联网设备将是未来物联网发展的重点方向之一。

来源:5G
深圳三火通信转载报道

标签: NB-IoT技术 NB-IoT智能抄表

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