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补齐物联网通信层重大短板,低功耗蜂窝网络号角吹响

发布时间:2013-06-26 点击数:2844

重大技术产业化的进程依赖于整个产业链的共同发展,正如木桶效应一样,一只水桶能装多少水取决于它最短的那块木板。物联网产业发展也是如此,其中某一重要环节的缺失往往成为产业成熟的瓶颈。从人们熟悉的物联网服务“云--端”三层架构来看,近年来层出不穷的智能互联终端和各种云服务平台让“云”和“端”的产业化落地步伐加速,在“管”这一领域,3G/4G蜂窝网络快速部署和5G的研发在一定程度上推进网络层的落地,然而最终补齐物联网网络层短板的将是低功耗广域网络(LPWAN),尤其是以基站搭建的广覆盖网络的落地。

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物联网网络层仍有重大短板

当前,所有设备所需无线网络连接方式有广域和局域两种。局域连接方式主要为WiFi、蓝牙、Zigbee等,这也是智能家居、穿戴设备、智能硬件等终端采用的流行网络技术;在广域连接方面,更多是借助电信运营商提供的蜂窝网络连接,GPRS3G4G等方式为布局在不同地域的物联网终端提供互联互通的可能,交通、物流、工业、能源等各行业终端广泛采用蜂窝网络实现互联。

广 域和局域网络均有成熟的方案,似乎对于物联网产业发展来说,通信层已经做好了准备,然而实际上仍有大量设备的需求是现有网络技术无法满足,举例来说:水、 电、燃气等计量表、市政管网、路灯、垃圾站点等公用事业,大面积的畜牧养殖和农业灌溉,广布局且环境恶劣的气象、水文、山体数据采集,矿井和偏僻的户外作 业等。这些类型终端联网若采用现有运营商蜂窝网络,则会遇到的问题包括:

  1. 信号覆盖:大部分设备布局在人口稀少、环境复杂的区域,存在运营商网络覆盖或信号强度不足的问题,无法保障数据稳定传输;
  2. 功耗问题:很多设备没有持续电力供应的条件,主要通过电池供电方式,若采用运营商网络则需频繁更换电池,而更多恶劣环境下并不具备这一条件;
  3. 经济性问题:此类设备仅需传输极少量的数据,且传输频次不高,而当前运营商网络是为高带宽而设计,采用这一网络不仅占有网络、码号资源,也会产生不少包月流量费用。

类似这些设备数量不可忽视,而且对生产生活的影响更是巨大的,因此形成物联网产业化的一个重大短板。

低功耗广域网络作用凸显

低功耗网络.jpg

低功耗广域网络(Low Power Wide Area Network, LPWAN)成为弥补物联网网络层这一短板的最佳武器。看到物联网产业化发展的这一瓶颈,不少公司已开始行动且推动商业化的实现,目前商用化较为迅速的是SigFoxLoRa两种LPWAN技术,另有不少其他技术也在不断研发和商用化过程中。

其中,LoRa技术本身是一种远距离低功耗通信的技术,但让其和其他远距离低功耗通信技术不同的是,LoRa联盟推出了完全支持蜂窝物联网应用的LoRaWAN通信协议。该通信协议能够很好的处理节点漫游、基站容量管理、节点鉴权等蜂窝技术的要求,而且因为其开放性,全球大量的研发型公司参与其中不断更新修正完善LoRaWAN通信协议,使得该通信协议有着自我修复不断进化的能力,进而逐渐展现出强大的生命力。LoRaWAN支持模块生产商将模块接入第三方符合LoRaWAN标准的基站,进而提升了厂商之间合作的可能性,也让LoRa联盟的商业价值凸显出来

这些LPWAN完美解决了上文中所提及的那些设备互联互通的问题,包括:传输距离在复杂的城市环境中可以达到3公里以上,空旷地域甚至高达15公里以上,且穿透性较强,很多恶劣环境下也有信号;支持窄带数据传输,网络通信成本极低;由于低数据传输速率,基于LPWAN设备功耗极低,电池供电可以支撑数年甚至十多年。关于LPWAN相关技术和市场,物联网智库已发布数篇文章,在此不再赘述。

实际上,LPWAN不仅仅解决上文提及的那些设备连接问题,它还有更广泛的应用场景。根据Analysys Mason的研究,单单LPWAN技术,到2023年前就可以为全球增加30亿的连网数量,LPWAN的商用化将补足物联网通信层重大短板。

多种商用方式,广覆盖运营商级网络更有意义

物联网需求的碎片化决定了设备连接形式多样,就低功耗设备来说,基于安全、便捷接入、成本收益等方面考虑,用户不同应用场景对网络商用方式选择不同。总结一下,其应用场景可大致分为以下三种:

  1. 用户拥有大量同质化设备需要联网,且这些设备分布在相对较小的范围,例如牧场牲畜定位、大型仓库货物信息采集等;
  2. 用户拥有大量同质化设备需要联网,且这些设备分布在较大范围内,例如城市中的水、电、燃气表信息采集等;
  3. 用户拥有少量设备需要联网,且这些设备分布在较大范围内,例如分布在一个地区的气象数据采集传感器等

针对前两种场景,LPWAN网络服务提供商可为用户搭建用户自建的专用网络,区别在于第一种场景中可能仅需少数网关设备即可实现,而第二种场景则需要通过基站设备搭建覆盖城市级的专用网络;针对第三种场景,由第三方LPWAN网络运营商通过基站搭建覆盖城市的运营商级“行业共网”,让不同行业用户租用方式接入比较合适。

通过自建网络实现设备接入已在多个行业中广泛应用,尤其是近年来LoRa网络解决方案提供商在很多用户中布局,实现大量低功耗设备互联互通。不过,在笔者看来,搭建广覆盖城市、省甚至全国的运营商级LPWAN网络更有意义。

正如移动互联网的发展在很大程度上受益于3G/4G基站广泛部署和运营商网络覆盖提升,物联网的发展未来也将大大受益于广覆盖的运营商级LPWAN网络的建设。由于物联网碎片化需求的典型特征,一张广覆盖的LPWAN网络可以实现不同行业、不同用户随时随地设备接入网络,成为单个用户、行业应用乃至智慧城市发展的重要基础设施。

低功耗广域网络建设,产业链发力跟进

与传统蜂窝网络建设相伴的是整个产业链的协同发展和成熟,这对于LPWAN网络也同样重要,广覆盖的运营商级LPWAN网络需要标准、硬件、软件、运营、服务等产业链各环节企业共同发力。

LPWAN家族中最具发展潜力之一的LoRa为例,该技术初始研发厂商SemTech发起成立了LoRa联盟,联合产业链各环节重点企业开展标准研发和应用推广。目前,已有多家欧洲运营商开始搭建覆盖全国的基于LoRa的网络,各种应用推广更为丰富。值得一提的是,国内已有八月科技(AUGTEK)、门思科技、拓宝科技等厂商加入LoRa联盟,并在国内多个行业进行商业化推广。

相 对于单个用户或行业自建的网络,建设广覆盖的运营商级网络难度更大,其中稳定的基站设备研发就是其中难点之一。举例来说,在自建网络中,接入设备与网关之 间数据交换可通过时隙实现单通道传输,而在运营商级网络中,大量不同行业、不同用户接入的设备会有很多并发性数据传输需求,基站设备需要以多信道满足多用 户需求。

就笔者了解,国内厂商八月科技(AUGTEK)推出LoRa基站具备多信道双工通信的能力,并围绕基站设备推出LoRa模组、数据交换中心等融合的一体化方案,可支撑运营商级LPWAN网络建设,其方案完全符合LoRaWAN通讯协议。其他厂商如门思科技、拓宝科技也在模组、软件、应用等方面发力,国内围绕LoRa的产业链已初具雏形,接下来还需更多合作伙伴共同参与方能将该产业链推向成熟。

今年8月份,DataXoom公司的联合创始人Rob Chamberlin曾发文称物联网可能需要一个全新的专用网络,直指低功耗广域网络。产业界、媒体、政府、行业组织等也将低功耗广域网络推向聚光灯下,相信物联网通信层这一短板在不久的将来会被补齐。
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