最新的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)論文(2)
最新的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)論文二：物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域最具發(fā)展前景的通信技術(shù)
摘 要：物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的物物相連將會(huì)使百億以上物體連入網(wǎng)絡(luò)，這對傳統(tǒng)的近距離無線接入和移動(dòng)蜂窩網(wǎng)提出了更高的要求。而經(jīng)過實(shí)踐證明，LPWA是發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的最佳選擇。
關(guān)鍵詞：LPWA;物聯(lián)網(wǎng);LoRaWAN
0 引 言
近些年，物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展對傳統(tǒng)的近距離無線接入和移動(dòng)蜂窩網(wǎng)提出了更高的要求。目前用于物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的通信技術(shù)正在全球范圍內(nèi)開發(fā)，低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)(Low Power Wide Area，LPWA)中最具發(fā)展前景的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有超長距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)(Long Range，LoRa)、超窄帶技術(shù)(Sigfox)、基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)。
1 LPWA是發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的最佳選擇
根據(jù)市場研究公司Machina Research調(diào)研顯示，2015年，全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)量約為60億個(gè)，按照這一速度，在2025年前，物聯(lián)網(wǎng)連網(wǎng)設(shè)備數(shù)量將達(dá)到270億個(gè)，以LPWA技術(shù)接入物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備將占據(jù)11%的份額。
Ericsson Mobility報(bào)告顯示，2018年前，物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備數(shù)量將超過手機(jī)數(shù)量，即在280億個(gè)入網(wǎng)設(shè)備中將有160億設(shè)備是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，2015年至2021年，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備年均增速將達(dá)到23%。在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中，增速最快的將是蜂窩物聯(lián)網(wǎng)(Cellular Internet of Things)，接入設(shè)備的數(shù)量將從2015年的4億個(gè)達(dá)到2021年的15億個(gè)。
入網(wǎng)物體的行業(yè)屬性及對數(shù)據(jù)的要求成為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)商選擇不同連網(wǎng)解決方案的根據(jù)。例如連接汽車需要較高的數(shù)據(jù)傳輸速度以方便汽車與道路基礎(chǔ)設(shè)施之間的交互，而對于安裝在私人住宅里的電表則更適用低功耗、長半徑、無需較高速數(shù)據(jù)傳輸能力的技術(shù)，因?yàn)橐话汶姳砻吭碌臄?shù)據(jù)傳輸量均不會(huì)超過100 KB。目前在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中，LPWA低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)幾乎是全球公認(rèn)的用于“萬物互聯(lián)”的較好的技術(shù)方案。這一技術(shù)可以確保大范圍覆蓋能力、模塊化和較低的功耗，為M2M通信提供了較大的可能。
2 LoRaWAN的技術(shù)特點(diǎn)
長距離廣域網(wǎng)或遠(yuǎn)程廣域網(wǎng)(Long Range Wide-Area Networks，LoRaWAN)是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域最受關(guān)注的技術(shù)之一。該項(xiàng)技術(shù)具有低功耗、低成本和遠(yuǎn)距離傳輸特點(diǎn)，連接后可長時(shí)間運(yùn)作，若為電池供電則可工作超過十年。網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)所使用的頻譜資源無需許可。與傳統(tǒng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)不同的是，LoRaWAN屬于混合網(wǎng)絡(luò)，私人和公共網(wǎng)絡(luò)均可使用。
由思科、IBM、Sagecom、SemTech等眾多提供商公司成立的LoRa聯(lián)盟正在對LoRaWAN進(jìn)行研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化工作。LoRa聯(lián)盟的主要任務(wù)是在LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上為物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營商提供硬件和軟件連接的解決方案。
在LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)中，如果信號(hào)沒有障礙，那么一個(gè)基站可覆蓋100多公里;在有阻礙的情況下，根據(jù)地形和建筑密度，一個(gè)基站可覆蓋2～15公里。因此若要使LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個(gè)荷蘭，那么只需500個(gè)基站即可。設(shè)備間數(shù)據(jù)的交互速度可達(dá)到300比特秒至100千比特秒，這一速度足以滿足獲取來自公共資源的數(shù)據(jù)，包括氣象等信息。
2015年6月，LoRa聯(lián)盟發(fā)布了LoRaWAN 1.0，根據(jù)聯(lián)盟數(shù)據(jù)顯示，2016年第一季度LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在13個(gè)國家啟動(dòng)并在60個(gè)國家進(jìn)行了測試。歐洲運(yùn)營商Orange公司認(rèn)為，LoRa要優(yōu)于所有競爭對手，并將在法國部署1.5萬個(gè)基站對全法國進(jìn)行覆蓋。俄羅斯Everynet公司正在不斷推動(dòng)LoRaWAN的標(biāo)準(zhǔn)化，LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)已于2016年5月在俄羅斯喀山Innopolis經(jīng)濟(jì)特區(qū)開始測試運(yùn)行。特區(qū)政府代表指出，該項(xiàng)測試技術(shù)將在未來對整個(gè)城市內(nèi)部進(jìn)行自動(dòng)化，包括住宅電表數(shù)據(jù)、停車位數(shù)據(jù)、城市照明和道路安全信息的收集。預(yù)計(jì)在2016年，LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)將覆蓋整個(gè)俄羅斯，甚至擴(kuò)大至歐亞經(jīng)濟(jì)聯(lián)盟國家(白俄羅斯、哈薩克斯坦、亞美尼亞、吉爾吉斯)。網(wǎng)絡(luò)提供商公司強(qiáng)調(diào)，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用單是在照明領(lǐng)域就能節(jié)省30%的成本。SenLab羅斯公司在2016年1月宣布在莫斯科地區(qū)進(jìn)行LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)測試，隨著基站的鋪設(shè)，該公司也在同時(shí)進(jìn)行著對LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)中傳感器本地化的工作，用以減低終端設(shè)備成本。
3 Sigfox的技術(shù)特點(diǎn)
Sigfox網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)者是一家法國的同名公司，該公司成立于2009年，使用的是超窄帶技術(shù)(Ultra Narrow Band，UNB)。該技術(shù)可提供簡單、可靠和兼具成本效益的設(shè)備通信網(wǎng)絡(luò)，多用于少量信息數(shù)據(jù)的傳輸。Sigfox網(wǎng)絡(luò)在歐洲使用868兆赫頻段，在美國使用902兆赫，Sigfox覆蓋面積非常廣闊，可達(dá)到50公里，且功耗較低。
Sigfox網(wǎng)絡(luò)用于智慧城市、智能樓宇、資產(chǎn)追蹤、遠(yuǎn)程監(jiān)控、控制和計(jì)量電能等領(lǐng)域，可為企業(yè)創(chuàng)造新的服務(wù)和商業(yè)模式，創(chuàng)造更多的收入。連接到Sigfox網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以每周發(fā)送140條不超過12字節(jié)的信息，包括協(xié)議、設(shè)備功耗以及報(bào)警等。Sigfox網(wǎng)絡(luò)與LoRa均為網(wǎng)絡(luò)和電信運(yùn)營商提供物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)以及為建設(shè)自己的LPWA網(wǎng)絡(luò)提供了強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)。
2016年1月，Sigfox公司宣布在南極部署物聯(lián)網(wǎng)，該公司將幫助比利時(shí)研究小組研究影響氣候變化的進(jìn)程。學(xué)者們獲得了45個(gè)擁有長期自動(dòng)工作模式電池的應(yīng)用Sigfox網(wǎng)絡(luò)的GPS追蹤器，該跟蹤器可以向基站發(fā)射探險(xiǎn)隊(duì)員的坐標(biāo)位置。2016年7月，Sigfox公司在整個(gè)拉丁美洲啟動(dòng)Sigfox物聯(lián)網(wǎng)，并宣布將與墨西哥物聯(lián)網(wǎng)公司進(jìn)行合作。計(jì)劃在2016年年底，將Sigfox物聯(lián)網(wǎng)信號(hào)覆蓋墨西哥首都，并在盡量短的時(shí)間內(nèi)在北美國家鋪設(shè)Sigfox網(wǎng)絡(luò)。截止2016年8月，全球共計(jì)有21個(gè)國家(法國、西班牙、葡萄牙、荷蘭、盧森堡、愛爾蘭以及拉丁美洲國家)鋪設(shè)了Sigfox網(wǎng)絡(luò)，接入Sigfox網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)量超過700萬個(gè)，Sigfox公司預(yù)計(jì)于2016年底前將鋪設(shè)國家數(shù)量擴(kuò)至30個(gè)。
4 依據(jù)現(xiàn)有移動(dòng)技術(shù)開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)
由于當(dāng)前M2M設(shè)備對數(shù)據(jù)傳輸速度要求不高，因此現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用于物物相連的成本比較高昂。傳感器和設(shè)備也因在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和復(fù)雜的協(xié)議中能量過度消耗，導(dǎo)致M2M設(shè)備中電池的快速放電?，F(xiàn)有蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)時(shí)還需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)升級(jí)。目前，經(jīng)過升級(jí)后應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)包括EC-GSM(又稱EC-GPRS，EC-GSM-IoT)、eMTC(又稱LTE-M，LTE Cat.M1)和NB-IoT。這些技術(shù)的共同缺點(diǎn)是運(yùn)行時(shí)需要許可的頻譜，數(shù)據(jù)傳輸自費(fèi)對于對速度要求不高的設(shè)備來說相對昂貴，LTE標(biāo)準(zhǔn)下工作的設(shè)備價(jià)格較高。優(yōu)點(diǎn)是可以使用現(xiàn)有移動(dòng)運(yùn)營商的基礎(chǔ)設(shè)施，支持漫游、多媒體實(shí)時(shí)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸速度快。
EC-GSM是一項(xiàng)基于GSM/GPRS/EDGE基礎(chǔ)的技術(shù)，可使這一制式下大部分已安裝的基站無需更換或升級(jí)硬件設(shè)備，其優(yōu)勢在于移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施已就緒，大部分情況下只需要更新在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的軟件。此外，GSM網(wǎng)絡(luò)遍布全球，擁有最大的覆蓋面。
eMTC是適用于LTE網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其數(shù)據(jù)傳入傳出的速度可達(dá)到1兆秒。eMTC在價(jià)格、覆蓋、自動(dòng)運(yùn)行期限以及與現(xiàn)有移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施兼容性等指標(biāo)更適用于大眾物聯(lián)網(wǎng)，eMTC網(wǎng)絡(luò)可在現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上通過更新軟件的方式進(jìn)行建設(shè)。
NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與LTE網(wǎng)絡(luò)擁有密切的協(xié)調(diào)性和兼容性。但支持這一技術(shù)需要建設(shè)新類型的接收器。NB-IoT可提供許重要支撐，包括支持超過10萬個(gè)聯(lián)接，設(shè)備電池壽命可長達(dá)10年，通過相互驗(yàn)證和增強(qiáng)的加密接口可提高安全性，為運(yùn)營商的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供穩(wěn)定條件等。
總體而言，每種3GPP網(wǎng)絡(luò)都具有明顯的優(yōu)勢，即移動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)具有全球性，IT基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，許可頻譜的使用降低了設(shè)備本身的成本等。但目前只有NB-IoT實(shí)現(xiàn)了規(guī)劃化，EC-GSM和eMTC仍然在等待標(biāo)準(zhǔn)化。
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