介紹蜂窩網(wǎng)絡(luò)及LPWAN互聯(lián)

對于IoT網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者來說，實現(xiàn)互連是最令人沮喪方面之一，在傳感器互相通信的周圍存在很多競爭性的標準，它們大部分都是不兼容的。從邊緣到互聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)主要有兩種方式：無線運行商和低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWANs），無疑它們存在著激烈的競爭。LPWAN提供商使用的標準不止一個，有一些還是專屬標準，而蜂窩網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展路線則是集中簡單化并且提高當前以長期演進（LTE）標準為核心的產(chǎn)品的競爭力。因此雖然在這個長期的市場中只有兩個基本的競爭對手，但是對于每個競爭隊友有應該有基本的了解，包括它們各自的優(yōu)勢、劣勢以及各種具體應用的適用性等。

為什么如此關(guān)注互連性？

為什么所有的關(guān)注都集中在連接性上？這取決于價錢：無線運營商和LPWAN提供商會對每一個連接的設(shè)備收取一定的費用，而且物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的數(shù)量正在迅速的增加。對于全球無線運營商來說經(jīng)歷了超過30年的時間才達到目前23億的用戶，但是在物聯(lián)網(wǎng)興起的最近幾年，已經(jīng)有超過84的IoT終端設(shè)備實現(xiàn)了連接，到2020年這個數(shù)字至少會達到200億。盡管并不是所有的IoT設(shè)備都會接入互聯(lián)網(wǎng)，但是“僅僅”其中的100億就會為服務(wù)提供商創(chuàng)造巨大的年收入。不用說這是一個巨大的機遇，然而不同的IoT應用之間存在著非常廣泛的差異，目前基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)和LPWAN的解決方案是不同的，因此沒有哪一個標準能夠滿足所有的應用需求。

為了說明這些差異，如下圖（圖1）所示的智能電表，一個城市中有10萬個家庭、商業(yè)和其他用水部分都要使用這種電表并接入到互聯(lián)網(wǎng)，這與在一個工廠中向250臺機器發(fā)送數(shù)據(jù)有著很大的不同，在一個巨大的農(nóng)場內(nèi)許多類型的傳感器分布在數(shù)英里范圍內(nèi)的土地上，而不是某個建筑，自動駕駛汽車的出現(xiàn)必然會創(chuàng)造出獨特的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展環(huán)境，這個環(huán)境會非常復雜，需要車輛與固定的基礎(chǔ)設(shè)施之間建立連接。

圖1：在美國已經(jīng)有接近7千萬的智能電表，每個都會通過LPWAN進行周期性的更新，當然不久也會使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)

然而無論是無線運營商還是LPWAN提供商提供的何種應用、服務(wù)都有一個共同的目標就是能夠在主機設(shè)備上安裝微型傳感器，比如閥門、電機和泵等，采用紐扣電池來供電并且在數(shù)年內(nèi)能夠周期性的與外部設(shè)備進行通信，盡管這兩種類型的服務(wù)提供商采用不同的方式來攻擊這個問題，但是它們都使用各種技術(shù)來搭建物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，舉個例子，它們限制了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇笮『烷g隔周期，以及傳感器必須進行通信的次數(shù)，而且它們也會采用非常低的數(shù)據(jù)傳輸速率，這樣就只需要非常窄的帶寬。

此外無線傳感器發(fā)送的低功率信號非常的微弱，檢測它們的基站接收器必須非常的敏感，基站本身也會使用一些技術(shù)，比如MIMO（多輸入多輸出技術(shù)），如圖2所示，某些情況下也需要使用高度定向天線來確保持續(xù)的連接性。

圖2：雖然多路徑傳播是非常不受歡迎的，但是MIMO技術(shù)卻采用它

通過在傳輸路徑兩端使用多個發(fā)送和接收天線，從而可以大大提高網(wǎng)絡(luò)容量，同時也會降低誤碼率并且優(yōu)化吞吐量。

最后很多小型基站（或者成為小單元）將需要縮短信號傳輸?shù)木嚯x，這樣會降低延遲，幾乎可以達到IoT應用瞬時響應的水平。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)和LPWANs比較

蜂窩網(wǎng)絡(luò)對物聯(lián)網(wǎng)應用有著獨特的優(yōu)勢，在美國電信運營商已經(jīng)擁有了幾乎無處不在的LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋，數(shù)十萬個大型基站和三倍數(shù)量的小型基站單元長期提供服務(wù)。在大多數(shù)情況下，更新這種基礎(chǔ)設(shè)施來適應物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通信需求只需要進行軟件升級就可以了，而不是像RF和微波收發(fā)器那樣需要大量的硬件投資。此外，盡管之前IoT被廣泛認為是下一個重大事件，其實無線運營商已經(jīng)使用以前的第二代技術(shù)(2G)為無線傳感器提供通信連接。

該行業(yè)多年來也一直在努力適應物聯(lián)網(wǎng)。第三代合作項目(3GPP)負責管理開發(fā)和發(fā)布無線標準，其中包括了在最新標準中為IoT提供的大量規(guī)范，該標準在2016年6月最后定稿。在第五代細胞的第一個標準將于2019年發(fā)布的時候，這些功能將繼續(xù)增強。到那時，無線運營商將在物聯(lián)網(wǎng)連接方面打下堅實的基礎(chǔ)。

相比之下，LPWAN提供商則沒有這樣的優(yōu)勢。它們是無線通信領(lǐng)域新興的一股力量，所以必須從頭開始構(gòu)建每個覆蓋范圍和每一個系統(tǒng)。而且留給它們在關(guān)鍵地區(qū)(典型的城市)部署這些網(wǎng)絡(luò)的時間也是非常有限的，因為蜂窩網(wǎng)絡(luò)行業(yè)正在迅速推出以IoT為中心的數(shù)據(jù)計劃。幸運的是，與蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，LPWAN系統(tǒng)的構(gòu)建和部署成本更低，并不總是需要擴展空間，而且使用更少的基站就可以覆蓋更廣闊地理區(qū)域。

現(xiàn)在的問題是，LPWAN供應商能否在由蜂窩網(wǎng)絡(luò)所主宰的環(huán)境中搏得生存機會。大多數(shù)分析人士相信這是沒問題的，因為他們提供類似于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的一些功能，比如電信級安全和其他強制性的功能特性，對于客戶來說成本會更具有競爭性。分析師還建議說至少一半的IoT案例將會使用LPWAN服務(wù)。因此，這是一個相對安全的押注，盡管蜂窩網(wǎng)絡(luò)在提供IoT連接方面占據(jù)著主導地位，但是對于LPWAN提供商仍有一席之地，在某些單一的市場可能會掀起價格戰(zhàn)。