公里级的物联网连接标准化，选SIGFOX、LoRa 还是LTE？

作者：Barry Manz

物联网是什么？诸如“将每个人与一切可连接的事物连接起来，让这种连接无处不在”云云，大家恐怕都要听腻了。到目前为止，还没有什么具体的证据来证明我们正朝着这样的目标发展，因为初始时推动物联网的并不是消费者，而是工业、政府之类不那么“接地气”的应用。但希望大家不要误会：物联网的兴起是“如假包换”的，只是这个过程的具体方式，并不是大家想象的那种样子。物联网的一大重要课题，就是将各种微型传感器设备与处在核心位置的主机系统连接到一起，而众多无线运营商与初创公司都在竞逐这条赛道，这就是物联网正处于蓬勃发展时期的力证。

要想在超出ZigBee、Wi-Fi和蓝牙适用距离的情况下连接物联网设备及其主机系统，可以采用的方法基本上不外乎两种：无线运营商的蜂窝网络，和其他公司开发的低功耗广域网（LPWAN）。LPWAN开发商的目标，就是要赶在无线运营商入场之前，在尽可能多的城市区域内部署网络。而无线运营商则有以下三种解决方案可以用来部署网络：

● EC-GSM，其中EC表示“扩展覆盖范围”。这种方案就是通过添加新软件的方式，将现有的GSM蜂窝网络用于物联网应用。

● LTE的多个变种，本文称之为LTE-M。这是一个总称，涵盖了各种用于物联网连接的LTE规范。

● 第五代无线技术5G，相关标准自2020年起陆续推出。

所以，物联网部署的竞争已经打响。无线运营商拥有巨大的优势，因为他们的网络覆盖几乎无处不在，但如果LPWAN供应商能够迅速落地自己的解决方案，那么我们就有理由相信，从物联网连接中获得的潜在巨额收入这块大蛋糕，终将由无线运营商和LPWAN供应商一起分享。

目前，无线运营商已经在使用仍需维护的传统第二代（2G）技术，为物联网设备提供连接。不过，大多数无线运营商都已经或即将关闭2G网络，这一过程被许多人称为“2G日落”(2G sunset)，届时依赖2G网络的警报器等系统必须升级到3G或4G。因此，负责管理无线标准的第三代合作伙伴计划（3GPP）在其第13版标准中专门针对物联网制定了大量规范，并在此后的修订中不断解决有关物联网连接的各种问题，为无线运营商开展物联网连接业务制定坚实的路线图。

物联网连接的三种类型

物联网连接基本上可分为三类：短距离、中距离和长距离连接。

短距离

蓝牙、Wi-Fi和Zigbee都是短距离解决方案，在设计上并不考虑覆盖大面积区域。它们的传输距离以米为单位，达不到公里级的程度。

中距离

处于中间位置的是无线运营商网络和LPWAN，它们的设计目标是具有较大的覆盖范围、较低的服务成本、运营商级的安全和加密，以及为特定应用量身定制的其他功能。如果现在就要让无线运营商来提供这些解决方案的话，服务成本会相对较高，但在LPWAN的强力竞争面前，无线运营商势必会降低他们的服务成本。

长距离

通过与卫星直接通信，可以实现“超长距离”的解决方案，但成本非常高昂。此类连接方案的传输距离可以延伸至火星甚至更远，但随着距离增加，延迟问题会越来越大，而且功耗较高。

下文中，我们将会讨论众多中距离物联网连接解决方案中的一小部分。中距离物联网至少可以通过两种技术提供服务：通过蜂窝运营商的无线网络，或者通过越来越多的低功耗广域网（LPWAN）技术方案。

LPWAN的种类

LPWAN在很大程度上可根据其采用的调制方案，区分为超窄带、窄带和宽带网络。超窄带网络的优势在于，随着传输带宽的缩小，本底噪声会得到改善，从而对接收器灵敏度和传输距离产生积极影响，有利于降低传输功率。

这些特性也决定了超窄带系统所能实现的功能，主要就是限于低数据速率和小数据包大小，以及单向或双向通信。窄带网络可以在超窄带和宽带网络之间实现令人满意的折衷方案，提供较大的覆盖范围和容量。信道大小为500kHz至1MHz以上的宽带网络具有极高的数据传输速率。

上述总结只是对现实中非常复杂的系统进行了极为简化的解释。例如，每种网络的功能都可以通过使用扩频调制等技术以及其他通常是专有的方法得到改进。因此，每家供应商的超窄带、窄带和宽带网络的性能都会有很大差异。对于潜在客户而言，在选择具体解决方案之前，还必须考虑网络容量、服务质量、可靠性和安全性等各种因素，使得在上述这些网络之间做出选择变得更加复杂。

竞争者

物联网连接领域中，在无线运营商提供的方案（LTE/4G/5G）之外，还有各路竞争对手，下面将介绍其中主要的六种：LoRa、Symphony Link（以及Ensemble）、SIGFOX、Weightless、Nwave和Ingenu。

它们都开发出了自己的解决方案，这些方案因为不同的专有软件、网络技术以及其他各种因素而各不相同。

LoRa

LoRa（Long Range的缩写）是LoRa联盟倡导的一套用于双向设备开放标准的物理层，其网络实现称为LoRaWAN，由Semtech（拥有核心芯片技术）、IBM Research和Actility共同开发。

LoRa采用啁啾扩频调制，一个基站通常可以覆盖数百平方公里的范围，具体取决于环境因素。Semtech的SX1276低功耗长距离收发器可用于自动抄表、家庭和楼宇自动化、无线报警和安防系统、工业监测和控制以及远程灌溉系统。

图1：Semtech SX1276低功耗长距离收发器功能框图
（图源：Semtech）

该技术可根据通信距离和所需信息持续时间，以不同的数据传输速率通过多个信道进行通信。其数据传输速率范围从300b/s到50kb/s，由网络服务器和每个用户物联网设备的射频输出功率共同管理。该方法可提供网络、应用和设备级别的安全性，并可适用于各种类别的双向物联网设备。

Symphony Link和Ensemble

这项技术由Link Labs开发，是LoRaWAN的专有变体，其物理层和LoRaWAN相同，但采用了不同的MAC架构来提供额外功能。该公司的主打产品Symphony Link系统采用八通道基站，工作在433MHz或915MHz ISM频段以及欧洲的868MHz频段上。它的传输距离至少能达到10英里，并可通过Wi-Fi、蜂窝网络或以太网回传数据，同时使用云服务器处理信息路由、配置和网络管理。

SIGFOX

SIGFOX由同名的法国公司开发，该公司已在19个国家和地区部署了网络，覆盖120万平方公里，是这几项技术中较为成熟的一种。该公司拟将其在美国的覆盖范围扩大到100个城市。SIGFOX的工作频率为868MHz或915MHz，使用二进制相移键控（BPSK）以非常缓慢的速度（300b/s）传输非常少量的数据。SIGFOX可实现远距离传输，其一般特性使其非常适合各种只需少量数据的物联网应用。

SIGFOX网络采用超窄带调制，单个基站的信息传输距离可达1000公里，每个基站可容纳100万个物联网设备。其每条信息的数据有效载荷仅为12字节，每台设备每天可发送140条信息，这足以满足许多应用的需求。早期的SIGFOX网络是单向的，现在它已经具备一定的双向通信能力。

该公司免费向芯片和模块供应商提供其知识产权，目前有多家公司销售SIGFOX芯片组、天线、扩展和评估板及其他元件，如安森美（onsemi）的AX-SigFox和AX-SigFox-API；这是SigFox网络节点的单芯片解决方案。根据安森美的说法，“AX-SigFox是一款超低功耗单芯片解决方案，用于同时具有上下行链路功能的SigFox网络中的节点。AX-Sigfox芯片随时可供使用，包含从Sigfox网络发送和接收数据所需的所有必要固件。”[i]

图2：安森美AX-SigFox收发器IC（P/N: AX-SFEU-1-01TB05）的功能框图，该收发器使用逻辑电平RS232 UART连接到客户产品。AT命令可用于发送帧头和配置无线电参数。（图源：安森美）

Weightless

这一开放标准共有三个版本：Weightless-N、Weightless-P和Weightless-W。Weightless-N是单向网络，可提供5km以上的传输距离，是基本的版本。支持Weightless-N的物联网设备可以运行10年而无需更换电池。Weightless-P是双向版本，具有更完整的功能，传输距离可达2km以上，支持该网络的设备可使用3至8年。Weightless-W是传输距离更长（5km以上）的双向版本，支持该网络的设备可使用3至5年。Weightless-W工作在电视白频段内。

Weightless网络采用GMSK和偏移QPSK扩频调制方案以及12.5kHz宽的信道，传输射频功率仅为17dBm。用于物联网设备时，其静态电流消耗仅为100µW，因而可以兼容许多采用锂离子手表电池供电的物联网传感器。Weightless可在任何免许可频段内使用，其网络终端均可使用128/256位AES加密和验证。Weightless小组现已加入欧洲电信标准协会（ETSI），致力于整合各种采用超窄带技术的解决方案。

Nwave

Nwave采用超窄带技术和软件定义无线电（SDR）技术，可在任何免许可频段内工作。该基站可在10km范围内容纳多达100万个物联网设备，射频输出功率不超过100mW，数据传输速率为100b/s。借助该项技术，电池供电设备可工作长达10年而无需更换电池。

Ingenu（原名On-Ramp Wireless）

Ingenu的Machine Network工作在2.4GHz频段内，其功能基于一种称为“随机相位多址接入”（RPMA）的调制方案，该方案通过直接序列扩频、严格控制的发射功率以及更高的接收器灵敏度来改善链路预算问题。RPMA通过“自调制”在网络和设备之间寻找无干扰的传输路径。

该公司声称，在典型条件下，每个基站的覆盖范围可达300英里。该技术目前在达拉斯/沃斯堡地区使用，覆盖面积约2116平方英里，仅使用17个接入点就可以为440多万人提供服务。该技术已在超过38个地点部署。

对于上述诸多方案，各家芯片供应商已经开发出了相应的产品系列，并且产品数量还在持续快速增加。例如：

Silicon Labs Si4464收发器

可覆盖119MHz至1050MHz的频率范围，并且有源功耗非常低。

Texas Instruments CC1120收发器

设计用于信道间隔低至12.5kHz的窄带网络。该公司大力支持窄带方案，并在有关该主题的白皮书中详细阐述了其理由。

Atmel ATA8520单芯片发射器

一款用于SIGFOX网络的产品，工作频率为868MHz，在+14.5dBm输出功率下的电流消耗小于33mA。

安森美AX-SIGFOX低功耗收发器

工作频率868MHz，包含发送和接收固件。

上述四家公司都有其他用于物联网连接的产品以及设计支持。

图3：适用于窄带系统的Texas Instruments CC1120高性能射频收发器的系统框图。（图源：TI CC1120数据手册）

无线运营商将会如何入场？

LPWAN说了那么多，我们还是来谈谈无线运营商的LTE吧。物联网已经运作了多年，因而3GPP在标准制定过程中一直在努力适应它。3GPP在第12版标准中提出了LTE-M，并在第13版标准中增加了许多专门针对物联网的规范。根据标准，这项技术包括200kHz的窄带宽能力和1.4MHz的“更宽”带宽能力，后者仍然比标准LTE窄得多。所有双工模式的设计都是为了尽可能缩短延迟，支持此项技术的设备发射功率为20dBm，其他规定应允许这些设备在使用两节AA电池的情况下工作长达5年。此外，标准还认为LTE调制解调器的成本需要下降50%。

人们对无线运营商是否会统治所有物联网连接存在很多猜测。认为会的人指出，无线运营商的物理基础设施已经就位，因此只需要相对较小的改动就可以实现网络覆盖，而且无线行业拥有非常多的资源，因而肯定会将它们投入其中，确保至少获得大部分市场份额，进而有可能一举消灭所有竞争对手。尽管如此，虽然AT&T宣布将采用“全LTE”方式提供物联网连接，但如果在特定情况下使用一种或多种LPWAN方案有现实意义的话，它也不会排除使用这些方案的可能性。

另一类人则认为，无线运营商会利用其能够提供的更高性能，为要求严苛的高速云应用提供服务。这些应用需要在广阔的地理区域内连接物联网设备，因而值得花费更高的服务成本。其典型应用包括在世界各地安装物联网传感器的工业机器制造商。除此之外，市场的其余部分将由LPWAN供应商提供服务。无论这一市场将如何成熟，现在毫无疑问的是，物联网在未来几年将得到更多人的关注。