物联网爆发需要解决的关键问题

任何一种技术， 如果要想在市场上获得人们的青睐而被大量使用，就需要符合市场的一个基本要求，即应用这项技术的投资收益要足够好，物联网技术当然也不例外，因此，我们尝试从投资回报出发，分析物联网市场需要满足的最重要的一些需求。

 一  如何提升投资回报？ 

投资回报——Return On Investment，缩写为ROI——有两个核心参数：一个即投资成本（Investment Cost）， 另一个为投资收益（Investment Benefit），一般来说，要获得好的投资收益， 一是尽可能地降低投资成本，一是尽可能地提高投资收益，因此，这两个方面也是能否获得比较高的投资收益的关键成功因子（Key Success Factor， KSF），这看起来非常简单。如果这是我们的最终结论的话，似乎并没有多少信息含量，我们需要更加深入的分析以得到更具有指导意义的结果。那么，让我们对这两个关键成功因子进一步进行剖析， 看看能不能得到什么有意义的信息。  

关键成功因子一：降低成本 

正如上文提到的，物联网的目标是“万物互联”，这意味着物联网需要连接的终端数量会非常庞大，需要覆盖的范围也会非常广大。对于一个庞大的实体网络而言，物联网的总体成本主要包括四大块：硬件成本、部署成本、使用成本和维护成本。 每块成本也包含了多个不同的构成，我们来对他们进行具体的分析。  

硬件成本

对有线物联网来说主要就是终端、线缆和网络设备的成本，我们很难想象有线方式会成为物联网的主流，因为终端数量实在太多了，一个布满线缆的世界不会让人愉悦，因此，物联网的主流通信介质肯定是无线电，所以下面也主要是讨论无线物联网的硬件成本。 

对于无线物联网来说，主要的硬件成本包括网关和终端的成本，网关的覆盖范围大，数量就少，成本一般也少些，建网成本跟覆盖距离有关；终端的数量比较庞大，一般来说也是物联网硬件成本的主要部分，因此，降低终端的成本是降低总体硬件成本最有效的手段。如何降低终端成本呢？ 通常的做法是简化通讯协议从而降低终端的复杂度，进而会降低终端的硬件成本。 

综合看来，硬件成本的降低需要做到两点：一是需要覆盖范围较大的通讯协议，这可以有效降低网络建设的硬件成本；二是降低终端的硬件成本，这可能是物联网应用的主要硬件成本。   

部署成本

有线物联网如果需要广泛覆盖的话，需要大量布线，而无线物联网却可省却这个麻烦，因此，无线物联网的部署成本一般比有线物联网要低，这也从另一个角度证明无线物联网会是物联网的主要接入形式。需要电源供电的终端一般也要比用电池或者无源终端的部署成本要高，因此，我们可以认为使用电池或者无源的无线终端的部署成本是比较低的。下面我们再来看看无线物联网的部署成本。

无线物联网主要需要部署两个部件：无线网关和终端， 因此，它的部署成本就是部署这两者的成本总和。对网关来说，覆盖区域内网关数量越少，网络复杂度越低，部署成本也就越低，因此，网关的覆盖距离越大，用户容量越大，就意味着部署成本越低；但网关的部署成本在物联网的总部署成本占比一般非常小， 因为网关的数量和终端比较起来，基本可以忽略不计，可以说终端的部署成本占了最大的部分。对终端来说，使用电池供电甚至无源终端的部署成本是最低的。但需要指出的是无源终端的通讯距离一般不会长，覆盖范围非常有限，局限性非常明显，不会成为无线物联网的主流，而用电池供电的无线物联网终端才是主流终端。 

使用成本

物联网的使用成本主要就是电力成本或/和电池成本。 网关一般是接电源或者使用大容量电池，但由于数量少，在使用成本中的占比并不大；终端就不一样了，由于数量多，电力或者电池成本对使用成本的影响就非常大。我们甚至经常碰到在物联网终端的生命周期内，电池成本远比硬件成本要高的现象，可见电池成本对于物联网总体成本的影响是多大！电池的成本跟容量是正相关的，因此，就使用成本而言，理想的物联网终端是采用低容量电池供电并能够长时间工作的。

如果是使用现成的物联网网络服务，那么使用成本除了终端使用过程中产生的电力、电池等成本，还有网络使用费。 

维护成本

这块成本主要包括硬件维修、电池更换或者充电等的各项成本。由于网关和终端的数量众多，维护成本非常重要，根据我们的观察，目前很多物联网场景无法落地，并非功能性的问题，一个很重要的原因是维护成本过高。  

实现物体的联网并不难，现有的技术完全可以做到；但由于种种原因，很多技术虽然实现了功能， 可后期的维护工作量却非常大，这样的物联网可能解决了一些问题，却带来了新的问题， 降低了这个物联网部署的意义。 设计合理的物联网硬件出故障的概率一般比较小，电池更换或者充电的相关成本就成了维护成本的主要构成。物联网终端的数量太多， 少维护甚至免维护是降低维护成本最有效的途径，对于使用电池的无线终端来说， 在生命周期内少更换或者不更换就是降低维护成本的关键。这就对物联网终端的功耗提出了非常苛刻的要求。  

从上文的分析中我们可以发现，四个成本构成中，除了硬件成本，部署成本、使用成本和维护成本都跟物联网终端的功耗关系密集，可见低功耗对于物联网的成本来说至关重要！而硬件成本在现有的物联网的总体成本中往往占比是不大的。 因此，我们可以得出一个结论， 低功耗是低成本的关键因素。  

从上面的分析，实际上我们可以对如何降低物联网成本这个问题得出如下的结论：**采用能够覆盖较大范围的无线方式通讯， 使用低容量电池能够支持终端使用5-10年不更换或者少更换电池。

对照这个标准，我们可以理解为何现在最热的物联网技术是LPWAN（Low  Power Wide Area  Network）——主要包含NB-IoT、LoRa和SigFox， 这是因为LPWAN通讯距离长，覆盖广泛，并且功耗极低，能够在一定的模式下实现低容量电池长时间供电的目标，从而使其总体成本降低到了可接受的范围。LPWAN一般通过简化通讯协议来降低终端和网络的复杂性，使硬件的成本大大降；在单向低频次低数据量通讯的模式下能够做到使用低容量电池长期供电，所以能够在一些合适的场景中——例如抄表等——被广泛应用。但这可能还不够，因为LPWAN的出现并没有帮助物联网应用大爆发，所以我们还需要分析如何才能提高物联网的收益。  

关键成功因子二：提高收益 

物联网该如何提高的收益呢？这是一个开放性的问题，答案可能有很多种，让我们共同来探讨一下。 

想象一下如果我们需要建设一张物联网网络，我们会如何做？首先就是选择合适的技术或者解决方案，一般来说，需要遵循如下的步骤： 

1.需求分析：要分析拟建的物联网的需求，不光要考虑现在的需求，还要考虑未来可能会出现的需求

2.需求排序：要对需求的重要性和紧迫性进行排序，哪些需求需要优先得到满足， 哪些需求可以缓一缓，甚至必要的时候可以放弃

3.技术选型：分析市场上可用的技术，进行技术选型，某种技术满足的需求越多，说明这种技术可以产生的收益就越大

因此，要想提高物联网的收益， 在技术选型的时候就要重视。提高收益的方法其实并不复杂， 就是要看所选择的技术方案在满足基本需求后能否满足更多场景的需求。在成本相似的情况下，满足的物联网场景越多，该物联网的可能收益就越高。  

对于物联网来说， 其用户终端（User Endpoint，UE）的工作负载一般具备如下的共同特点：

• 数据上传频次比较低， 每天数十次已经算是非常高频了

• 单次传输数据量比较小， 数据量一般从数个Bytes到数十个Bytes不等

  
  

对于物联网无线通讯技术来说，网关一般可以电源或大容量电池供电， 而UE的数量大，不方便使用电源和大容量电池，因此，更重要的是UE的功耗， 它主要由三块组成：

• 睡眠功耗：即UE处于休眠（Sleep）时的功耗

• 监听功耗：即UE处于接受（Rx）状态时的功耗

• 传输功耗：即UE数据发送（Tx）状态时的功耗

因此为了降低功耗，部分专注于物联网的通讯协议就假设数据通讯是以从终端向物联网平台数据传输方式为主，而平台向终端的数据传输为辅， 所以我们现在比较常见的物联网通讯方式是这样：让终端在平时休眠以节省电能，设定时间让终端醒来传送数据，数据传送后有一个时间窗口让网关可以对终端传送数据或者指令，然后再休眠，休眠过程中网关无法和终端进行通讯，我们通常把这种方式称作单向非实时通讯。 这种通讯方式可以满足一部分对时延容忍度高的物联网场景，如常见的表计类业务、部分传感网等。但这部分业务只占物联网业务的一小部分，更多的物联网场景对时延是有比较高的要求的， 例如我们常说的智慧地球、智慧消防、智慧物流等智慧类项目， 除了能够反馈终端的状态外，往往还需要能够实时或者准实时地响应人类或者物联网平台的指令，而要做到这一点， 就需要物联网能够做到双向实时或者可容忍范围内的准实时的无线通讯。  

双向实时/准实时通讯相对于单向非实时通讯来说， 前者可以完全替代后者， 反之却不行；前者可以用于后者的所有场景， 反之却不行。因此，双向实时/准实时通讯要比单向非实时通讯适用范围更广， 可满足更多的物联网需求。这意味着支持双向实时/准实时通讯的物联网络的投资收益要比只支持单向非实时通讯的物联网络要高。 

同理，能够支持大容量的也能满足小容量应用需求，速率高的也能够满足速率低的应用需求，因此容量越大、速率越高，投资收益也越大。我们根据上面的分析画个值观的图来表示：

小结

能够实现双向实时/准实时网络的技术有很多，包括市场上主要用于单向非实时通讯场景的LPWAN， 也都支持（除了SigFox）， 例如LoRa的Class C模式， NB-IoT的DRX模式。但难点在于，这些标准在双向实时/准实时通讯模式下的功耗比较高，需要大容量电池或者电源供电，从而导致投资成本非常高，这跟关键成功因子一的要求是矛盾的，因此并不适合大规模部署。当然，不光是LPWAN在双向实时/准实时通讯的模式下无法实现低功耗， 其他无线通讯技术也无法做到。

至此，结合投资收益的两个关键成功因子——投资成本和投资收益——我们可以对低成本、高收益的物联网网络作个画像： 

• 较大的无线覆盖范围以便于大规模部署

• 低功耗实时/准实时双向通讯以增加物联网适用场景

• 容量越大越好，这对于物联网的大规模部署来说，可以有效减少网关数量

• 速率越高越好，可以降低终端的数据传输时间，对终端功耗也非常重要

如果结合物联网的工作负载的特点，即数据传输量少且频次低，那么传输的速率的要求并不高，一般来说数十或者数百Kbps的数据速率就应该够了。综上，适合大规模部署的理想的物联网技术必须要同时具备三大关键特性： 

1.较大的无线通讯距离和用户容量，降低网络部署的复杂度和成本，提升建网速度

2.实时响应能力，也就是双向实时/准实时通讯能力，能够让终端和后台具备快速互动能力，提高网络的应用价值

3.特低功耗，能够采用低容量电池(如纽扣电池)长时间供电，最好是终生免维护，从而降低成本

注意，这三大关键特性需要同时具备，即在具备大范围覆盖能力的前提下，采用双向实时通讯的模式，功耗需要低到采用低容量电池长时间供电。  

因此，我们在技术选型的时候， 必须要重点考量无线通讯距离、用户容量以及实时/准实时双向通讯（低时延）模式下的功耗。 如果不能全部符合， 那么就说明这种技术不具备大规模推广的条件或只能适应部分的物联网应用场景；如果能够全部符合， 那么恭喜您，您找到了物联网大规模部署的关键钥匙。 但需要强调的是，我们通常说的容量是单网关能够接入的终端数量，这在对时延没有要求的物联网场景是合适的，但对于时延要求比较高的场景里，并发容量即单网关能够同时接入的终端数量才是有意义的，这需要我们对此要加以注意！