市场主要无线通讯技术简介及前景展望

物联网发展至今也有一段时日了， 现有的物联网应用有些采用了通用的无线技术，如蜂窝技术、WiFi、蓝牙等， 有些采用了一些量身定制的无线技术， 如ZigBee、SigFox、LoRa、NB-IoT等。 这些技术各有其应用场景，他们有没有大规模应用于物联网的潜力呢？我们不妨对照《物联网爆发需要解决的关键问题》文中推断出的三大关键特征进行详细的分析，来检验一下这个结论。  

为了方便大家对这些技术进行直观的比较，我们需要对三大关键特征进行分解，形成一个相对比较完善的参数列表， 能够涵盖主要的、对物联网网络大规模应用非常有帮助的参数。 根据上文对投资收益的分析， 结合我们所要分析的对象的情况， 我们将主要考察如下的几个参数： 

1. 覆盖距离：这个跟网关的成本有直接的关系，网关覆盖距离越大， 覆盖相同区域所用的网关数量越少， 从而可以降低网关的总体成本。一般这个参数用MCL（Maximum Coupling Loss）

2. 静态容量：此为单网关能够连接的静态用户终端数量，一般来说， 该数值越大越好。

3. 并发容量：此为单网关能够承载的活跃用户终端的数量。 超过同时在线用户容量上限，就会引起网络的拥堵，从而会引起时延变长、响应变慢、功耗升高等问题，这对于物联网的大规模应用是至关重要的一个参数。

4. 实时响应：所谓实时响应，说的就是双向通讯具有较低的时延，时延跟网络模型、网络带宽、数据包的大小都有关系，并发容量是网络状况的一个重要参数，因为这个关系到密集终端的网络状况和功耗。超过并发容量上限就会出现网络碰撞等问题，会引起更大的时延，导致更高的功耗。

5. 非实时响应：非实时就是通讯的时延比较高，物联网通信中主流长距技术就是通过提高时延从而降低工作时间而实现低功耗的， UE终端平时处于睡眠状态， 在某段设定好的时间醒来向网关发送数据、接受网关的指令，规划良好的非实时通讯一般不会有网络碰撞问题。

6. 功耗：功耗跟通讯模型是有关系的，根据物联网负载的特点，我们考察两个模式：即非实时响应的通讯模式和实时响应的通讯模式。这个参数对于终端的使用成本、部署成本以及后续的维护成本都是最重要的。

7. 带宽或速率：带宽或速率跟数据传输时长、响应速度等都是直接相关的， 在终端并发通讯量大的时候对网络的影响也大， 进而又会影响到功耗， 因此，也是一个重要的指标。

8. 安全性：物联网终端由于成本、功耗等的限制，一般本身处理能力有限，因此其安全性也受到很大的限制，需要一定的措施实现安全性。

除了8以外，1~7完全覆盖了三大特征所需要了解的具体参数，而功耗在不同的通讯模式下是不一样的，因此， 我们在下文中将会分别对实时/准实时通讯和非实时通讯的功耗分别进行阐述，如果需要大容量电池或者接电源才可能支持1年以上的使用的话，那么可以肯定在这种情况下总体成本比较高，不适宜大规模终端部署。

一  蜂窝技术 

技术简介

蜂窝网络也就是我们常用的移动电话网络，也是目前所有无线技术中覆盖最广泛、使用也最多的无线通讯技术之一。我们常见的有2G、3G、4G网络，其中又包含了多种不同制式；现在，随着5G技术的逐渐成熟，5G网络的建设将很可能是今后蜂窝网络建设的重点内容。  

到目前为止，由于蜂窝网络无与伦比的覆盖率以及不需要维护网络的便捷性，蜂窝模组的价格也不高，因此蜂窝技术在物联网中所占的份额比较高。蜂窝技术的标准化组织3GPP为了扩展蜂窝网络的价值，针对物联网应用也推出了相应的基于蜂窝技术的应用。 例如M1、Cat1 等， 最近市场比较热的NB-IoT也是基于蜂窝技术的一种低功耗广域网技术， 将会在下面专门的章节里专门介绍。 

前景展望 

蜂窝网络在覆盖距离上比较理想， 但并发用户容量比较小， 单基站只能同时承载数百个用户， 虽然能够实现最高1.28秒的近实时响应， 但此时的功耗居高不下，我们都知道传统的功能机一般2000mAh电量的电池也只能待机一个多月。

应该来说， 蜂窝网络是设计用来承载语音跟数据的移动网络， 有着较大的带宽，随着多年的成熟商用，其网络覆盖非常完善，而且模组成本也比较低廉，因此它成了目前物联网行业使用最多的技术之一。  

但对于物联网应用来说，不仅仅是网络覆盖的问题，对于大规模物联网终端来说，功耗和成本是重要的考量因素。而蜂窝技术的功耗是比较高的，而成本上除了要承担较高的硬件成本外， 还需要给电信运营商缴纳网络使用费用，这样就提升了使用成本，而由于功耗高，维护成本也比较高。 因此，蜂窝技术对于物联网应用场景中可以接受大容量电池供电或者电源供电、且终端密度不高的情况下是可以采用的。 但对大规模、高密度部署的物联网应用，其成本就非常高，并不适合。  

另外，由于其无可比拟的覆盖广泛的优势，加上比较高的带宽（3G及以上），它很适合用来做数据传输的工作，应用于网关作为其数据通道是比较合适的。

二  WiFi 

技术简介

WiFi是我们最常见的无线通讯技术之一，相信对本文感兴趣的读者都应该非常熟悉它。 WiFi是标准化组织IEEE所制定的众多标准中最耀眼的一个了， 又称为802.11。WiFi也有许多子标准，例如802.11b、802.11ac等，标准组织的任务是保证互操作性，让不同供应商的WiFi接入点（AP）和附近的WiFi终端能够连接并工作。  

WiFi是一个完全基于TCP/IP协议的无线通讯技术，因此WiFi终端能够始终保持连接，这意味着WiFi终端一旦加入某个本地网（Local Area Network， LAN）， 就会是该本地网的一部分。如果把WiFi作为物联网的连接技术，就会导致一些安全方面的问题。用WiFi连接网络的笔记本电脑、手机实际连接的是人，而人是可以采取一些主动的措施来降低风险；可是用WiFi作为连接技术的物联网， 连接的是没有智能的物体，这些物体无法采取任何的措施来面对可能出现的风险，这使使用该技术的物联网来说，安全问题非常严重。因此，最成功的基于WiFi的IoT产品将会是那些能够被WiFi网络所有者高度可控的产品， 例如智能家居等产品；而通过第三方WiFi接入的WiFi物联网产品将会面临越来越大的阻力。

WiFi网络的部署也有着比较大的难度，并且一旦接入点的密钥变化的话，也要对终端进行相应的设置更改。这也是另一个WiFi技术在实际中的应用瓶颈。

前景展望 

WiFi是典型的短距技术，覆盖距离短，速率高，是现在使用最广泛的局域无线网技术，实际生活中的普及率也非常高。WiFi并不是设计用来解决物联网的问题的， 其通讯距离短、功耗高、容量有限等都不适合大规模物联网终端部署的要求， 故不会成为物联网的主要无线通讯技术；但由于它应用比较广泛， 所以和上述的蜂窝技术一样，用它来做物联网网关的数据传输通道还是比较合适的。因此，这种技术应该会在物联网领域有一席之地。 

三  蓝牙（Bluetooth）和BLE  

技术简介 

蓝牙（Bluetooth）就和WiFi一样广为人知，是实现语音和数据无线传输的全球开放性标准，它使用跳频扩谱（FHSS）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）等先进技术，在小范围内建立多种通信与信息系统之间的信息传输。BLE是蓝牙的低功耗版本。 

蓝牙在消费电子领域应用非常广泛，各种蓝牙产品多如牛毛。蓝牙是目前物联网应用中被使用最多的无线技术，在工业领域的物联网应用中， 蓝牙的表现也很稳健，数量逐步增加，它是一种成本低廉、技术成熟的无线通讯技术。  

蓝牙也和WiFi一样，属于短距离无线通讯技术， 通讯距离一般在数米到数十米；终端的连接数量也非常有限， 单个设备最多可以连接7个蓝牙终端。带宽也比较宽，因此特别适合音频等数据的传输，这些特点使蓝牙在个人数码设备中应用非常广泛。 

前景展望 

由于蓝牙模块成本低廉，功耗表现也算不错，并且已经在个人电子终端和家庭电子娱乐设备中应用比较广泛，因此，蓝牙成了现阶段机器与机器无线通讯中应用最广泛的技术，除了在个人电子消费品和智能家居领域被广泛应用外，也被大量应用于工业领域的室内定位、有源RFID等应用中。  

但由于蓝牙属于短距技术， 因此对于大规模部署的物联网需求来说，这种技术并不合适。因此，蓝牙技术无法成为物联网大规模应用爆发的钥匙。但在没有在双向实时通讯能够保持低功耗的新无线技术替代的情况下，蓝牙的实时双向通讯的低功耗特性依然能够让其在小范围的物联网应用中独领风骚。

蓝牙技术在物联网中被广泛应用也直接证明了双向实时通讯模式下的低功耗对于物联网应用的重要性。 

四  网状网 

技术简介 

网状网是一种局域网络拓扑，网络节点动态和不分层地直接连接， 任何一个节点都可以和其他部分或所有网络节点连接和通讯，这种拓扑有一些优势，例如安全、可靠等。

在过去十多年了，网状网技术发展很快，出现了多种网状网无线技术， 例如ZigBee、Z-Wave、 Thread、6LoWPAN以及802.15.4等都属于网状网技术。 他们共同的特点就是通讯距离短， 数据速率高，通讯终端也同时可以做为数据传输中继，当然配置和优化可能给网状网技术带来比较大的工作量。  

网状网技术的覆盖距离短，优势在于能够弹性扩展、可靠性高。如果想覆盖比较大的区域， 可以通过在合适的位置增加节点来扩大覆盖范围，规划得当，网状网可以带来较广的覆盖。但网状网规划和部署比较复杂，多跳引起的网络时延也会变大， 而由于部分节点既需要承担终端的角色，又需要做路由器，因此带来了更多的功耗消耗，对于需要电池供电的节点来说， 就需要很好的规划设计， 这项工作一般需要专家来进行。  

前景展望 

虽然网状网是为机器间的连接和通讯而设计的无线通讯标准，功耗也不算高，但对于物联网的大规模应用来说，无法做到使用低容量电池长期供电，因此对物联网来说，其功耗依然太高了。  

它比较适合电源或者大容量电池供电的短距离通讯的场景， 例如家电传感控制、高密度灯光控制等， 能够带来弹性的物理系统架构， 不需要中断现有业务就可以扩展网络。 这对于那些需要在小范围内的快速覆盖和弹性布网的应用还是非常有吸引力的。

但正如上文对物联网大规模部署所作的成功要素分析所指出的，覆盖范围小的缺陷使之无法承担大规模物联网部署的重任。

五  Sigfox 

技术简介 

Sigfox是蜂窝系统的一个变种，远程终端连接到一个极窄带接入点（Access point）， 接入点也可以叫做网关或者基站。 Sigfox是一家法国公司Sigfox的私有技术，没有公开的描述。 工作频段为868MHz， 分割为400个100Hz的信道。终端每天可以发送最多140个消息， 有效载荷为12个字节， 数据速率最高为100bps。  

Sigfox宣称其每个接入点可以支持100万个终端设备，空旷地区覆盖距离可达到惊人的30-50千米，城市地区为3-10千米，这是一个典型的低功耗广域技术。Sigfox针对的物联网场景非常明确：Sigfox网络是星形结构的，终端平时处于睡眠状态，当终端有信息要发送时，射频部分会醒来，把信息上传到基站，信息上传后的一小段时间内， 终端可以监听基站，接受从基站下传的数据或者指令。 通过这种方式，Sigfox终端的功耗非常低，可以使用低容量电池长时间供电。 但应用场景也是非常有限，仅限于对时延没有要求、单纯的终端数据获取是有用的，但对于需要终端实时响应的应用却毫无办法。

前景展望 

Sigfox开创了低功耗广域网的先河，它极大的覆盖距离使网络建设非常快速，成本非常低，在欧洲，通常一个城市只需要一个网关就可以覆盖全城。 这也是Sigfox选择自建和合作建设网络进行运营的商业模式的主要原因，因此Sigfox是一个封闭的私有协议。

但Sigfox极低的数据速率以及单向通讯为主的通讯模式极大的限制了其应用范围，使其局限在很少的应用场景上， 例如抄表类业务，这使Sigfox的网络价值不高，而封闭的生态也使它发展缓慢；另一个受Sigfox启发而发展出来的技术LoRa的出现更是抢走了Sigfox很多的风头。  

六  LoRa 

技术简介 

LoRa，取名于“Long Range”（长距）， 顾名思义，是一种长距离无线通讯技术。最初由一个法国公司Cycleo研发出来，后来美国的Semtech公司收购了它。 为了更好地推广LoRa，2015年3月，LoRa联盟成立了，囊括了包括IBM、TI等巨头。 

LoRa一般包括两个层面：一是使用线性扩频（Chirp Spread Spectrum， CSS）无线调制技术的物理层； 二是MAC协议层LoRaWAN。 当然， LoRa通讯系统还明确了其特别的接入网络结构。 LoRa采用的是Aloha的网络模型，这种模型使终端在有数据时启动数据传输，但在数据传输有冲突发送不成功时，终端会一直处于工作状态且会在稍后的随机时间重传，这就大大降低了信道利用率，Aloha模型的信道利用率最多为18%。 

LoRa物理层芯片由Semtech公司独家开发并拥有完全的知识产权，适合长距离、低功耗、低数据量的通讯。 主要工作频段为433MHz、868MHz和915MHz， 2018年还新推出了2.4GHz的芯片，可根据地区的不同选用合适的芯片。有效载荷从2字节到255字节不等， 数据速率最高达50kbps. LoRaWAN提供了一个访问控制机制，使大量终端可用LoRa的调制方式与网关通讯。LoRa物理层使Semtech公司的私有资产，只有部分开放。 LoRaWAN是一个开放的标准，由LoRa联盟负责开发和管理。  

LoRa网络拓扑为星形， 一般包含三个部分，即终端设备、网关（基站）和LoRa网络服务器。 终端设备通过LoRa协议与网关通讯，网关把未经处理的LoRaWAN帧通过网络传递给LoRa网络服务器。 网关一般担当的是传输中继或者协议转换的作用， LoRa网络服务器则负责处理终端发送过来的数据包， 并生成发送给终端的数据包。 

LoRaWAN有三种工作模式，分别是Class A、Class B和Class C。 Class A的终端采用ALOHA协议按需上传数据。在每次上行后都会紧跟两个短暂的下行接收窗口，以此实现双向传输，这是三个模式中最省电方式。 Class B在Class A的基础上，终端会在指定时间时间打开接受窗口，接受网关下发的数据，这种模式需要网关和终端的时间同步，因此，要比Class A耗电一些。 Class C则是终端的接收窗口则基本是一直打开，等待网关的信号，只是在接受数据时短暂关闭。Class C比其他两个模式都要耗电，需要高容量电池或电源才可以工作。  

前景展望 

LoRa的出现曾经给物联网从业者予很大的希望，因为它的终端可使用低容量电池长时间工作，并且覆盖范围非常大，使物联网的建网成本和维护成本得到很大的降低。但LoRa的三个模式无法同时满足物联网成功的三大关键要素。  

Class A和Class B虽然具备广覆盖、大容量以及低功耗，但却牺牲了实时响应能力； Class C虽然获得了实时响应能力以及广覆盖能力，但却牺牲了低功耗及大容量，这就说明这三种模式只能适应部分的物联网应用。LoRa独具优势的Class A和Class B只能满足对实时性没有要求的物联网应用，而这类应用在实际中占比并不高，更多的应用场景需要实时响应，所以只能采用Class C模式，可是Class C 模式虽然实现了实时响应， 但功耗却非常高， 导致使用成本和维护成本都非常高，这样的话，替代方案就非常多了， 如2G、3G等蜂窝技术。 

因此，由于LoRa联盟实力强大，影响力巨大，也能满足一定数量物联网的应用场景， LoRaWAN仍然会在一定的时间内有着旺盛的生命力。 但由于该技术在双向实时通讯时的功耗并没有优势，因此无法满足占物联网主流的应用场景的需求，导致应用场景的局限， 这使该技术无法担任让物联网爆发的重任。  

七  NB-IoT 

技术简介 

NB-IoT是由标准化组织3GPP制定的一个无线通讯标准，是根据物联网通讯的一些特点，为了实现广泛的覆盖、超低的功耗而推出的一种无线通讯协议，其名称来自于Narrow Band Internet of Things（窄带物联网）的缩写， 也是现阶段市场上比较热门的低功耗广域网（Low Power Wide Area Network， LPWAN）技术的一种。

NB-IoT只消耗200kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，并可共用原有蜂窝网络的基础设施，从而降低部署成本，实现平滑升级。它有三种部署方式，分别为带内部署（In-band）、保护带部署（Guard-band）以及独立部署（Stand-alone）。

NB-IoT宣称有四大突出优势， 分别是： 

1. 网络增益提升了20dB，提升100 倍的覆盖面积

2. 超大容量, 50K或者100K

3. 超低功耗，NB-IoT借助PSM（Power Saving Mode）和eDRX实现更低功耗，电池供电可续航10年以上

4. 可和现有蜂窝网络共享基础设施和频谱

最有动力发展NB-IoT的是拥有频谱资源的电信运营商以及电信设备供应商， 这是因为现网的很多2G设备已经非常老旧，他们所使用的低频段无法实现高数据速率，而NB-IoT的出现使这些运营商们付出高昂成本获得的频谱能够有新的用途，这填补了2G设备逐渐退网所带来的低频段应用的空白，并且，让电信运营商进入物联网这个更大的市场。  

前景展望

NB-IoT的出现，让IT界的很多人非常兴奋， 因为看起来让拥有一个覆盖范围极大的物联网专用网络变得非常容易，这可能会助推物联网的大发展。特别在中国，自2016年开始国内运营商开始在全国范围内发力部署网络、推广业务，但结果却不尽如人意。2018年全年终端出货量不足3000万个，这和付出的努力和代价很不相符。 

大容量、广覆盖、超低的功耗，这些特点似乎让NB-IoT具备了物联网成功的关键要素，但现实却证明NB-IoT并没有获得市场的青睐。 为什么呢？ 仔细分析其宣称的四大优势， 实际上我们会发现根本的原因所在。  

NB-IoT的覆盖在郊区可达几十公里，城区二公里以上没有什么问题；而NB-IoT又可以和现有蜂窝网络共享基础设施和频谱，在一定程度上能够降低部署难度和成本， 迅速布网，因此，其覆盖能力显然并不需要担心。

那么容量呢？所谓的超大容量，是指静态注册的容量，NB-IoT擅长的使用场景是多数终端大部分时间休眠，此时实际是处于离线状态；NB-IoT单网关允许的同时在线（并发）的用户数量也只有两三百个。所以对于静态容量，只要网关（基站）的存储能力足够， 静态用户数量说多少都没有问题，但对于双向实时通讯来讲，真正有意义的是同时在线的用户数量，只有在线的用户才能实现和网关的实时互动。因此，NB-IoT宣称的静态注册容量对于实时响应网络来说意义不大，有意义的是同时在线的用户容量。 

低功耗是NB-IoT的一大优势，但它的低功耗是有前提条件的，我们来看看这个条件是什么。 要想NB-IoT终端的功耗低， 需要其为PSM模式，这种模式和LoRa的Class A差不多机制，也是通过让终端在大多数时间里处于休眠状态， 只在预先设定的一小段时间内醒来发送和接受少量数据（数百字节以内），PSM模式下，低容量电池是可以支持终端长期工作的；但和LoRa的Class A一样，PSM模式的终端在休眠时是无法和网关通讯的，因此该模式实际是单向通讯为主的非实时通讯。eDRX模式比PSM模式要耗电些，但终端和网关间的通讯频次要高些。 

NB-IoT终端能否具备实时响应能力呢？ 它源于蜂窝技术，如果需要实现终端和网关间的双向实时通讯，可以采用蜂窝技术的DRX模式，在这种模式下，NB-IoT可以实现最短1.28秒的近实时响应，这样的功耗与2G的功耗相差无几，这样的功耗是无法实现低容量电池的长期续航的。因此，NB-IoT实际是无法实现双向实时通讯模式下的低功耗的，这也注定了NB-IoT是难以承担让物联网大规模爆发的使命的。 

但实现了PSM单向非实时通讯模式下的超低功耗，加上NB-IoT卓越的覆盖能力，对于那些对时延没有要求的物联网场景意味着较低的建网成本和终端成本，如抄表（水电燃热）类业务；对于NB-IoT网络已经覆盖的地区，零散、量少的具备电源条件的需要终端实时响应能力的物联网应用也是适合的。   

随着NB-IoT网络覆盖的完善， 模组价格和服务资费的进一步降低，NB-IoT在一定程度上可以促进物联网的发展， 但希望它能够帮助物联网的爆发， NB-IoT还远远不够。  

八  小结 

从以上的分析可以看出来， 无论是通用的无线通讯技术，还是专门为部分物联网场景所设计的无线通讯技术， 都不能同时满足三大关键特性。 

这些技术各有特点，也都有合适的使用场景，共同点是他们都对覆盖距离、时延要求和低功耗这三个特征做了权衡。例如，蓝牙、网状网牺牲了覆盖距离，实现了实时响应和较低功耗；LPWAN（NB-IoT、LoRa、Sigfox等）牺牲了实时响应，实现了广覆盖和低功耗；而蜂窝网络则是牺牲了低功耗获得了广覆盖和实时响应。  

正如第二章所分析的那样，投资收益高的物联网络，这三个关键特征缺一不可，但现在这些技术都做不到，这种现状，可能很好地解释了物联网“雷声大、雨点小”尴尬的现状的背后原因：市场上还未出现适合于大规模物联网部署的技术。 

千米团队在2015年就看到了这个关键点，所以希望研发出一种集这三种关键特征于一体的新无线通讯技术。经过四年多的艰苦努力，LaKi整体解决方案诞生了。