什么是低功耗广域物联网

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概述

物联网行业的快速增长导致大量的物联网设备需要联网、稳定可靠通信,而传统的通信技术例如WiFi,蜂窝网络,卫星网络等都需要大量的能源才可以支持,如果要将大量的传感设备通过联网,则需要消耗大量的电力,并且成本高,因此不适合物联网的整个环境。

LPWAN(Lower Power Wide Area Network)低功耗广域网技术近几年随着物联网的发展变得越来越热门,根据Global Market Insights Inc.在2021年发布的一份新研究报告,规模在2020年超过25亿美元,预计从2021年到2027年以超过60%的复合年增长率增长,到2027年,低功耗广域网(LPWAN)市场规模将超过800亿美元

物联网的体系架构简单分三个层面

  • 感知层:将各个环境的信息通过传感器收集数据,也称为物理层
  • 网络层:将收集到的数据信息,通过网络及通讯协议予以传输或处理
  • 应用层:最终用户提供特定于应用程序的服务,它包括用户用于与系统交互的应用

低功耗广域网是指一类技术,这类网络技术被开发成为物联网应用的经济高效的网络。由于它们具有更高的功率效率,因此它的运行成本低于传统移动网络,与传统网络解决方案相比,低功耗广域网还能够在更大的区域内支持更多设备。这使得LPWAN成为物联网和机器学习应用的数据通信需求的绝佳选择,这些应用利用了大量的连接设备和传感器。LPWAN主要有两个技术,LoRaNB-IoT,一个是非蜂窝的技术,一个是利用现有的移动通信网络的技术。

历史发展

在蜂窝网络还未商用之前,有很多行业已经采用今天的M2M方式来进行低功耗的终端物联网链接,使用与今天很类似的拓扑和网络构架。比较典型的应用包括以下几类

DataTAC:此项窄带数据网络技术最初由美国MDI(NobileData International)开发,使用ARDIS网络技术(由IBM和Motoral合作),运行频段800MHz,数据传输速率19.2kb/s。其特点是数据的穿透性,应用在安全、车队跟踪、信用卡授权和销售自动化。ARDIS当时涵盖了美国、加拿大、德国、澳大利亚、马来西亚、新加坡等区域,连香港也部署了这个网络。1996年,全球用户超过4.4万个,但是当时的资费是比较贵,每月39美元(100条消息),或每100个字节收取3美分。

Mobex:此技术是由瑞典Televerket Radio研发,后经过爱立信完善,在欧洲运行400-450Mhz频段,使用12.5kHz带宽进行数据传输,最高速率8kb/s,最大覆盖范围可以到30公里。此项技术用于公共交通、安全等项目,美国9.11事件中,此项技术发挥了极大的作用。Mobex在全球30多个国家和地区实现了部署,形成大量运营商,在英国,所有的汽车故障信息都通过这项技术传送到故障服务商。但是也是因为GSM的崛起,逐渐萎缩直至完全关闭

AlarmNet: 属于霍尼韦尔研发专门用于消防的数据通信技术,使用928MHz免授权的频段,传输速率很低。至今此项技术仍是霍尼韦尔报警联网系统的重要服务之一。

随着蜂窝技术的普及,1995年数字移动电话正式开始推进(当时的网速只有9.6kB/s),GSM在全球普及部署,更多厂商在设备中嵌入了GPRS的模组,模组的成本和资费流量快速下降,2G技术将以上的几项技术逐渐颠覆,GPRS长期统治了很长一段时间,无线抄表、无线公话等很多市场快速成长。到了2020年,运营商主推4G网络,5G已经准备商用,2G网络准备退网。但是大量的物联网设备需要低功耗、低速率、款覆盖的链接,这样一个时代,新的技术出现了,LoRa和NB-IoT技术就被越来越多的场景所接受,我们开始进入到了低功耗广域网时代,市场上的类似技术如下:

  • NB-IoT :NB-IoT构建于蜂窝网络,只消耗大约180kHz的带宽,可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络,以降低部署成本、实现平滑升级
  • LoRa;是semtech公司开发的一种低功耗局域网无线标准
  • Sigfox:是法国Sigfox研发的一种超窄带技术
  • LTE-M:LTE-M是由工业协会GSMA和3GPP标准组织提供的无线系统。LTE-M的一个主要优势是可以实现全球连接,而且LTE-M是唯一适合长时间跟踪移动对象的系统。这项技术可以提高室内外的覆盖范围,支持大量低吞吐设备、低延时灵敏度、超低设备成本、低设备功耗的网络结构
  • mioty:mioty是源自弗劳恩霍夫集成电路研究所(Fraunhofer IIS)的专利技术,被欧洲电信标准协会(ETSI)采纳为低通量网络(LTN)系列电报拆分超窄带(TS-UNB)技术规范,授权给BehrTech进行商业化运作。该技术的调制方式基于高斯最小频移键控(GMSK),覆盖范围标称为15公里,电池寿命最长可达20年
  • Weightless:Weightless是低功耗广域网的无线连接规范专为物联网而设计,使用Sub-GHz免执照频段。Weightless特别兴趣小组(SIG)是一个非盈利全球标准组织,负责协调Weightless标准的相关工作
  • RPMA:由 Ingenu 开发的专有 LPWAN 技术栈。该公司于2008年成立于加利福尼亚州圣地亚哥,由前高通的工程师组建,最初的名字叫做 On-Ramp Wireless
  • Wize:源自于欧洲标准EN-13757 Wireless M-bus。Wize是由Wize联盟定义的一种物联网标准,主要是面向无线计量、智能城市和工业物联网等应用。Wize工作在169MHz频段,
  • Telensa:公司是一家无线监控系统供应商,将其智能无线技术应用于医疗、安全、车辆跟踪和智能计量等市场,特别关注于街道照明和停车的远程控制和管理
  • NB-Fi:是WAVIoT开发的一套物联网标准,此技术标准支持单个网络中多达 43 亿台设备,每台设备都有一个 32 位 ID。
WAVIoT对NB-Fi在市场中的认知

发展现状

根据IoT Analytics在2021年发布的的《2021-2026年LPWAN市场报告》,尽管疫情的影响和芯片组短缺,但低功耗广域网(LPWAN)的市场仍然持续高速增长,整个现状基于以下几个方向进行

来自IoT Analytics<2021-2026年LPWAN市场报>

主要围绕四项关键技术进行整合

LPWAN的技术也有不少,但是主要围绕几个关键技术进行,NB-IoT、LoRa、Sigfox、LTE-MZ占据整个市场容量主要份额,在2021年的数据中显示这四项技术占96%的份额,其中NB-IoT占比47%和LoRa占36%。

中国市场的进展最为神速

根据报告显示,中国是LPWAN市场中最大的采用者,并且NB-IoT和LoRa的部署设备数量最多,在2021年占整个全球的76%。但是贸易战的问题,西方国家认为NB-IoT是属于中国的技术,因此避免使用NB-IoT而改用LTE-M

智能计量是最大的LPWAN应用案例

智能计量是LPWAN市场中最早的,也是迄今为止采用最多的用例之一。中国电信有超过2000万个智能水表和超过2500万个燃气表连接到NB-IoT网络,日本天然气株式会社NICIGAS已经完成了85万个带有Sigfox连接的燃气表的改造,Birdz将在未来十年内连接法国300万个LoRa连接的智能水表,在沙特阿拉伯,一个500多万NB-IoT智能电表计量项目正在进行中。

低功耗卫星物联网连接正在进行中

以传统卫星解决方案的一小部分成本实现无处不在的网络覆盖,正在为该技术在20世纪20年代下半叶或2030年代的潜在市场成功做好准备,有几个初创公司利用卫星传递信号、更好的覆盖物联网进行测试。这些公司包括AstrocastMyriotaSwarm Technologies(被SpaceX收购)

从2G/3G到NB-IoT/LTE-M的迁移正在发生

LPWAN市场最终将覆盖目前依赖2G / 3G技术的大多数物联网部署。此迁移路径将有助于推动这些技术预期的大量容量。中国移动已经停止添加新的2G物联网连接,并开始关闭部分2G网络,以加速向NB-IoT网络的迁移。但是还有一些国家仍旧保留着2G技术,因此转移的速度逐渐进行中。

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