The Internet of Things: Architecture and Protocols

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來源：电子发烧友网

物聯網，物物相連，無線技術的迅速發展為物體之間的資訊互通提供了技術支撐，在物聯網的普及過程中，無線技術將扮演著越來越重要的角色。

本文透過常見的幾種LPWAN無線通訊技術(NB-IoT/eMTC/LoRa)對比，探討物聯網大勢下的無線技術各自的特點和應用場景。

NB-IoT

NB-IOT全稱為Narrow Band-Internet of Things，窄頻物聯網，NB-IOT屬於物聯網範疇的一種技術，並已成為3GPP標準的LPWA技術。

NB-IOT基於現有蜂窩網路的技術，可以透過升級現網來快速支持行業市場需求，成為GUL網路上的第四種模式。同時，NB-IOT還具有覆蓋廣(能覆蓋到地下)、電池壽命長(超過十年)、成本低(每個模塊不足5美元)、容量大(單個社區能支持10萬連接)四大能力。

技術優勢

NB-IoT具備四大特點:

一是廣覆蓋，將提供改進的室內覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT比現有的網路增益20dB，相當於提升了100倍覆蓋區域的能力；

二是具備支撐海量連接的能力，NB-IoT一個扇區能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設備成本、低設備功耗和優化的網路架構；

三是更低功耗，NB-IoT終端模塊的待機時間可長達10年;

四是更低的模塊成本，企業預期的單個接連模塊不超過5美元。

NB-IOT聚焦於低功耗廣覆蓋(LPWA)物聯網(IOT)市場，是一種可在全球範圍內廣泛應用的新興技術。其具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構優等特點。

NB-IOT使用License頻段，可採取帶內、保護帶或獨立載波三種佈署方式，與現有網路共存。

應用場景

NB-IOT最常應用於智慧水表、智慧停車、寵物智慧跟蹤三大典型應用場景，在NB-IOT的後期規劃中，還會涉及到智慧自行車、智慧煙霧檢測器、智慧垃圾桶、智慧道路、智慧售貨機等方面。

面臨的挑戰

第一，互操作和一致性問題。2015年，NB-IoT的主要成員，包括沃達豐、愛立信、Telefonica和GSMA開展了面向NB-IoT設備的簡單的互操作和一致性認證試驗。沃達豐還在英國紐伯里建立了專用NB-IoT實驗室，2016年下半年在德國杜塞爾多夫，繼續開放進一步的實驗室研究。

第二，佈署和長期支持。NB-IoT佈署的最大問題是時間和成本，85%的企業基地台可支持NB-IoT，只需進行軟體的升級，但對基地台陳舊的網路服務商，則需對硬體進行升級。

這將導致NB-IoT網路建設的成本增加和時間消耗。另一個問題是全球M2M漫遊。理論上，服務商需支持三種標準，分別是：CAT-M、EC-GSM、NB-IoT，以及GPRS。

第三，應用和商業模式。為了建立NB-IoT應用和商業模式，行動通信行業需要盡快建立合作夥伴生態圈。例如：德國電信已在柏林和波蘭的克拉科夫，建立了NB-IoT原型樞紐，這些樞紐被納入孵化器中，為開發者提供快速學習的環境，激勵新的商業模式思考、縮短產品市場化的時間。

第四，與LPWAN(低功耗廣域物聯網)技術的競爭。LoRa和Sigfox已被證明是重要的發展技術，其中，Sigfox已在24個國家投入使用，LoRa繼續在一些國家、專網和社區網建設中使用。由於NB-IoT在近期內不會大規模佈署，其它技術競爭者仍有機會確定自己的市場定位。

目前，NB-IoT的市場普及，在各國間存在差異。在許多國家，潛在的服務商可能面臨來自非移動LPWAN網的強有力競爭。例如，在荷蘭，KPN已建立了國家LoRa網，在這種情況下，它可能不太會採用NB-IoT。

第五，確定正確的市場進入戰略。LPWAN的應用具有在非常規的間隔中，發送小數據有效載荷的特性。潛在的用戶可能需要更多低價值的服務。

在這種情況下，NB-IoT服務商需要開發相應的戰略，應對這樣的市場需求。主要策略包括：建立市場與品牌間的平衡；擴大市場佔有率，不僅限於傳統的M2M業務；在低端市場避免成本價格戰，側重於可控制價格溢價的應用；探索新商業模式以創造價值，加強垂直行業合作。

第六，定價計劃的設計，主要是物聯網數據計劃。目前，運營商仍在嘗試中。例如：韓國電信最近推出覆蓋全國的LoRa網，推出6種數據計劃，每一計劃對應於使用不同頻段的數據應用。

它的定價模式是：LoRa的數據計劃價格，只相當於基於LTE的物聯網業務的十分之一。在擁有LoRa或Sigfox業務的國家，NB-IoT的資費不得不保持合理的競爭區間。而在英國，由於沒有國家LPWAN網路，NB-IoT服務商在設計定價結構時，會有更多迴旋餘地。

此外，低速數據傳輸、隱私和安全、IT系統的轉換時間等問題，都將限制其發展。

eMTC

LTE-M，即LTE-Machine-to-Machine，是基於LTE演進的物聯網技術，在R12中叫Low-Cost MTC，在R13中被稱為LTE enhanced MTC，即eMTC，旨在基於現有的LTE載波滿足物聯網設備需求。

eMTC基於蜂窩網路進行佈署，支持上下行最大1Mbps的峰值速率，屬於物聯網中速率，其用戶設備透過支持1.4MHz的射頻和基頻頻寬，可以直接接入現有的LTE網路。

技術優勢

窄頻LTE其中最主要的幾個特性。

第一，系統複雜性地大幅度降低，複雜程度及成本得到了極大的優化。

第二，功耗極度降低，電池續航時間大幅度增強。

第三，網路的覆蓋能力大大加強。

第四，網路覆蓋的密度增強。

eMTC具備LPWA基本的四大能力：一是廣覆蓋，在同樣的頻段下，eMTC比現有的網路增益15dB，極大地提升了LTE網路的深度覆蓋能力；二是具備支撐海量連接的能力，eMTC一個扇區能夠支持近10萬個連接；三是更低功耗，eMTC終端模組的待機時間可長達10年；四是更低的模組成本，大規模的連接將會帶來模組晶片成本的快速下降，eMTC晶片目標成本在1~2美金左右。

應用場景

應用在智慧物流中，具有防盜、防調換、即時溫度傳感和可定位優勢，能夠即時監控及定位，將資訊記錄及上傳，可以對行駛軌跡查詢；在智慧可穿戴設備中，可支持健康監測、視訊業務、數據回傳和定位；依靠目前的蜂窩網交互螢幕，提供包括智慧充電樁、候機寶、電梯衛士、智慧公車站牌、公共自行車管理等方面的應用場景。

面臨的挑戰

eMTC與NB-IoT的典型特性差異在於，eMTC終端工作帶寬可以達到1.08MHz，遠遠高於NB-IoT終端的200kHz，因此，eMTC終端的峰值速率遠遠高於NB-IoT終端。

基於上述特徵，業界普遍認為eMTC技術，能夠提供較為低廉的VoLTE終端方案，並能夠具備較好的業務品質，但透過詳細的技術分析，採用eMTC技術支持語音業務，或提供語音解決方案，實際效果可能難以樂觀。

低功耗特徵

為了能夠在電力供應受限環境中提供物聯網服務，像NB-IoT一樣，eMTC也將低功耗作為系統設計目標，期望能夠基於較小容量的電池，支持終端10年免維護，並且與NB-IoT一樣採用了eDRX(Extended Discontinuous Reception)和PSM(Power Saving Mode)兩種節電技術。

對於典型的低頻次物聯網業務，比如自動抄表類，由於業務頻次非常低，採用這兩種技術，可以讓終端長期處於休眠狀態，只在需要進行數據傳輸的時候進行工作，因此可以非常節電。

但這種良好的節電效果，只對頻次較低的業務有效，對於VoLTE業務而言，終端需要經常監聽網路尋呼，以即時響應到達的呼叫，所以無法採用eDRX和PSM技術的節電機制。

大連接特徵

萬物互聯的要求，需要物聯網技術能夠服務海量的終端，為此3GPP設計了CP(Control Plane)優化與UP(User Plane)優化兩種空口技術優化方案，對於小包傳送的物聯網業務，可以節省大量的空口信令，提升傳輸效率。

但對於VoLTE語音業務，是無法採用CP及UP優化方案提升容量的，因此eMTC對於VoLTE不具有提升容量的能力。

廣覆蓋特徵

考慮到有些物聯網終端往往處於建築物內部的較深位置，典型的比如水表，所處環境往往信號非常微弱，eMTC設計了重複技術以增強覆蓋，透過上、下行無線信號的重複，可以在接收端累積信號能量，從而增強覆蓋。

但正是由於無線信號的重複，造成平均業務速率降低，也就是說，這種覆蓋增強技術，是以業務速率降低為代價換取的，所以，對於VoLTE這種需要一定速率保障的業務而言，eMTC的覆蓋增強技術，沒有帶來任何好處。

低成本eMTC終端方案

eMTC終端(晶片)的低成本方案主要包括：較小工作頻寬，eMTC終端的工作頻寬為1.08MHz，這種工作頻寬雖然比NB-IoT更高，但相較於普通LTE終端卻低了許多，能夠降低零組件價格，以及晶片計算能力要求，從而降低總體價格。

較低的峰值速率，相對LTE而言，較低的峰值速率降低了晶片計算能力和Buffer要求，從而降低晶片價格；單終端接收天線，降低射頻零組件成本；半雙工方案，可以省下終端射頻的雙工器，從而降低終端的成本。

LoRa

LoRa是LPWAN通信技術中的一種，是美國Semtech公司採用和推廣的一種，基於擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。這一方案改變了以往，關於傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，為用戶提供一種簡單的能實現遠距離、長電池壽命、大容量的系統，進而擴展傳感網絡。

LoRa網路構成

目前，LoRa主要在全球免費頻段運行，包括433、868、915 MHz等。LoRa技術具有遠距離、低功耗(電池壽命長)、多節點、低成本的特性。

LoRa網路主要由終端(可內置LoRa模組)、網管(或稱基地台)、Server和雲四部分組成。應用數據可雙向傳輸。