關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)⒉煌攸c(diǎn)的人、物體都聯(lián)系起來這些相關(guān)信息人們可能已經(jīng)聽得太多了。但是目前為止我們好像還沒有看到顯著的發(fā)展，因?yàn)槟壳斑@方面需求的驅(qū)動(dòng)力不是來自消費(fèi)者，而是相關(guān)工業(yè)、政府以及其它應(yīng)用領(lǐng)域，就不一一列舉了。但是肯定的是：物聯(lián)網(wǎng)（IoT）正在不斷興起，只不過不是按照每個(gè)人所認(rèn)為的那樣。證據(jù)表明無線運(yùn)營商結(jié)合初創(chuàng)公司正在努力把一切小型傳感器相關(guān)的設(shè)備接入到整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）系統(tǒng)中來。

除了我們比較熟悉的ZigBee、WiFi和藍(lán)牙（Bluetooth）的連接方式還有兩種基本的連接方式能夠?qū)崿F(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備與主機(jī)之間的通信，分別是蜂窩網(wǎng)絡(luò)和低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）。LPWAN設(shè)計(jì)者的目標(biāo)就是趕在無線運(yùn)營商之前在更多的城市地區(qū)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)部署，主要有以下三種解決檔案：

EC-GSM（覆蓋擴(kuò)展），這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)在現(xiàn)在的GSM蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上通過附加的軟件系統(tǒng)支持物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用。

LTE的另一個(gè)名稱，即LTE-M，它涵蓋了LTE通信的各種規(guī)范，支持所有的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）類型的連接應(yīng)用。

第五代無線技術(shù)：5G，預(yù)計(jì)會(huì)在2020年后面市。

目前的形勢(shì)來看競賽已經(jīng)開始，無線運(yùn)行商本身就具備的巨大的優(yōu)勢(shì)，它們已經(jīng)無所不在。但是LPWAN提供商也迅速找到了自己的解決方案，我們可以明顯的看出在不久的將來物聯(lián)網(wǎng)（IoT）連接領(lǐng)域?qū)?huì)帶來巨大的利潤收益。這場競爭也會(huì)在無線運(yùn)行商和LPWAN提供商之間展開。

無線運(yùn)營商現(xiàn)在憑借其傳統(tǒng)的2G技術(shù)已經(jīng)能夠提供互連解決方案，目前正在維護(hù)改進(jìn)。然而大部分無線運(yùn)營商決定在今年12月31日前徹底關(guān)閉2G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，行業(yè)內(nèi)稱為“2G日落”，同時(shí)也意味著依靠2G網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)應(yīng)用也要在此日期之前升級(jí)到3G或者4G網(wǎng)絡(luò)。第三代合作項(xiàng)目（3GPP）負(fù)責(zé)管理無線標(biāo)準(zhǔn)，在六月份最新發(fā)布的Release13版本中增加了面向物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用的設(shè)計(jì)規(guī)范，在2019年5G技術(shù)最終確定之前，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）互連規(guī)范都會(huì)不斷的做出修訂，隨后幾年無線運(yùn)營商會(huì)在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）互連方面持續(xù)做出努力。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）互連的三種類型

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）互連以距離來劃分可分為三種類型：短距離、中距離和遠(yuǎn)距離。

短距離：對(duì)于這類應(yīng)用主要采用藍(lán)牙（Bluetooth）、WiFi和Zigbee通信方式，這些標(biāo)準(zhǔn)從最初設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是面向短距離通信連接的，因此通常以米為單位，而不是公里。

中距離：這種類型的應(yīng)用市場主要被無線運(yùn)營商和LPWAN提供商占據(jù)，具有很多特性，比如低成本、電信級(jí)別的安全和加密以及針對(duì)特定應(yīng)用的功能特性。對(duì)于無線運(yùn)營商而言這類的解決方案目前成本還比較高，但是我們相信有來自LPWAN提供商的競爭壓力，運(yùn)營商肯定會(huì)逐漸降低成本，提高性價(jià)比。

遠(yuǎn)距離：與太空中的衛(wèi)星之間實(shí)現(xiàn)互連通信應(yīng)該是最遠(yuǎn)的距離了，但是花費(fèi)也是最貴的。而且拓展到火星甚至更遠(yuǎn)的距離，延遲和功耗問題就變得越來越顯著。

下面我們將主要討論中距離的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）互連解決方案，這種類型的應(yīng)用我們可以采用兩種技術(shù)：借助蜂窩載波技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)以及不斷壯大的低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）策略。

LPWAN的別稱

根據(jù)實(shí)際部署的調(diào)制方案LPWAN解決方案也存在很大的不同，比如超窄頻帶、窄頻帶和寬頻帶。超窄頻帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射端頻帶能夠降低噪聲，會(huì)給接收器端的敏感度、頻帶范圍帶來積極的影響，同時(shí)發(fā)射功率也更低一些。這些功能特性決定超窄頻帶系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的功能和應(yīng)用場景，比如低數(shù)據(jù)速率、小型數(shù)據(jù)包、單向或者雙向通信等。窄頻帶的網(wǎng)絡(luò)則能夠提供更好的適用性，對(duì)于頻帶范圍和容量都具有廣泛的使用性。最后，寬頻帶網(wǎng)路值得是頻帶在500KHz以上，最高能超過1MHz，當(dāng)然它支持的數(shù)據(jù)速率也是最高的。

上面簡短的總結(jié)介紹只是簡單的向大家介紹了實(shí)際上存在的很多非常復(fù)雜的系統(tǒng)。例如每種類型的網(wǎng)絡(luò)都可以通過擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)以及其它適當(dāng)?shù)姆椒▉硖嵘W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的能力。而且不同供應(yīng)商提供的超窄頻帶、窄頻帶和寬頻帶網(wǎng)絡(luò)性能也有很大的不同。對(duì)于潛在的客戶做出選擇也比較困難，還要考慮到其他一些因素，例如網(wǎng)絡(luò)容量、服務(wù)質(zhì)量、可靠性和安全性等，因此在做出具體解決方案選擇之前需要全方面的考慮。

其他競爭者

除了無線運(yùn)營商提供的LTE/4G/5G技術(shù)能夠支持物聯(lián)網(wǎng)（IoT）互連應(yīng)用領(lǐng)域，還有很多具有實(shí)例的競爭技術(shù)，下文介紹了六種物聯(lián)網(wǎng)（IoT）互連新型技術(shù)：LoRa、Symphony Link（Ensemble）、SIGFOX、Weightless、Nwave和Ingenu。

所有開發(fā)的解決方案都具有自己的不同特性，基于適合的軟件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和其它相關(guān)因素，每種技術(shù)方案都有自己適合的應(yīng)用場景。

LoRa網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

LoRa是“Long Range”的縮寫，由LoRa聯(lián)盟維護(hù)管理，是一種基于物理層實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的技術(shù)，支持雙向數(shù)據(jù)傳輸，符合一系列開源標(biāo)準(zhǔn)。它的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)具體解決方案稱為LoRaWAN，是由Semtech公司（擁有核心芯片技術(shù)）開發(fā)的，通過IBM公司的支持。LoRa技術(shù)采用chirp擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，考慮到環(huán)境因素，這樣的一個(gè)基站能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)百平方公里區(qū)域范圍的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。Semtech公司設(shè)計(jì)的SX1276低功耗長距離收發(fā)器可以應(yīng)用于自動(dòng)抄表、智能家居和樓宇自動(dòng)化、無線預(yù)警和安全系統(tǒng)、工業(yè)監(jiān)測(cè)和控制以及遠(yuǎn)程灌溉系統(tǒng)等等。

圖1：Semtech SX1276低功耗長距離收發(fā)器功能模塊框圖（來源：Semtech）

這項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)通道不同數(shù)據(jù)速率的網(wǎng)絡(luò)通信，主要與傳輸距離和所需求的消息持續(xù)時(shí)間有關(guān)。數(shù)據(jù)傳輸速率從300b/s到50kb/s,網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和每個(gè)用戶的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備終端的射頻（RF）輸出功率決定了數(shù)據(jù)傳輸速率。這種方法還提供了網(wǎng)絡(luò)級(jí)、應(yīng)用級(jí)和設(shè)備級(jí)的安全防護(hù)，適用于所有類型的雙向通信物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備。

Symphony Link和Ensemble網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

這項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是由Link Lab實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的，可以說是在LoRaWAN基礎(chǔ)上的一種修改，同樣是基于物理層但是采用不同MAC設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并且增加了一些額外功能?；谶@項(xiàng)技術(shù)的首款產(chǎn)品稱為Symphony Link系統(tǒng)，采用八通道基站，操作頻率433MHz或者915MHz，以及歐洲標(biāo)準(zhǔn)868MHz。傳輸距離至少10英里，借助WiFi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)或者以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)云服務(wù)器的消息處理、路由、配置以及網(wǎng)絡(luò)管理等操作。

SIGFOX網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

SIGFOX技術(shù)是由一家法國公司開發(fā)的，該公司的名字也是SIGFOX，目前已經(jīng)在19個(gè)國家實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)部署，包括美國的舊金山，目前網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積達(dá)120萬平方公里，也是這方面的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者。這家公司宣稱在五月份將會(huì)在美國繼續(xù)部署這項(xiàng)技術(shù)，會(huì)涉及多達(dá)100個(gè)城市。SIGFOX網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的頻率范圍在868MHz或者915MHz，采用二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）格式傳輸非常小的數(shù)據(jù)包，傳輸速率也很低（300b/s）。SIGFOX能夠?qū)崿F(xiàn)長距離的網(wǎng)絡(luò)覆蓋以及通用的功能特性，適合各種小數(shù)據(jù)量的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用場景。

SIGFOX網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用超窄頻帶調(diào)制技術(shù)，單個(gè)基站能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)消息的傳輸最遠(yuǎn)達(dá)1000公里以上，每個(gè)基站允許多大100萬個(gè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備終端。每個(gè)數(shù)據(jù)包只有12字節(jié)，每個(gè)終端每天最多只能傳輸140條網(wǎng)絡(luò)消息，對(duì)于這類的很多應(yīng)用也是足夠了。最初的SIGFOX網(wǎng)絡(luò)是單向傳輸，但是不久就會(huì)支持雙向傳輸功能。

這家公司還開源其知識(shí)產(chǎn)權(quán)，半導(dǎo)體公司額模塊設(shè)計(jì)公司可以免費(fèi)使用，目前已經(jīng)有多家公司的SIGFOX芯片、天線、擴(kuò)展和評(píng)估板卡、以及其它組件產(chǎn)品面市，例如安森美半導(dǎo)體公司開發(fā)的AX-SigFox以及AX-SigFox-API開發(fā)接口、SigFox網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)單芯片解決方案。根據(jù)安美森半導(dǎo)體所述：“AX-SigFox是一個(gè)超低功耗單芯片解決方案，解決SigFox網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上行和下行傳輸功能。AX-SigFox芯片集成了所有必需的固件，能夠發(fā)送和接收SigFox網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包，非常方便使用?！?/p>

圖2：安美森半導(dǎo)體公司AX-SigFox收發(fā)器IC芯片功能模塊圖（P/N：AX-SFEU-1-01TB05），使用RS232串口實(shí)現(xiàn)與用戶上位機(jī)的連接，使用AT命令來發(fā)送數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)無線參數(shù)的配置（圖片：安美森半導(dǎo)體）

Weightless網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

這項(xiàng)技術(shù)的開源標(biāo)準(zhǔn)有三個(gè)版本：Weightless-N、Weightless-P和Weightless-W。Weightless-N是單向傳輸?shù)?，傳輸范圍超過5公里，是Weightless技術(shù)最基礎(chǔ)的擴(kuò)展。Weightless-N物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備使得電池的使用壽命可達(dá)10年之久，可見其低功耗特性。Weightless-P是雙向傳輸擴(kuò)展版本，具有更豐富的功能特性，覆蓋范圍2公里，設(shè)備壽命可持續(xù)3年到8年。Weightless-W是最廣泛的雙向傳輸擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)方案，覆蓋范圍超過5公里，設(shè)備壽命一般在3年到5年，Weightless-W運(yùn)行在TV空白空間頻譜范圍（TV white space spectrum，TVWS）。

Weightless網(wǎng)絡(luò)采用GMSK和offset-QPSK擴(kuò)頻調(diào)制方案，12.5KHz寬頻通道，射頻發(fā)射功耗僅17dBm。應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備中時(shí)，靜態(tài)電流功率消耗僅100μW，能夠兼容很多物聯(lián)網(wǎng)傳感器，采用鋰離子電池手表的電池就可以實(shí)現(xiàn)供電。Weightless可以在任何免費(fèi)首選的頻帶使用，網(wǎng)絡(luò)通信的兩端都可以采用128/256 AES加密和驗(yàn)證算法。六月份，Weightless特殊權(quán)益組織將加入歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI），進(jìn)一步加強(qiáng)和完善超窄頻帶技術(shù)解決方案。

Nwave網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

Nwave采用超窄頻帶技術(shù)以及軟件定義無線電規(guī)范，可以在任何未經(jīng)授權(quán)的頻帶操作。單個(gè)基站可以容納超過100萬個(gè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備終端，覆蓋范圍10公里，射頻（RF）輸出功率100mW甚至更低，數(shù)據(jù)傳輸速率100b/s,采用電池供電的設(shè)備壽命可長達(dá)10年。

Ingenu網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（最初命名為On-Ramp無線技術(shù)）

Ingenu公司的機(jī)器網(wǎng)絡(luò)操作頻帶在2.4GHz，采用的調(diào)制方案稱為隨機(jī)相位多址接入（RPMA），使用直接序列擴(kuò)頻，嚴(yán)格控制發(fā)射功率，增強(qiáng)接收器敏感度，提供性能更強(qiáng)的鏈路傳輸。RPMA的自調(diào)節(jié)功能能夠在網(wǎng)絡(luò)和終端設(shè)備之間找到合適的信號(hào)傳輸接口。

這家公司聲稱每個(gè)基站在常用的環(huán)境條件下能夠覆蓋300英里的范圍。目前達(dá)拉斯/沃斯堡地區(qū)正在使用這項(xiàng)技術(shù)，覆蓋地區(qū)范圍2116平方英里，僅部署了17個(gè)訪問接入點(diǎn)為超過440萬人提供相關(guān)服務(wù)。除此之外目前已經(jīng)有超過38個(gè)地區(qū)部署了這項(xiàng)技術(shù)。

對(duì)于這些解決方案，半導(dǎo)體供應(yīng)商已經(jīng)設(shè)計(jì)了多條產(chǎn)品生產(chǎn)線，而且在快速增長。例如Silicon Lab設(shè)計(jì)的Si4464收發(fā)器操作頻率在119到1050MHz，非常低的運(yùn)行功耗。德州儀器公司設(shè)計(jì)的CC1120收發(fā)器使用窄頻帶網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸通道頻率低至12.5KHz，這家公司非常支持窄頻帶網(wǎng)絡(luò)方案，在其白皮書上詳細(xì)闡述了理論說明。Atmel公司設(shè)計(jì)的ATA8520單芯片發(fā)射器采用的是SIGFOX網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，運(yùn)行頻率868MHz，電流消耗低于33mA，輸出功率大于14.5dBm。安美森半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)的AX-SIGFOX低功耗收發(fā)器運(yùn)行頻率同樣為868MHz，集成了發(fā)射和接收固件。上文提到的四家公司都還有其他物聯(lián)網(wǎng)（IoT）互連產(chǎn)品，并且為客戶提供設(shè)計(jì)支持。

圖3：德州儀器（TI）公司設(shè)計(jì)的CC1120高性能射頻（RF）收發(fā)器的系統(tǒng)功能模塊（圖片：TI CC1120芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)）

最好但同等重要

目前在網(wǎng)絡(luò)方面占據(jù)主導(dǎo)地位的還是無線運(yùn)營商所提供的LTE通信解決方案。隨著物聯(lián)網(wǎng)在今年的不斷興起，3GPP組織正在制定開發(fā)流程標(biāo)準(zhǔn)。LTE-M發(fā)布了Release 12和Release 13版本，Release 13版本增加了很多面向物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用的專屬功能。支持窄頻帶200KHz以及寬頻帶1.4MHz，后者依舊比標(biāo)準(zhǔn)的LTE操作頻率要低得多。所有雙工模式的設(shè)計(jì)都是為了降低延遲和發(fā)射功率，對(duì)于使用兩節(jié)AA級(jí)電池的設(shè)備電池壽命至少能達(dá)到5年。我們相信LTE調(diào)制解調(diào)器的成本花費(fèi)會(huì)降低50%以上。

我們可以大膽的猜測(cè)，無線運(yùn)營商是否會(huì)占據(jù)所有的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）互連市場份額。那些持肯定態(tài)度的人可能已經(jīng)注意到在很多地方基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施已經(jīng)完成了部署，只需要做出一些小的修改即可。無線通信行業(yè)具有非常大的資源，它們肯定會(huì)致力于占據(jù)更大的市場份額，如果這說法成立，無線運(yùn)營商會(huì)一下子擊敗所有競爭者。也就是說，盡管現(xiàn)在AT&T宣稱即使使用“all-LTE”方法提供物聯(lián)網(wǎng)（IoT）互連方案，但是也不排除會(huì)在一些具體的應(yīng)用場景采用LPWAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案。

另一部分人相信無線運(yùn)營商會(huì)利用高性能的優(yōu)勢(shì)來解決更多的應(yīng)用需求，基于云服務(wù)的高速數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）終端設(shè)備互連需要跨越巨大的地理區(qū)域，因此不得不花費(fèi)更高的服務(wù)成本，一個(gè)典型的應(yīng)用就是工業(yè)機(jī)器制造商的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器分布在世界各地范圍內(nèi)。這個(gè)巨大市場的其余份額可以選擇LPWAN服務(wù)提供商。無論這個(gè)市場發(fā)展的怎樣的成熟，毫無疑問的是越來越多的人在未來的幾年內(nèi)將會(huì)看到物聯(lián)網(wǎng)所帶來的巨大發(fā)展。