十面埋伏！NB-IoT/LTE-M七大LPWAN技術之爭

琵琶聲起，夜幕背後，一場曠世的物聯網大戰拉開序幕！

無線通信技術已高速發展20多年，在完成了人與人之間的連接后，物聯網為無線產業提供了持續發展的動力。由於LPWAN（低功耗廣域物聯網）技術相對難度不高，各種技術陸續推出，舉目遙望，可謂是山頭林立、遍地插旗。

較受關注的是採用授權頻譜的NB-IoT和LTE-M，主要由3GPP主導的運營商和電信設備商投入；以及採用非授權頻譜的LoRaWAN、Sigfox、Weightless、HaLow、RPMA(Random Phase Multiple Access)等技術，其大部分投入為非電信領域。

LPWAN，Low-Power Wide-Area Network，抓住兩個關鍵詞：低功耗和廣域覆蓋，簡單的說，就是在特省電的情況下，實現長距離通信的無線技術。

這種技術的共同點就是，遠距離通信能力可支持大規模物聯網部署，低功耗可避免經常更換電池，降低維護成本。

LPWAN最典型的應用就是智慧城市，城市路燈、智能電錶、下水道水位探測、智能交通等等，遠距離無線通信可避免鋪設有線管道，低功耗可保證幾年不用更換電池，省事省成本，這對於規模浩大的智慧城市建設簡直是不二選擇。

1 NB-IoT vs. LTE-M，市場碎片化？

NB-IoT頗有後來居上的勢頭。2016年3GPP驚覺LPWAN商機已來，火速在6月推出R13 NB-IoT標準。

儘管來得稍晚，卻備受矚目。3GPP主導，幾大電信設備商支持，全球300多家運營商的已完成全球90%覆蓋的移動網路，無以倫比的生態系統讓其他LPWAN技術直呼狼來了。

•支持現網升級，可在最短時間內搶佔市場。

•運營商級的安全和質量保證。

•標準不斷演進和完善。在3GPP R14標準里，NB-IoT還將會增加定位、Multicast、增強型非錨定PRB、移動性和服務連續性、新的功率等級、降低功耗與時延等等，讓NB-IoT技術更具競爭優勢。

因為NB-IoT採用授權頻譜，可避免無線干擾，且具備運營商級的安全和質量保證，所以，與其他LPWAN技術比起來，似乎更高逼格。

但是，這是有代價的，如果算上頻譜拍賣價格，NB-IoT的部署成本其實是高於一些其他的LPWAN技術的。根據一份NB-IoT vs LoRa Technology研報，NB-IoT的部署成本高於LoRa（如下圖）。

這就像寄快遞一樣，一些小快遞公司價格便宜，但是不能保障速度，沒準還把你的充氣娃娃搞丟了，而NB-IoT就有點像快遞中的順豐。

所以，對一些對可靠性、包括時延性要求較高的應用場景，NB-IoT不可替代。

NB-IoT自R13標準凍結后，正以驚人的速度佔領市場，據不完全統計，中國、德國、西班牙、荷蘭等國家已經宣布計劃商用NB-IoT。

•中國電信計劃於2017年6月商用第一張全覆蓋的NB-IoT網路。

•德國電信計劃於2017年第二季度商用NB-IoT網路，採用LTE 800MHz和900MHz頻段，首先應用於智能電錶、智能停車和資產追蹤管理等。

•荷蘭計劃於2017年前完成國家級的NB-IoT網路建設。

•在西班牙，Vodafone首先在巴倫西亞和馬德里部署了NB-IoT，並在3月底將城市擴展到巴薩羅拉、畢爾巴鄂、馬拉加等地，已有1000個以上的基站支持NB-IoT。

…

但是，我們也不要忽略了3GPP的另一股力量——LTE-M。2017伊始，LTE-M也在迅速蔓延擴張。

2017年2月27日，在MWC2017上，AT&T (美國和墨西哥)、KPN (荷蘭)、 KDDI (日本)、NTT DOCOMO (日本)、Orange (歐洲、中東和非洲)、Telefonica (歐洲)、Telstra (澳大利亞)、TELUS (加拿大) 和Verizon (美國) 聯合宣布支持LTE-M全球部署。

•KPN已經在荷蘭完成了LTE-M測試，採用的是愛立信和高通設備。

•AT&T早在2016年就於舊金山部署了LTE-M網路試點項目，2017年2月，宣布計劃於2017年第二季度完成美國首個國家級的LTE-M網路部署。

•這還了得，友商Verizon一萬個不服。就在幾天前，2017年3月31日，Verizon宣布將在美國首個推出全國範圍的LTE-M網路，並表示正在加速建設，言外之意就是，甭管你AT&T啥時建成，勞資就是要比你快一步。

3GPP在R13版本出現了兩種物聯網版本：LTE-M和NB-IoT。坦白的講，這是妥協的結果，3GPP和了稀泥，這導致了市場碎片化和混亂。

我們先來比較一下兩種技術：

一眼便知，NB-IoT在頻譜上更具靈活性，可支持三種部署方式。LTE-M的速率更高。

但是，這不夠，物聯網的關鍵是性能、成本和功耗，所以我們下面從這三個方面來對比。

1）性能

由於NB-IoT的比特率較小，因此鏈接預算更好，所以，普遍認為NB-IoT的覆蓋範圍比LTE-M更大。

不過，最近看到國外一篇文章對此進行了反駁。我只當搬運工，大家來評理。

原文如下：

最大耦合損耗（MCL）是傳送數據時UE和eNodeB的天線埠之間的最大總通道損耗。MCL越高，鏈接越強大。根據3GPP，CAT-M1的MCL為155.7dB，NB-IoT為164dB，有8dB的差異。表面上看，NB-IoT更具優勢。但是，根據香農定理，當信噪比（SNR）很低，噪音是白噪音的情況下，通道容量的近似值是和帶寬無關的。

基於上面的推論，我們會得到以下結論：

•當發射功率相同時，兩者在上行方向的覆蓋範圍一致，

•在下行方向，CAT-M1的覆蓋範圍是NB-IoT的6倍（~8dB），因為Cat-M1從節點（eNB）發出的信號帶寬是NB-IoT的6倍。

事實上，如果我們仔細的去看3GPP標準裡面用來計算MCL的參考場景的參數設置，兩個標準的參數設置是不同的，比如發射功率，噪音係數，和目標吞吐率都不同，這樣的比較是不公平的，如下表：

如果我們使用相同的假設條件（相同發射功率，相同噪音係數，和相同的目標吞吐率），我們可以看到前面的推論是成立的，即：兩個標準的上行覆蓋範圍相同，下行覆蓋範圍CAT-M1比NB-IoT優化~8dB。

2）成本

模塊成本上，NB-IoT比LTE-M低毋庸置疑。LTE-M的帶寬為1.4MHz，NB-IoT處理帶寬為200KHz，基帶部分尺寸更小，而且200K帶寬的射頻前端和數字處理都比1.4MHz的LTE資源塊簡單得多。另外，NB-IoT波形更簡單，而LTE-M處理OFDM要更複雜。

3）功耗

由於物聯網設備大多數時間在「睡覺」，所以比較功耗主要看設備激活狀態下的功耗。通常認為，由於NB-IoT速率更低，處理波形更簡單，所以功耗更低。

不過，我又看到另一種解釋，說是因為LTE-M比NB-IoT吞吐率更高，那麼，如果接收的數據量相等，則LTE-M比NB-IoT花的時間更少，這意味著更省電。

&%&&**%￥#￥…. 真是受不了技術宅啊！！！！

總之，如果非要分個國界的話，美國兩大運營商支持LTE-M，中國和歐洲更支持NB-IoT。當然，關鍵還是運營商根據自己的實際情況來部署，最利於自己才是關鍵。

2 Sigfox，搶地盤搶地盤

2017年，在NB-IoT還未站穩腳跟之時，Sigfox正在瘋狂的搶地盤，企圖在最短的時間裡拉開距離。

這也容易理解，Sigfox、LoRaWAN、RPMA這些技術的成熟度本來就領先NB-IoT一兩年，事實上，2017年人家已經率先踏上商業化之路，此時不加速，等待何時？

來自法國的Sigfox心裡很清楚，與NB-IoT競爭的最大弱勢之一就是網路覆蓋，畢竟NB-IoT是現成的網路，部署很快，而Sigfox需要新建基站。所以，現階段他們的目標就是建網路，瘋狂的建網路。

據統計，截止2017年1月，Sigfox網路已覆蓋29個國家和地區、170萬平方公里、4.7億人口，並計劃在2018年把網路擴張到60個國家。

另外，Sigfox儘管沒有NB-IoT引入矚目，但其在生態部署上不容忽視。Sigfox採用免費專利授權策略，吸引了許多夥伴加入生態系統。目前Sigfox已有71個設備製造商、49個物聯網平台供應商、8家晶元廠家、15家模塊廠家、30家軟體和設計服務商等夥伴。其中，晶元供應商包括德州儀器(TI)、意法半導體(ST)、芯科(Silicon Labs)、安森美(On-Semi)、恩智浦(NXP)、Ethertronics、Microchip與雲創通訊(M2Comm)等。

Sigfox工作在868MHz和902MHz的ISM頻段，消耗很窄的帶寬或功耗，且Sigfox的傳輸速率最低，僅為100bits/s，消息最長是12個位元組，一個節點每天最多傳送消息數量為140條。在傳送12位元組消息的時候，封包大小僅為26位元組。因此，由於窄帶寬和短消息特點，加之其162dB的鏈路預算，Sigfox在遠距離傳輸上優勢也較突出。

▲Sigfox消息上行12位元組，下行8位元組；每天最多發送140條消息；只需在電腦上就可利用Sigfox Could雲平台連接到物聯網設備

▲在傳送12位元組消息情況下，Sigfox封包容量僅為26位元組，比其他通信協議小

另外，Sigfox這貨還有個特點，它不需要傳輸信令，終端只要在頻率上使用SigFox Radio Protocol發射信號，基站會自行接收信息，因而省去了信令負荷，降低了總的傳輸數據量，可進一步降低功耗。

▲Sigfox協議還不需傳輸信令信號，能省下更多流量

不過，有優點也有缺點。Sigfox速率低、覆蓋廣，但每天上傳數據有限，不適合數據傳送頻率較高的應用。

所以，這裡有個形象的比喻，如果消息長度為120位元組的LPWAN技術是小汽車，那麼Sigfox就是摩托車。

▲Sigfox的傳輸方式就像是用摩托車來運送小量貨物

當然，這樣的好處是，可以增加連接數量…

3 LoRa，浩浩蕩蕩的大軍

LoRa的名字源於Long Range的縮寫，它的夢想就是長距離，如果一個網關或基站可覆蓋整個整個城市那就再美不過了。

在LoRa組網中，所有終端會先連接網關，網關之間通過網路互連到網路伺服器，在這種架構下，即使2個終端位於不同區域、連接不同的網關，也能互相傳送數據，進一步擴展數據傳輸的範圍。

▲LoRa組網結構圖

目前大多數的網路採用網狀拓樸，然而在這種網路拓撲下，往往通過節點作為中繼傳輸，路由迂迴，增加了整體網路的複雜性和耗電量。

LoRa獨闢蹊徑，採用星狀拓樸，讓所有節點直接連接到網關，網關再連接至網路伺服器整合，若需要與其他終端節點溝通，也是經由網關傳輸。如此一來，儘管終端節點必須指定位置安裝，但網關安裝選點靈活，可以就近有線網路或有電源的地方選點，不必擔心網關的耗電問題。進而，終端節點可以將一些耗電較高的工作交給網關來處理，以提高終端的續航能力。

LoRa支持雙向傳輸，傳輸方式分為3種不同的等級：Class A，Class B和Class C。

Class A最省電，終端設備平常會關閉數據傳輸功能，在終端上傳數據后，會短暫執行2次接收動作，然後又再次關閉傳輸。這種方式雖然能夠大幅度省電，但是無法及時從網路伺服器遙控或傳送數據，會有較長的延遲。

Class B耗電量較大，能夠在設定的時間定期開啟下載功能、接收數據，這樣能降低傳輸延遲。

Class C則會在上傳數據以外的時間，持續開啟下載功能，雖然能夠大幅降低延遲，但也會進一步耗電。

由IBM和思科領銜的LoRa大軍同樣聲勢浩大。LoRa聯盟以17個贊助會員為主，包括了韓國SK Telecom和法國Orange等運營商加入。

以SK電信為例，早在2016年就宣布商用第一個國家級的基於LoRa的物聯網網路。

▲SK電信端到端的LoRa網路構架圖

LoRa早在2016年就表示，已有17個國家宣布建網計劃，超過120個城市已有運行網路。LoRa聯盟會員超過400個，產業鏈完整，被稱為是除了NB-IoT之外，最吸引電信營運商的LPWAN技術。

LoRa儘管傳輸距離不如Sigfox，也能保證幾公里範圍覆蓋，且頻帶較寬，建設成本和難度不高，尤其適用於工業區內收集各種溫度、水、氣體和生產數據等各種數據。當然，如果與NB-IoT或LTE-M這樣的成熟大網結合，大範圍地將分佈於各地的工業區連接起來，並傳送的雲端進行數據分析，意義非同凡響。

4 RPMA，LPWAN界的一匹黑馬

RPMA來得有點特別，其他LPWAN多採用1GHz以下頻段，由美國Ingenu主導的PRMA採用的2.4GHz頻段，這一技術被一些人稱為LPWAN界的一匹黑馬。

RPMA覆蓋能力強，據說覆蓋整個美國僅需要619個基站，而LoRa覆蓋全美則需要10830個基站。RPMA的容量也夠大，以美國為例，如果設備每小時傳送100位元組的信息，採用RPMA技術可接入249232個設備，而採用LoRa技術和Sigfox技術則分別只能接入2673個設備和9706個設備。

為迅速佔領低LPWAN市場，Ingenu表示，該公司已經在全球超過45個國家和地區部署了2.4GHz的RPMA，據說2016年底在美國30個城市建立600個基站塔，覆蓋七成的美國國土。

Ingenu也在積極與晶元、模塊和系統供應商建立夥伴關係，擴大生態系統，推進市場應用。

5 Weightless，看似很平靜

Weightless有三個不同的架構：Weightless-N、Weightless-P和Weightless-W。Weightless-N單向通信，是低成本的版本；Weightless-P是雙向通信；如果當地TV空白頻段可用，可選擇Weightless-W。

Weightless與歐洲電信標準化協會(European Telecommunications Standards Institute, ETSI)達成合作協議，該技術未來可能會仿效Wi-Fi，建立統一的標準和認證體系，將技術和產品標準化、產業化。根據Weightless SIG的目標，一個Weightless連接終端成本希望在2美元以內，一個Weightless基站的材料成本低於3000美元。

Weightless-P使用GMSK和offset-QPSK調製提供最佳的功率放大器效率。offset-QPSK調製本身具有干擾免疫和使用擴頻技術，可提高網路連接質量。17dBm的低傳送功耗，終端可以用紐扣電池供電。自適應數據速率還允許節點用最小的發送功率建立一個新的信號通道到基站，因此可以延長電池壽命。在待機模式下，Weightless-P的功耗小於100uW。

6 HaLow，讓WiFi走出室內的夢想

WiFi在室內取得了巨大成功，一直想走向室外。物聯網來了，是時候再搏一搏了。2016年9月，由IEEE主導的802.11ah標準，Draft 9.0版本完成。12月，完成標準委員會核定程序，預計2018年可以商業化，命名為HaLow，採用非授權的900MHz頻段，傳輸距離達1公里，傳輸速率150kbps～347Mbps。

IEEE還計劃採用電視白頻道頻段54～790MHz的802.11af技術，期待能提供更低功耗與更長傳輸距離。

不過，從HaLow的規範看來，傳輸距離與動輒數十公里的其他LPWAN技術相較還有一段差距，雖然可以通過多點中繼的方式延伸到數公里，但由於起步時間較晚，產業鏈勢微。好處是WiFi網路建設不困難，只需通過設備升級即可。

目前也只能定位為NB-IoT的補充，真正實現網路廣域連接，還得靠NB-IoT來幫忙。

十面埋伏，琵琶聲起，殺機四伏，物聯網的對決已拉開序幕…