背景在傳感器之間相互通信的「邊緣地帶」，各種通信標準互相競爭，它們之間大都互不兼容；而從邊緣到Internet和云之間的連接則只存在兩類互相競爭的標準：無線運營商標準和LPWAN。LPWAN提供商通常會使用多種標準，包括一部分專有標準；蜂窩通信行業的路線圖則側重于簡化和增強以長期演進（LTE）標準為中心的當前產品的功能。因此，即使在長距離通信連接市場中只存在兩個基本競爭者，也仍然有必要了解有關每個競爭者的基本信息，以及它們的優缺點和對特定應用的適用性。

網絡連接為何如此值得關注？

說到底還是和錢有關。無線運營商和LPWAN提供商都會對每臺聯網設備收費，同時物聯網設備數量也正在迅速增長。全世界的無線運營商花了三十多年時間，才實現今天高達23億的總用戶量；然而，在物聯網服務出現后的區區幾年內，聯網的物聯網設備總數就已經超過84億臺，預計2020年這一數字將不少于200億。雖然物聯網設備最終并不一定都連接到Internet，但只消「僅僅」100億臺聯網設備，就足夠讓服務提供商賺得盆滿缽滿，這么好的生意誰不想做？然而，物聯網應用之間存在很大差異，并且當前基于蜂窩網絡的解決方案和LPWAN解決方案能夠實現的功能也有所不同，因而并不存在一個單一標準能夠滿足所有需求。為了說清楚這些差異，我們來設想這樣一個場景：一座城市中有10萬個住宅、企業等用電實體，它們的智能電表（圖1）都需要連接到Internet。這樣的需求實現起來，顯然和在一家工廠里讓250臺機器發送數據有著天壤之別，就好比在一個龐大的農場中，諸多類型的傳感器會散布在方圓數公里的土地上，而非聚集在一棟建筑物中，此外自動駕駛汽車也幾乎必然會出現，最終將會構建出一個復雜無比的獨特物聯網環境，需要在車輛之間以及固定設施之間實現各種連接。

圖1：全美國共有近7000萬個智能電表，它們會周期性地通過LPWAN傳輸最新用電情況，在不久的將來還將通過蜂窩網絡傳輸這些數據。

無論對于何種應用，無線運營商和LPWAN提供商所提供的服務都有一個共同目標，就是讓安裝在閥門、電機和泵等主設備上的微型傳感器在僅由紐扣電池供電的情況下，在長達數年的時間內定期與某個外部點進行通信。盡管這兩種服務提供商都以各自不同的方式來解決此問題，但它們都采用了專門針對物聯網環境而設計的各種技術。例如，它們都對數據傳輸的量和持續時間進行了限制，規定了傳感器必須在何時進行通信，并且使用的是低速傳輸方式，因而只需很窄的帶寬就可以實現傳輸。此外，由于帶無線功能的傳感器發送的低功率信號非常弱，因此必須使用非常敏感的基站接收器，才能檢測到這些信號。基站本身還必須使用如圖2所示的多輸入多輸出（MIMO）技術或其他類似技術，并且在某些情況下，還需要使用高度定向的天線來確保連接穩定。

圖2：通常情況下，多路徑傳播是要盡力避免的，但MIMO技術卻可以利用這種現象，通過在傳輸路徑兩端使用多個收發天線，從而顯著增大網絡容量，盡可能減少錯誤并優化吞吐量。

最后，我們還需要設立許多小型基站（小型蜂窩小區）來縮短信號傳輸的距離，從而將延遲降低到某些物聯網應用所需的那種近乎瞬時的水平。

比較蜂窩通信和LPWAN

面對物聯網的需求，蜂窩通信行業有著獨特優勢。在美國，各大運營商建立了數十萬個宏基站，這個數量恐怕達到了小型蜂窩小區的三倍，使得LTE信號幾乎無處不在。大多數情況下，要升級這些基礎設施，以便適應與物聯網設備的通信，僅需要升級軟件就可以實現，無需在射頻和微波收發器等硬件上投入大量資金。此外，哪怕在物聯網被公認為下一個大事件之前，無線運營商便早已通過傳統的第二代（2G）技術解決了無線傳感器的連接問題。

蜂窩通信行業多年來一直致力于適應物聯網。負責管理無線標準制定和發布的第三代合作伙伴計劃（3GPP）在其最新的第13版標準中包含了專門針對物聯網的實質性規范，該標準于2016年6月最終確定。從現在起，直至第五代蜂窩電話的首個標準預計于2019年發布之前，這些功能將繼續得到增強。屆時，無線運營商將在物聯網連接方面打下堅實的基礎。

相比之下，LPWAN提供商就沒有這樣的優勢。由于它們完全是無線通信世界中的新進者，因而在想要提供信號覆蓋的所有區域中，都必須從頭開始構建每一個系統。與此同時，蜂窩通信行業正迅速推出以物聯網為中心的數據套餐，這也使得LPWAN提供商必須抓緊非常有限的時間在關鍵區域（通常是城區）部署它們的網絡；好在LPWAN系統的構建和部署成本低于蜂窩網絡，而且并不一定需要在發射塔上租賃空間，并且可以用更少的基站覆蓋廣闊的范圍。

對LPWAN提供商而言，現階段真正的問題，在于它們是否可以在蜂窩通信主導的世界中生存。鑒于LPWAN可以提供與蜂窩網絡類似的功能，例如運營商級安全性和其他各種強制性功能，因而大多數分析師都認為它們可以做到，并且它們對客戶而言也可能具有成本優勢。一些分析師還表示至少一半的物聯網用例都可以由LPWAN來提供服務。可以肯定地說，雖然蜂窩通信行業將會主導物聯網連接，但LPWAN提供商仍然可以在個別市場中與前者開展價格戰。蜂窩通信物聯網

蜂窩通信行業正在開發基于LTE的物聯網連接解決方案，其總體路線圖建立在當前LTE版本基礎之上，并繼續對其進行完善，包括降低其復雜性和成本。隨著這一過程逐步開展，蜂窩通信技術將更加適用于各種物聯網應用，并最終迎來第五代蜂窩通信技術（5G）。

對此，蜂窩通信行業的共識是采用主要在3GPP第13版標準中引入的三個不同標準，在此基礎上實現物聯網連接，并最終實現5G標準中的要求。理想情況下，這些解決方案應在低于1GHz的頻率上實現，因為這種情況下的信號傳播條件更有利于長距離傳輸和建筑物穿透：

LTE-M：也稱為增強型機器類型通信（eMTC），是從第12版（2014年）標準中的LTE標準發展而來，并且包含第13版標準中的進一步改進。

NB-IoT：第13版標準中為物聯網準備的窄帶LTE。

EC-GSM-IoT：用于物聯網的擴展覆蓋GSM，是GSM技術擴大信號覆蓋范圍的變體。該技術在第13版標準中針對物聯網進行了優化，可以與GSM運營商一同部署。

5G：將于2020年實現標準化，使NB-IoT和EC-GSM-IoT得到增強。

在此，我們可以推定，由于物聯網的要求與運行傳統蜂窩通信的要求存在顯著區別，因而未來的新發展要通過使用省電模式來延長電池壽命、通過降低設備復雜度來降低設備成本、通過共享運營商容量來降低部署成本、通過采用更高級的編碼和增加信號的頻譜密度來擴大信號覆蓋范圍。

表1中詳細闡釋了蜂窩通信技術的發展。例如，第8版標準的峰值下行鏈路速率可達150Mb/s，因為它是為傳統蜂窩應用設計的。但是，在新的NB-IoT窄帶標準中，峰值下載速率只有170kb/s，以適應物聯網的要求。用戶設備的信道帶寬也是如此，從第8版最大18MHz下降為NB-IoT的180kHz。另一個有關物聯網應用的重要因素是調制解調器的復雜度，第13版中的這一數值相比第8版降低了85%。簡而言之，對于面向物聯網需求的蜂窩通信技術，其發展的方向在許多方面與傳統語音和數據服務希望通過5G實現的目標完全相反。換言之，這些新技術并不是為了提高數據速率，而是通過降低數據速率，好讓蜂窩物聯網網絡及其組件的整體復雜性也能夠降下來。

表1

可供選擇的LPWAN方案

LPWAN提供商既可以采用開放式標準（例如由LoRaWAN聯盟管理的LoRaWAN），也可以采用專有解決方案（例如Sigfox）；LoRaWAN和Sigfox都運行在免許可頻譜中。盡管Sigfox聲稱自己是「全球領先」的IoT連接服務，能夠在32個國家和地區（主要位于歐洲）提供服務，但LoRaWAN在業界贏得了更廣泛的認可，其聯盟中已有400多個成員。正是由于這個原因，才使LoRa基帶和RF硬件的成本不斷降低，其降幅至今已超過一半，并且隨著供貨數量增加還可能進一步下降。LoRaWAN這里有必要澄清一下LoRa、LoRaWAN和Link Labs提供的產品之間的區別，它們之間確實很容易混淆。LoRa是由LoRaWAN聯盟管理的開放標準物理層，LoRaWAN則是提供網絡連接功能的媒體接入控制（MAC）層。Link Labs公司是LoRaWAN聯盟的成員，該公司采用Sematech LoRa芯片組，并通過一種名為Symphony Link的解決方案來提供該公司獨有的功能，例如在沒有網絡服務器的情況下運行。Symphony Link使用的是一種八頻段基站，它工作在433MHz或915MHz的工業、科學和醫學（ISM）頻段上，歐洲地區還可以使用868MHz頻段。它可以將信號傳輸到至少10英里范圍內，并在借助云服務器處理消息路由、進行配置和網絡管理的情況下經由Wi-Fi、蜂窩網絡或以太網回傳數據。SigfoxSigfox出自同名的法國公司。它與LoRaWAN的主要區別之一是，Sigfox擁有從邊緣到服務器再到端點的所有技術，并且完全可以充當整個生態系統的供應商，或者在某些情況下直接作為網絡運營商出現。但是，該公司允許任何同意其條款的組織免費使用其端點技術，因而能夠與主流物聯網設備供應商乃至一部分無線運營商建立關系。與LoRaWAN一樣，Sigfox的市場份額持續上升，以歐洲最為明顯，因為它的傳輸長度符合歐盟準則。其供應美國的版本為了符合美國聯邦通信委員會（FCC）的規則，與歐洲版本存在明顯差異。Sigfox的唯一缺點是它的專有性。

Weightless

Weightless可謂是物聯網連接解決方案中的一個異類，它是由Weightless Special Interest Group（SIG）管理的真正開放式標準。該解決方案的名稱源自其「輕量級」的協議，通常每次僅需傳輸幾個字節的數據，非常契合某些種類的工業和醫療設備以及電表和水表等物聯網設備的需求，因為它們傳輸的數據量非常少。不同于許多其他標準，Weightless運行在低于1GHz的「電視空白頻段」中，這是無線電視廣播公司從模擬傳輸轉換為數字傳輸后騰空出來的頻段。由于這些頻率處在低于1GHz的頻譜中，因而具有覆蓋范圍廣、基站發射功率低的優勢，并且更容易穿透建筑物和其他容易阻擋射頻信號的結構。

目前Weightless共有兩個版本：

Weightless-N是一種超窄帶單向技術。

Weightless-P是該公司的旗艦雙向產品，可實現更高的性能和安全性，并具有超低功耗特性和其他多種功能。

NwaveNwave是一種基于軟件定義無線電（SDR）技術的超窄帶技術，可以在許可頻段和非許可頻段上運行。Nwave基站可在10km范圍內容納多達100萬個物聯網設備，同時以不高于100mW的射頻功率實現100bps的數據速率。該公司聲稱其由電池供電的設備可以運行長達10年的時間。在低于1GHz的頻帶中工作時，它可以利用該區域中理想的傳播特性。

Ingenu

Ingenu（曾經稱為On-Ramp Wireless）基于其多年研究開發了一種雙向解決方案，從而產生了一種專有的直接序列擴頻調制技術，稱為隨機相位多路訪問（RPMA）。RPMA旨在提供安全的廣域網占用空間，并在2.4GHz頻段內實現高容量運行。

在美國使用時，單個RPMA接入點的信號可覆蓋176平方英里的范圍，遠大與Sigfox或LoRa。它具有低開銷、低延遲特點和廣播功能，可以將命令同時發送到大量設備。其硬件、軟件和其他功能僅限于公司提供的功能，并且公司會建立自己的專用于機器對機器通信的公共和專用網絡。

總結

爭奪長距離物聯網通信頭把交椅的只有蜂窩通信行業和LPWAN提供商，因此我們很可能會想當然地以為在這個領域中，設計師的工作相比短距離通信領域要容易得多。然而事實并非如此，因為這兩種互相競爭的技術都存在五花八門的變體，其中的任何一種都具備功能優勢，但同時也會在設計中帶來巨大的挑戰。

對于最終用戶而言，要選擇「正確的」解決方案，通常取決于其所在地區可以使用的服務，以及連接每個設備所需的費用。但是，如果用戶所在區域內有多個正在運營的無線運營商和LPWAN提供商，顯然用戶會更加難以決策。對于一般的物聯網連接，要分出誰勝誰負，還需要好幾年的時間。