LPWAN聯網方案技術分析

譚華 林克 吳飛

中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630

在物聯網領域，同時存在著各種各樣的通信技術。按傳輸距離的維度來劃分，在局域無線網絡范疇內，有廣泛應用于可穿戴、家庭、企業等場景的BLE、Wi-Fi、ZigBee、sub1G等；針對廣域無線網絡，有專門應用于低速率、低功耗、廣覆蓋物聯網業務的LoRa、NB-IoT、eMTC等。根據市場研究機構Gartner的最新數據顯示，到2025年，所有物聯網連接中的72%將使用Wi-Fi和ZigBee這樣的短距離傳輸技術[1]。而包含Sigfox、LoRa和NB-IoT等技術在內的低功耗廣域覆蓋網絡，在2025年將占據11%的物聯網連接[1-3]。

工業和信息化部要求三大運營商到2020年建設NB-IoT基站要達到150萬，總連接數超過6億。鷹潭成為NB-IoT領域產業圣地，電信運營商、設備商、部委、媒體和IDC企業蜂擁而至，寄予了很多的期望；芯片廠家海思、中興微電子、高通以及眾多模組廠商已經做好準備，三大運營商組織廠家的模塊與終端進行測試，也升級了各自NB-IoT物聯網平臺；華為發布過十二大全球示范應用：共享單車、白色家電、物流、奶牛監控、智能煙感、智能門鎖、寵物跟蹤、智慧路燈、智能停車、智能水表、智能氣表、智能電表。但總體來說，經歷2017年、2018年兩年，NB-IoT在商業模式沒有取得本質上的突破，模組的成本仍舊相對來說還是很高，都在期待政府政策補貼的項目和電信運營商終端補貼，客戶一次性大規模的投入太大，買單和支付意愿還比較低。

1 Lora與NB-IoT規模發展存在的問題

2017年國內運營商NB-IoT連接激活數約100萬，LoRa連接數約266萬（主要是采用小流量抄表業務）；2018年華為目標NB-IoT芯片能突破1000萬，而LoRa預計國內芯片至少654萬以上。在智能農業、智能物流、智慧城市和智慧樓宇等方面都有應用。

NB-IoT在經歷了兩年的蓄力期后，在芯片、網絡建設、通信模組、行業應用等全產業均得到了長足的發展，還是沒有大規模級應用進入商用階段。芯片廠家與運營商還是需要時間來解決技術與網絡覆蓋等問題解決。LoRa作為另一款成熟的低功耗廣域物聯網技術，在當前仍有1-2年的時間窗口滿足當前的市場需求。LoRa產業落地方面沒在龍頭企業，阿里等一些互聯網公司都在圍繞平臺在布局，而做行業方案的公司一般都只盯著井蓋、停車、煙感等通用場景或者基于私有協議做無線抄表。

1.1 LoRa和NB-IoT的對比

在頻譜組網方面，LoRa和NB-IoT選擇了不同的頻段。NB-IoT使用了授權頻段，中國電信把NB-IoT部署在800MHz頻段上，而中國聯通會選擇900MHz，中國移動則可能會重耕現有900MHz頻段。而LoRa主要在全球免費頻段運行，包括433MHz、868MHz、915MHz。“由于LoRa是工作在免授權頻段的，無須申請即可進行網絡建設，網絡架構方便簡單運營成本也低[4]”。

在硬件成本方面，LoRaWAN模塊的總體成本在3美元左右，約為NB-IoT等蜂窩LTE模塊價格的一半。而NB-IoT網絡的復雜性越高，知識產權相關方面費用更高，相對而言LoRa的成本更低[5]。

在部署方式方面，LoRa需要單獨設立網關，而NB-IoT直接連接LTE網絡基站，依賴于運營商的基礎設施。對于LoRa來說，自行組網增加了建設的靈活度，但是會比NB-IoT增加網關硬件，如果未來網關數量巨大，硬件管理會有困難。

在底層硬件產權方面，LoRa技術只是Semtch公司的專利，而NB-IoT由于參與制定者眾多，因此芯片供應商中少不了英特爾、高通、華為、中興微、Nordic、美滿、MTK、RDA等公司。

1.2 Lora規模發展存在主要問題

LoRa技術由Semtech公司推出，定位低速率應用，LoRa技術具有遠距離、低功耗、互操作性、低成本、安全、大容量和可定位的優勢。從目前的應用趨勢來看，LoRaWAN被部署在全球超過60個國家和地區，成立于2015年的LoRa聯盟擁有超過500家成員[6]。

在應用方面，LoRa技術在頻頻發力，ofo正在將LoRa器件和無線射頻技術（LoRa技術）使用在其單車中，以補充其授權頻譜連接選項來實現完整的網絡連接。研華科技也采用集成LoRa技術的Wzzard LRPv節點和SmartSwarm 243網關來擴展無線產品線。云服務供應商奈伯思（Netvox）在不到6個月之內就成功地將LoRa技術引入到其受歡迎的8種智能樓宇傳感器中[6]。

非授權頻譜組網。LoRa在非授權頻譜上工作，NB-IOT使用授權頻段，電信運營商在防護頻段、4G LTE頻譜或者獨立網絡中部署NB-IOT。去年底無線電管理局發布《微功率短距離無線電發射設備技術要求》的技術爭議，引發對LoRa在國內的前景擔憂，受限的使用環境和未來不確定的政策風險影響了市場的信心。目前LoRa聯盟已將CH470規定為中國地區使用的LoRaWAN標準頻段。從實際項目來看，目前大家沒有太關注頻段的問題，先發展業務是核心。政府如果有一個明確指導性文件出來，無疑對整個非授權LPWA市場都是利好的。

芯片自主可控。LoRa芯片核心IP只屬于美國公司Semtech一家所有，在貿易戰的背景下，芯片自主可控是現在及未來的主基調。目前Semtech在全球給很多廠家提供硬IP授權，但不提供軟IP授權。軟IP授權，相當于把源代碼授權給合作伙伴。

1.3 NB-IoT規模發展存在的主要問題

(1)技術方面。最初的芯片不支持MQTT達不到所宣稱的低功耗等問題，阻礙了行業客戶的應用落地。目前大規模商用的穩定性也需要實際生產環境中進一步驗證。

(2)網絡覆蓋。網絡有優化存在巨大工作量，NB-IoT網絡需要像現在4G網絡一樣的做全面深度的覆蓋。目前三大運營商基本都是在主要城市的城區覆蓋階段，何時能夠實現深度或者區縣級、村級覆蓋？這個事情需要時間與資金，以及可持續運營的環境。

(3)成本問題。行業上下游還未進入大規模量產階段，芯片模塊的成本相對較高，只有規模量產成本才下來，企業才會規模采購。現有2G模塊成本是15～20元，NB-IoT約30元。最近聯通物聯網公司剛剛招標的300萬模塊，最低中標價格已經降到23元/套。

2 LPWAN與藍牙等局域網的競合關系

2.1 LPWAN對藍牙等局域網組網的替代關系

目前，隨著NB-IoT、LoRa等新型LPWAN技術的逐漸成熟，對藍牙、Zigbee等傳統局域組網的物聯網技術已產生了較為顯著的替代式影響。主要表現為LPWAN對現有局域網組網基本技術需求的同質化滿足，以及LPWAN帶來的更多優質高效的服務能力與體驗。據研究機構ABI Research的最新市場研究報告預測，在公用事業、工業制造、能源管理和智慧農業等垂直領域，LPWAN正全面威脅著傳統的無線局域組網方案[7]。

首先，從海量物聯網的基本應用場景需求來看，可以一般性地歸納為以下諸方面的技術要求，中低傳輸速率、聯網與組網簡易性、網絡穩定性、低功耗特性、低成本特點、產業鏈成熟度等。對于目前較常見的應用了WiFi、藍牙、Zigbee等技術的智能家居、智能安防、智能傳感等物聯網場景，大部分均具有對網絡速率要求不高、時延要求不嚴格、傳輸數據量較小，但對低功耗有較高要求的特點，LPWAN正是能夠實現對該類中低速的海量物聯網場景，提供了低速如NB-IoT、中速如eMTC等類型的低功耗替代技術。在網絡部署與運行方面，LPWAN由運營商第三方運營機構提供網絡建設及長期穩定的運維服務，使用者即開通即用，能確保更優的聯網簡易性與網絡穩定性。更為重要的是，作為一項新興技術，LPWAN產業鏈在目前已成長至相當成熟階段，無論是從芯片模組到網絡平臺再到產品應用，每一產業環節都呈現出較為充分的行業競爭。比如已有數十家NB-IoT芯片提供商、已達近百家數百款型的NB-IoT模組，因此，無論是低成本特點或是產業鏈成熟度，在很多場景需求下均也達到了對現有局域組網技術的替代的基本要求。綜上，LPWAN對現有局域網組網基本技術需求已可實現同質化替代。

此外，新興的LPWAN技術還比傳統局域網技術具有更多優質高效的服務能力與用戶體驗。事實上， LPWAN生來即是為滿足海量物聯網連接的。而目前應用廣泛的WiFi、藍牙則是為計算機和消費電子場景而提出。無論是在聯網組網的簡易性方面、在網絡覆蓋廣度深度方面、在滿足海量物聯網終端設備接入的能力方面，或是在低功耗的技術特性設計方面均具備更加顯著突出的優勢。目前，海爾、海信等家電制造企業正在投入對白色家電進行NB-IoT技術化改造的研發中，以期通過更加穩定可靠先進易用的LPWAN技術，來解決現有智能家電（WiFi聯網）聯網在線率偏低的窘境難題。

2.2 LPWAN與局域網的互補關系

LPWAN對局域網的替代更多是體現在主要核心的技術特點，但從紛繁多樣的物聯網應用場景來看，兩者更具有互補的關系。

客觀來講，廣域的LPWAN雖整體優勢顯著，但傳統的局域組網技術畢竟具備更為成熟的應用普適性與終端硬件成本，并且也在不斷適應物聯網新需求進行技術優化升級。以WiFi、藍牙為例，其在人與物互聯場景、家庭局域環境、手機適配互聯場景等方面具有更優特性。對于物聯網這樣一個多樣化多形態的規模化應用市場，每一種技術均具有合理性，都能在某一類特定的應用場景需求下發揮最大的價值。這些個性突出的不同技術，也讓研發設計者可以更隨心所欲地從終端客戶需求出發，在網絡特性、產品成本、電池壽命、業務方式、覆蓋距離之間找尋技術方案的平衡點和最優方案。

一方面，LPWAN在聯網簡易性、廣域覆蓋性、海量接入性、小數據傳輸性、長期運維穩定性等方面具備局域組網技術所欠缺的突出特點。比如，對于公共服務類的水、氣等智能抄表，其傳輸數據小頻度低、城市級廣泛覆蓋，相當適合使用NB-IoT技術進行廣域的連接；對于使用藍牙通信的智能可穿戴產品，其傳輸路徑往往需要經手機再連接上網絡和平臺來實現。而eMTC技術的商用，將以一跳式即開通即用的聯網方式將帶來更優的用戶體驗。

另一方面，局域網絡技術解決方案也在不斷提升競爭優勢，在Mesh組網、越低成本芯片、普適通用性、與手機等互聯的天然支持性、應用場景成熟度、具備更高傳輸速率等方面，體現新興的LPWAN所不具備的優勢[8]。目前來看像小米、阿里、華為智能家居生態體系中，WiFi、藍牙、Zigbee仍是主力軍占據了90%以上的應用場景。比如使用WiFi的家庭可視監控攝像頭、AI智能音箱、使用藍牙的智能電子秤、使用Zigbee的家居安防告警類產品，等等。可見，局域網技術在物聯網場景下的應用仍舊是豐富多彩且正當主流。

綜上，LPWAN與局域組網技術，一個是新生變革，一個是成熟主流，各具特色各有千秋，在當前物聯網規模化爆發前夕，兩者的互補效應將遠比替代效應更為顯著。

3 BLE、ZigBee與NB-IoT、LoRa混搭融合組網方案

3.1 混搭模塊方案

把BLE、WIFI、Zigbee等局域技術與NBIoT、LoRa等廣域技術在芯片或模塊層面混搭。

初創公司Pycom是一家多模物聯網通訊開發板和模塊制造商。創客們能夠借助于Pycom的新型硬件，運用多種技術快速設計并連接設備，包括近距離通信技術Wi-Fi和BLE;LPWAN通信技術LoRa、Sigfox、NB-IoT和Cat M1等。

Telit推出了LoRaWAN協議與BLE的組合模塊，新模塊完全符合最新的LoRaWAN標準，是公共或專用網絡、智能表計、遙感、工業自動化監測與控制、無線報警與安全系統、農業、資產追蹤、街道照明和智慧城市應用的理想解決方案[9]。

尋息電子也推出了藍牙+LPWAN位置服務系統，通過iBeacon實現近場各類感知數據的采集，通過LoRaWAN將傳感器采集數據進行回傳。

針對定位服務，以前的方案往往使用GPRS+GPS，而LoRa+BLE雙模SiP一體化組合芯片，使得BLE短程技術與低功耗的LoRa混搭，提供遠距離的數據連續性，兩項技術均為低功耗，無須頻繁更換電池。

LoRa+BLE雙模SiP應用在煙霧傳感器中，將其作為室內錨點，LoRa負責遠程設備管理通訊，BLE負責定位導航，長短距離通訊。

3.2 融合網關方案

我們提出融合網關的技術方案，通過低功耗廣域網絡和局域網絡之間的互補實踐帶來更好的物聯網連接方案。藍牙與NB-IOT融合網關的技術方案，可以將藍牙與NB-IoT網絡的優勢融合發揮出來。藍牙5.0中通信距離提升4倍通信速率2倍廣播包的數據承載量提升8倍。

藍牙BLE將小型無線設備連接到任何需要的物理位置，創建一個集成的短距離網絡，無須更換電池即可長時間工作，并可通過智能手機或平板電腦隨時隨地進行控制。藍牙允許無須配對接受信標實現連接傳輸，將可能實現紐扣電池供電工作一年以上，藍牙5.0使IoT和智能家居設備在更廣的范圍內來進行彼此溝通。

NB-IoT技術相較于WIFI無線連接技術具有明顯覆蓋優勢，可以解決空調、冰箱、熱水器等所處的邊角地帶信號不良的問題，甚至是地下室等WIFI盲區，基本保證相關環境無覆蓋盲區。融合網關可以連接傳統的藍牙智能終端，通過運營商網絡直連到云平臺，開機激活一次即可自動完成配置連接。在連接手機等移動終端時，通過手機掃秒空調上的二維碼，一步即可完成綁定，實現遠程操控。

以智能家電產品為例進行分析。空調通過藍牙與網關連接，網關通過NB-IoT與互聯網平臺進行連接，利用藍牙解決在傳統空調應用中配置的難點，同時又克服了WIFI等短距離技術需要用戶自己進行配置，匹配過程十分煩瑣要經歷手機APP下載、賬號注冊登錄，以及設備匹配等諸多步驟的不足[10]。

4 結語

基于NB-IoT網絡，中國電信在智能水表、智能氣表、電表方面進行了試點與推廣，如全球第一個NBIOT水表的案例“深圳水務智能項目”，就是廣州研究院支撐完成，當前在移動支付、實時定位、新零售、工業4.0、智慧物流、智慧城市、智能家居等領域均有相關產品的研發，具體的產品包括有智能抄表、消防探測、智能消防栓、智能門鎖與門禁、智能空調、智能凈水器、智能洗衣機、智慧路燈、共享單車、智能停車場、定位跟蹤、車聯網等，充分發揮了NB-IoT網絡低功耗、大連接、低成本特點，部分應用進入到規模化推廣。

下一步，如采用混搭模塊或融合網關方案，在推廣普及智能終端業務中有獨到的優勢。部分模塊廠家（含NB-IoT和LoRa）和平臺廠家也開始做端到端的方案，物聯網方案的初創公司也特別多，建議物聯網應用方向的選取上，重點要考慮以下三點。

(1)聚焦垂直行業。各個行業需求都不一樣，結合自身的資源優勢，選擇潛力足夠大、規模足夠大的行業切入。

(2)提供場景化方案。理解客戶的應用場景，挖掘客戶需求痛點，專注于對客戶有絕對價值、客戶有強烈意愿買單的方案，解決實際問題；

(3)提供從芯片、模組、傳感器、通信基站到云端平臺，一體化、端到端的一站式物聯網服務，方案標準化、平臺化，不斷迭代提升。