最新的物联网通信技术论文(2)
最新的物联网通信技术论文二：物联网领域最具发展前景的通信技术
摘 要：物联网时代的物物相连将会使百亿以上物体连入网络，这对传统的近距离无线接入和移动蜂窝网提出了更高的要求。而经过实践证明，LPWA是发展物联网的最佳选择。
关键词：LPWA;物联网;LoRaWAN
0 引 言
近些年，物联网的快速发展对传统的近距离无线接入和移动蜂窝网提出了更高的要求。目前用于物联网发展的通信技术正在全球范围内开发，低功耗广域网通信技术(Low Power Wide Area，LPWA)中最具发展前景的通信网络技术有超长距低功耗数据传输技术(Long Range，LoRa)、超窄带技术(Sigfox)、基于蜂窝的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)。
1 LPWA是发展物联网的最佳选择
根据市场研究公司Machina Research调研显示，2015年，全球物联网连接数量约为60亿个，按照这一速度，在2025年前，物联网连网设备数量将达到270亿个，以LPWA技术接入物联网的设备将占据11%的份额。
Ericsson Mobility报告显示，2018年前，物联网接入设备数量将超过手机数量，即在280亿个入网设备中将有160亿设备是物联网设备，2015年至2021年，物联网设备年均增速将达到23%。在物联网领域中，增速最快的将是蜂窝物联网(Cellular Internet of Things)，接入设备的数量将从2015年的4亿个达到2021年的15亿个。
入网物体的行业属性及对数据的要求成为物联网开发商选择不同连网解决方案的根据。例如连接汽车需要较高的数据传输速度以方便汽车与道路基础设施之间的交互，而对于安装在私人住宅里的电表则更适用低功耗、长半径、无需较高速数据传输能力的技术，因为一般电表每月的数据传输量均不会超过100 KB。目前在物联网领域中，LPWA低功耗广域网通信技术几乎是全球公认的用于“万物互联”的较好的技术方案。这一技术可以确保大范围覆盖能力、模块化和较低的功耗，为M2M通信提供了较大的可能。
2 LoRaWAN的技术特点
长距离广域网或远程广域网(Long Range Wide-Area Networks，LoRaWAN)是物联网领域最受关注的技术之一。该项技术具有低功耗、低成本和远距离传输特点，连接后可长时间运作，若为电池供电则可工作超过十年。网络铺设所使用的频谱资源无需许可。与传统移动网络不同的是，LoRaWAN属于混合网络，私人和公共网络均可使用。
由思科、IBM、Sagecom、SemTech等众多提供商公司成立的LoRa联盟正在对LoRaWAN进行研发和标准化工作。LoRa联盟的主要任务是在LoRaWAN标准基础上为物联网运营商提供硬件和软件连接的解决方案。
在LoRaWAN网络中，如果信号没有障碍，那么一个基站可覆盖100多公里;在有阻碍的情况下，根据地形和建筑密度，一个基站可覆盖2～15公里。因此若要使LoRaWAN网络覆盖整个荷兰，那么只需500个基站即可。设备间数据的交互速度可达到300比特秒至100千比特秒，这一速度足以满足获取来自公共资源的数据，包括气象等信息。
2015年6月，LoRa联盟发布了LoRaWAN 1.0，根据联盟数据显示，2016年第一季度LoRaWAN网络已经在13个国家启动并在60个国家进行了测试。欧洲运营商Orange公司认为，LoRa要优于所有竞争对手，并将在法国部署1.5万个基站对全法国进行覆盖。俄罗斯Everynet公司正在不断推动LoRaWAN的标准化，LoRaWAN标准的网络已于2016年5月在俄罗斯喀山Innopolis经济特区开始测试运行。特区政府代表指出，该项测试技术将在未来对整个城市内部进行自动化，包括住宅电表数据、停车位数据、城市照明和道路安全信息的收集。预计在2016年，LoRaWAN网络将覆盖整个俄罗斯，甚至扩大至欧亚经济联盟国家(白俄罗斯、哈萨克斯坦、亚美尼亚、吉尔吉斯)。网络提供商公司强调，这项技术的应用单是在照明领域就能节省30%的成本。SenLab罗斯公司在2016年1月宣布在莫斯科地区进行LoRaWAN网络测试，随着基站的铺设，该公司也在同时进行着对LoRaWAN网络中传感器本地化的工作，用以减低终端设备成本。
3 Sigfox的技术特点
Sigfox网络的开发者是一家法国的同名公司，该公司成立于2009年，使用的是超窄带技术(Ultra Narrow Band，UNB)。该技术可提供简单、可靠和兼具成本效益的设备通信网络，多用于少量信息数据的传输。Sigfox网络在欧洲使用868兆赫频段，在美国使用902兆赫，Sigfox覆盖面积非常广阔，可达到50公里，且功耗较低。
Sigfox网络用于智慧城市、智能楼宇、资产追踪、远程监控、控制和计量电能等领域，可为企业创造新的服务和商业模式，创造更多的收入。连接到Sigfox网络上的设备可以每周发送140条不超过12字节的信息，包括协议、设备功耗以及报警等。Sigfox网络与LoRa均为网络和电信运营商提供物联网服务以及为建设自己的LPWA网络提供了强大的生态系统。
2016年1月，Sigfox公司宣布在南极部署物联网，该公司将帮助比利时研究小组研究影响气候变化的进程。学者们获得了45个拥有长期自动工作模式电池的应用Sigfox网络的GPS追踪器，该跟踪器可以向基站发射探险队员的坐标位置。2016年7月，Sigfox公司在整个拉丁美洲启动Sigfox物联网，并宣布将与墨西哥物联网公司进行合作。计划在2016年年底，将Sigfox物联网信号覆盖墨西哥首都，并在尽量短的时间内在北美国家铺设Sigfox网络。截止2016年8月，全球共计有21个国家(法国、西班牙、葡萄牙、荷兰、卢森堡、爱尔兰以及拉丁美洲国家)铺设了Sigfox网络，接入Sigfox网络的设备数量超过700万个，Sigfox公司预计于2016年底前将铺设国家数量扩至30个。
4 依据现有移动技术开发的物联网技术
由于当前M2M设备对数据传输速度要求不高，因此现有移动网络用于物物相连的成本比较高昂。传感器和设备也因在移动网络和复杂的协议中能量过度消耗，导致M2M设备中电池的快速放电。现有蜂窝移动网络应用于物联网时还需要进行网络升级。目前，经过升级后应用于物联网的移动网络包括EC-GSM(又称EC-GPRS，EC-GSM-IoT)、eMTC(又称LTE-M，LTE Cat.M1)和NB-IoT。这些技术的共同缺点是运行时需要许可的频谱，数据传输自费对于对速度要求不高的设备来说相对昂贵，LTE标准下工作的设备价格较高。优点是可以使用现有移动运营商的基础设施，支持漫游、多媒体实时设备的数据传输速度快。
EC-GSM是一项基于GSM/GPRS/EDGE基础的技术，可使这一制式下大部分已安装的基站无需更换或升级硬件设备，其优势在于移动基础设施已就绪，大部分情况下只需要更新在网络节点上的软件。此外，GSM网络遍布全球，拥有最大的覆盖面。
eMTC是适用于LTE网络的物联网技术，其数据传入传出的速度可达到1兆秒。eMTC在价格、覆盖、自动运行期限以及与现有移动基础设施兼容性等指标更适用于大众物联网，eMTC网络可在现有LTE网络的基础上通过更新软件的方式进行建设。
NB-IoT窄带物联网技术与LTE网络拥有密切的协调性和兼容性。但支持这一技术需要建设新类型的接收器。NB-IoT可提供许重要支撑，包括支持超过10万个联接，设备电池寿命可长达10年，通过相互验证和增强的加密接口可提高安全性，为运营商的物联网应用提供稳定条件等。
总体而言，每种3GPP网络都具有明显的优势，即移动生态系统具有全球性，IT基础设施已经准备就绪，许可频谱的使用降低了设备本身的成本等。但目前只有NB-IoT实现了规划化，EC-GSM和eMTC仍然在等待标准化。
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