市场商机

物联网在中国已经发展了多年，无论是智能工业、车联网、智能家居、可穿戴设备等都面临全面爆发的趋势。物联网有三个关键要素：感知、互联、智能，物联网在感知和智能要素方面已有新的进展，而在另一关键要素互联上，却依然依赖适用于互联网和移动互联网的网络连接方式，如3G、4G、WIFI、蓝牙等，即使是面向物与物相联的Zigbee网络也还是不适应物联网对连接的需求，所以互联已成为制约物联网大规模普及的因素。以Lora为代表的低功耗、远距离网络技术的出现，有机会打破物联网在互联方面的瓶颈。 为什么原有连接方式不适合物联网?物联网在互联上的痛点有哪些?Lora技术是否能解决这些痛点?笔者进入物联网领域三年，参与过和听到过很多关于WIFI、蓝牙、Zigbee、蜂窝网络等作为物联网未来通讯协议的讨论，最终认为其实真正决定通讯协议的是用户。 组网的便捷性是用户最大的需求 在互联网时代，联网的设备主要是手机、平板、电脑等设备，人均设备数量较少，每人仅需对几个设备做配置即可。但是未来物联网设备连接的数量会远远大于互联网的联机设备数量，人均设备数量大大增加，每人可能需要对超过10个设备的连接进行配置，配置工作量大大增加。这时用户一定会选择最便捷配置的连接方式，当然设备若可自动组网、自行连接，无需用户配置是最好的。 从国内物联网的发展历程来看，其实是用户配置的便捷性帮助企业选择了网络连接方式。比如智能家居领域，目前智能单品最普及的通讯方式是WIFI协议(智能家居整体解决方案还是以有线协议为主)。为什么WIFI协议能够暂时领先于其他协议?究其原因主要有两个：一个是路由器普及率较高，用户无需再组网即可使用;另一个现在WIFI协议的配置相对简单。 杭州古北电子公司是智能家居领域最有代表性的企业，其品牌是Broadlink。这家企业利用一款智能插座树立起智能单品的品牌，在获得京东、360的投资后，借助互联网企业的影响力，与很多家电企业、互联网云公司、渠道、智能硬件伙伴建立了Broadlink DNA生态圈，成为智能家居领域最有潜力的公司之一。挖掘其成功的最根本原因，古北的创始人最早推行智能设备一键无线配置，其推出的智能插座、万能遥控器都是使用了这个一键无线配置方案。 值得一提的是，杭州古北电子的WIFI模块具有技术竞争力，但在国内WIFI模块技术优秀企业有好几家，为什么古北走在了前面?笔者认为设备使用的便捷性起了决定性的作用。当然WIFI 协议这种便捷配置，WIFI路由器的普及是关键。 所以说设备组网、配置的便捷性对物联网的普及影响巨大，从用户角度出发，能否实现便捷组网也是决定未来物联网通讯协议的关键。 设备能耗也是用户一大痛点 未来物联网的连接设备数量巨大，由于环境影响，很多设备是不方便通过有线连接的，也就是说没有有线电源供给，只能使用电池供电。但对于使用电池的设备，若频繁地更换电池会增加用户很多工作量。 正如前文所述，在智能家居领域，由于WIFI配置的便捷性，智能单品使用WIFI通讯协议的产品比例最大，不过WIFI通讯的高功耗也是无可置疑的。因此，目前很多做WIFI通讯方案的企业都想办法解决功耗的问题。 举例来说，深圳银河风云网络系统股份有限公司曾推出一款产品空调伴侣悟空i8，是京东众筹第5个超过千万的产品，并且是第一个单品价格不足100元但众筹过千万的产品。该产品使用的是银河风云自己的WIFi模块。而银河风云为了降低WIFI模块的功耗，在模块的设计上花了很大的精力：通过快速连接的功能实现功耗降低，即保证设备在1秒钟可以快速建立WIFI连接，银河风云产品之间通讯使用功耗非常低的通讯方式，当无数据传输时，WIFI模块处于休眠状态，但一旦需要连接网络时，即可快速通过WIFI模块建立连接，只要连接时间低于用户忍受范围，用户觉察不出这些差异，但却能帮助用户降低WIFI功耗。 银河风云为什么要花这么大精力，增加这么复杂的功能?其核心是功耗高是用户的一大痛点，而银河风云期望帮助用户降低功耗来解决这一痛点。 还有一个案例，汉威电子的远程抄表解决方案在行业内应用非常广泛，核心竞争力在与其远程抄表的功耗低。在无电源的环境下，其远程抄表产品使用电池可以使用一年以上。 其实汉威解决方案也是使用3G网络通讯，但一般企业使用3G网络，都解决不了一块电池使用一年的难题。为什么汉威电子可以实现?道理很简单，因为远程抄表无需实时连接，其数据传输频率非常低，而保持3G实时通讯会浪费很多能源。汉威的设计是每天抄表的时候建立连接，传输数据，之后就把通讯功能停掉，这样大大降低了功耗。 无论银河风云、还是汉威电子，他们的解决方案都是在不适合于物联网的网络环境下，花了很大精力解决了低功耗的问题。对于那些仅需小数据量传输、低功耗但长距离传输的联网设备，若有针对性的网络标准或协议，则企业就无需花太多精力解决功耗问题。 用户需求传导：组网方便且功耗低的网络将是物联网通讯最佳选择 目前，通信领域最为炙手可热的是4G网络的商用和5G的研发，在追求高宽带、大容量网络的同时，也有一些企业从用户需求传导中看到适用于物联网的网络标准和协议的需求，进行卓有成效的研发。在已成熟的专用于物联网的网络标准中，LoRa是一个典型的代表。笔者最近拜访了一家LoRa模块企业，从中学习了LoRa的一些特点，发现LoRa能够非常有效地解决了物联网设备组网便捷性和功耗的痛点，且能够实现远距离传输。 LoRa采用星型网络架构，与网状网络架构相比，它是具有最低延迟的最简单的网络结构。基于LoRa的扩频芯片，可以实现节点与集中器直接组网连接，构成星形;对于远距离的结点，可使用网关设备进行中继组网连接。LoRa网络供应商既可以搭建覆盖范围较广的广域网基础设施，也可以通过简单的网关设备搭建局域网，只要物联网设备中嵌入LoRa芯片或模块，即可快速实现组网和快速配置。广域网和局域网两种环境中均可实现便捷组网，在与以自组网见长的ZigBee协议比较，具有明显的优势。 低功耗无疑是LoRa网络技术的最大特点，LoRa使用扩频调制技术，可解调低于20 dB的噪声，这确保了高灵敏度和可靠的网络连接，而使用不同的扩频因子就可以改变扩频系统的传输速率，且可变的扩频因子提高了整个网络的系统容量，因为采用不同扩频因子的信号可以在一个信道中共存。与传统采用固定速率的FSK系统相比，LoRa协议的星形拓扑结构消除了同步开销和跳数，因而降低了功耗，一般来说95%的节点只占用10%的总能耗。 在实际应用中，采用LoRa协议的物联网设备无线通信距离超过15公里(郊区环境)，电池使用寿命可达10年以上，并且能够将数百万的无线传感器节点与LoRa技术网关连接起来，这一优势是传统网络通讯标准无法达到的。 目前，采用LoRa技术的物联网络已开始商用，将各类电池供电的设备连接起来。在用户需求的推动下，可以预测，类似LoRa的网络也将成为物联网领域的下一个风口，切实有效地解决物联网设备“互联”方面的痛点，进一步打破物联网发展的瓶颈。 Read more.

低功耗广域网技术发展如火如荼，Long Range(LoRa)以及由此而来的Long Range Wide Area Network(LoRaWAN)系统在其中占据重要地位，商用化程度较高。 本文从描述LoRa技术当前进展开始，阐述典型LoRaWAN系统的组成和作用，结合大量不同环境下的网络测试和应用案例，探讨运营商和企业联盟在推动低功耗广域网建设方面的特点。 同时，展示LoRaWAN技术的部分优势、当前现状和可预见的未来，最后分析当窄带物联网技术到来以后，LoRaWAN与之共存的可能和差异化市场服务的战略。 　一 技术特点 1、LoRa 2013年8月，美国升特公司(Semtech)向业界发布了一种新型的Sub-1GHz频段的扩频通信芯片，最高接收灵敏度可达-148dBm，主攻远距离低功耗的物联网无线通信市场。该技术主要工作在全球各地的ISM免费频段(即非授权频段)，包括主要的433、470、868、915MHz等。与其他传统的Sub-1GHz芯片相比，LoRa芯片最高接收灵敏度提高20~25dB，体现在应用上就是拥有5~8倍传输距离的提升。 LoRa技术本质上是扩频调制技术，同时结合了数字信号处理和前向纠错编码技术。此前，扩频调制技术具有长通信距离和高鲁棒特性，在军事和空间通信领域已经应用了几十年，而LoRa的意义在于首先利用扩频技术为工业产品和民用产品提供低成本的无线通信解决方案。前向纠错编码技术是给待传输数据序列中增加一些冗余信息，数据在传输进程中注入的错误码元在接收端就会被及时纠正。前向纠错编码技术可以减少数据包需要重发的需求，而且在解决由多径衰落引发的突发性误码中表现良好。一旦数据包分组建立起来，并注入前向纠错编码以保障可靠性，这些数据包就将被送到数字扩频调制器中。这一调制器将分组数据包中每一比特时间划分为众多码片，而LoRa调制码片的可配置范围为64~4 096码片/比特。通过使用高扩频因子，LoRa可将小容量数据通过大范围的无线电频谱传输出去。当用户通过频谱分析仪测量时，这些数据看上去像噪音，但区别在于噪音是不相关的，而数据具有相关性。基于这点，数据可以从噪音中提取出来。扩频因子越高，越多的数据可从噪音中提取出来，接收灵敏度就可以达到更高。因此LoRa芯片的接收灵敏度最高可达-148dBm，在20dBm的发射功率下，LoRa调制的链路预算可达168dB。 2、LoRaWAN 在传统的广域连接应用中，主要借助电信运营商提供的蜂窝网络进行连接，工业、能源、交通、物流等各行业广泛采用蜂窝网络实现互联。但仍有大量的设备应用是现有蜂窝网络技术无法满足的，比如水、电、气、热等计量表，市政管网、路灯、垃圾站点等公用设施，大面积畜牧养殖和农业灌溉，广泛布局且环境恶劣的气象、水文、矿井、山体数据采集，以及偏僻的户外作业等。这些类型终端若采用现有运营商蜂窝网络进行联网，可能遇到如下问题。 1)信号覆盖不足：很多设备布局在人口稀少或环境复杂的区域，运营商网络覆盖盲区或信号强度不足，难以保障数据的稳定传输。 2)功耗高：大量设备需要电池供电，若采用蜂窝网络则需频繁更换电池，这在很多恶劣环境下很难实现。 3)费效比低：设备单次传输数据量极小，而且传输频次很低。目前蜂窝网络为高带宽设计，采用蜂窝网络要占用网络和码号资源，还会产生包月流量费用。 基于以上原因，低功耗广域网技术(Low Power Wide Area Network，LPWAN)成为弥补物联网网络层短板的最佳选择。2015年3月，由Semtech牵头成立了LoRa Alliance(以下简称LoRa联盟)，联盟是一个开放的非盈利性组织，目的在于加速LoRa技术全球商用化，主要发起成员还包括美国IBM、Cisco、法国Actility、荷兰皇家电信、瑞士电信等知名企业。 联盟发布的LoRaWAN协议将LPWAN分成了三部分，包括节点应用、通信服务(模组和基站供应商)、云服务，数据传输过程中的通信层包括两级加密，数据通信更为安全。截止到2016年10月，联盟成员数量高达400多家，其中国家级的运营商有27家，新增运营商有法国Proximus、英国Orange、美国Comcast、日本软银、韩国SK电信、印度TATA电信等。同时，LoRa的产业链中还包括大量终端硬件厂商、模块网关厂商、软件厂商、系统集成商等，构成了完整的LoRa生态系统，大大促进LoRa技术的快速发展与生态繁盛。 二 系统架构 1、网络架构 目前，基于L oRa技术的网络层协议主要是LoRaWAN，也有少量的非LoRaWAN协议，但是通信系统网络都是星状网架构，以及在此基础上的简化和改进。主要包括以下3种。 1)点对点通信。 一点对一点通信，多见于早期的LoRa技术，A点发起，B点接收，可以回复也可以不回复确认，多组之间的频点建议分开，如图1所示。单纯利用LoRa调制灵敏度高的特性，目前主要针对特定应用和试验性质的项目。优点在于最简单，缺点在于不存在组网。 　　图1 点对点通信 2)星状网轮询。 一点对多点通信，N个从节点轮流与中心点通信，从节点上传，等待中心点收到后返回确认，然后下一个节点再开始上传，直到所有N个节点全部完成，一个循环周期结束，如图2所示。该结构本质上还属于点对点通信，但是加入了分时处理，N个从节点之间的频点可以分开，也可重复使用。优势在于单项目成本低，不足之处是仅适合从节点数量不大和网络实时性要求不高的应用。 　　图2 星状网轮询 3)星状网并发。 如图3所示，一点对多点通信，多个从节点可同时与中心点通信，从节点可随机上报数据，节点可以根据外界环境和信道阻塞自动采取跳频和速率自适应技术，逻辑上网关可以接收不同速率和不同频点的信号组合，物理上网关可以同时接收8路、16路、32路甚至更多路数据，减少了大量节点上行时冲突的概率。该系统具有极大的延拓性，可单独建网，可交叉组网，LoRa领域内目前主要指的是LoRaWAN技术。 　　图3 星状网并发 2、系统组成 点对点通信和星状网轮询的系统组成比较简单，两端都是节点，分为主从。在主节点收到从节点上行数据后会发下行确认帧给从节点，然后从节点进入休眠，工作模式比较简单。这里主要对LoRaWAN星状网并发结构进行展开说明，LoRaWAN系统主要分为三部分：节点/终端、网关/基站，以及服务器，如图4所示。 　　图4 LoRaWAN系统架构示意图 节点/终端(Node)：LoRa节点，代表了海量的各类传感应用，在LoRaWAN协议里被分为Class A、Class B和Class C三类不同的工作模式。Class A工作模式下节点主动上报，平时休眠，只有在固定的窗口期才能接收网关下行数据。Class A的优势是功耗极低，比非LoRaWAN的LoRa节点功耗更低，比如针对水表应用的10年以上工作寿命通常就是基于Class A实现的。ClassB模式是固定周期时间同步，在固定周期内可以随机确定窗口期接收网关下行数据，兼顾实时性和低功耗，特点是对时间同步要求很高。Class C模式是常发常收模式，节点不考虑功耗，随时可以接收网关下行数据，实时性最好，适合不考虑功耗或需要大量下行数据控制的应用，比如智能电表或智能路灯控制。 […] Read more.