2.3 低功耗广域网络技术

2.3.1 基本概念

低功耗广域网络（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）是面向物联网中远距离和低功耗的通信需求开发的一种物联网网络层技术，其技术特点包括：传输距离远，节点功耗低；网络结构简单，运行维护成本低；可连接用户数多。

物联网通过通信技术连接了人与物、物与物。短距离通信技术一般应用在智能家居、工业数据采集等场景，而范围广、距离远的连接则需要用到远距离通信技术。2G、3G、4G等蜂窝移动网络覆盖距离广，设计之初主要用于人与人之间通信。基于蜂窝移动通信技术的物联网设备有着功耗过大、设备成本过高的短板，承载能力不足以支撑物与物的连接，低功耗广域网络技术的出现，填补了现有通信技术的空白，为物联网的更大规模发展奠定了基础。

低功耗广域网络是发展最快的物联网通信技术，可分为两类，一类是工作于未授权频谱的LoRa、Sigfox等技术；另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的2G、3G、4G蜂窝通信技术，如eMTC（enhanced Machine-Type Communication）、EC-GSM（Extended Coverage-GSM）、NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）等。

1.LoRa

1）LoRa定义

LoRa是目前应用广泛的LPWAN技术之一，这一协议源于SemTech公司。

LoRa无线技术可进行1～20千米的长距离传输，具有万级以上的节点数、3～10年电池寿命、0.3～50kbps的数据传输速率等特性。LoRa在Sub-GHz的频段更易以较低功耗实现远距离通信，供电方式可以采用电池供电或其他能量收集的方式。较低的数据速率在增加了网络容量的同时也延长了电池寿命，同时LoRa信号对建筑的穿透力也非常强。LoRa的这些技术特性更适合于低成本、大规模的物联网部署。

目前，LoRa主要有数据透传和LoRaWAN协议两种应用情况。数据透传技术仍以LoRa技术为主，网关技术和开发的门槛较高，LoRaWAN协议组网应用的部署还较少。

从LoRa网络应用方面看，主要分为大网（广域网）和小网（局域网）。大网就是大面积基础性的网络部署；小网是指使用者自己建设的网络系统，包含节点、网关及服务器。国内运营商基本选择了NB-IoT的解决路线，但是非运营商对于LoRa网络的兴趣较大，如阿里集团于2018年开始致力于LoRa技术，腾讯等公司也参与其中。目前深圳等地已实现LoRa广域网的覆盖，并基于该网络进行停车收费等业务的应用。

LoRa技术的产业链比Sigfox、NB-IoT等无线技术的产业链要成熟，商业化应用也较早。法国电信运营商Bouygues宣布将建设一张新的LoRa网络，Microchip公司宣布推出支持LoRa的通信模组，Semtech公司也相继与ST（STMicroelectronics）、Microchip半导体公司合作提供芯片级解决方案，为客户推荐LoRa产品，并帮助客户实现LoRa无线技术在物联网的应用。2016年年初LoRa联盟成立，是LPWAN领域的第一个产业联盟，旨在通过生态系统的建立推动LoRa的普及。

2）LoRa的应用场景

LoRa最突出的特点是长距离传输，突破了以前需要中继才能解决的覆盖场景的限制，同时要求设备功耗很低，需要电池供电。其应用场景如下。

（1）无线抄表，如电表、水表、气表、热表等。

（2）缓慢变化物理量（温度、水压、PM_2.5、地磁感应器）超低功耗传感器。

（3）无线报警器（烟雾探测器、热释红外）。

（4）远程I/O控制器（灯光控制、空调控制）。

（5）无线转换器。

2.NB-IoT

窄带物联网（NB-IoT）是一种基于标准的低功率广域技术，旨在为大规模分散式设备提供高效率通信和长电池寿命，覆盖辽阔的郊区，甚至深入城市的基础设施当中，为各种新的物联网设备和服务提供网络支持。

1）技术优势

NB-IoT技术具有超低功耗、深度覆盖、强连接、低成本、安全、稳定、可靠等优势。NB-IoT一般应用在小数据量、低速率传输场景，大大提高了续航时间，能从过去的几个月提升至几年，甚至是十年以上；NB-IoT的覆盖能力超强，比GSM覆盖高20dB增益，相当于提升了100倍区域覆盖能力，室内、地下室等物联网应用场景特别适合应用该技术；NB-IoT穿墙能力较Cat.4 LTE（3GPP版本协议）提升了20dB增益，在同一基站中，NB-IoT可以提供的接入数是现有无线技术的50～100倍；NB-IoT可直接部署在现有的GSM网络、UMTS网络或LTE网络上，构建蜂窝网络，实现平滑升级，降低建设成本；NB-IoT安全可靠，可实现双向鉴权、空口严格加密，确保数据传输的安全性，且能提供电信级别的可靠接入，为IoT应用和智慧城市解决方案提供有效支撑。

2）产业发展现状

由于NB-IoT技术与LTE技术的关联性，在网络的部署效率、成本和演进方面具备天然的优势，因而得到广大电信运营商的青睐，成为各运营商物联网部署的首选。

根据相关统计，截至2018年年底，NB-IoT商用网络将达到数十个，并且集中在欧洲和亚洲的大部分运营商。目前国内的三大运营商在积极部署NB-IoT的同时，也在力推eMTC，不过从商用角度来看，在国内NB-IoT的布局速度显然会更快。

中国联通采用900MHz和1800MHz频段来部署NB-IoT，其中农村将以900MHz为主。目前中国联通、中国电信和中国移动均已完成NB-IoT在全国的网络部署，提供了对于智能抄表、智能路灯、智能停车等应用的支持。

3.eMTC

增强型机器类型通信（eMTC），也叫作LTE-M、LTE-机器到机器（LTE-Machine-to-Machine），也就是说，机器之间可以采用LTE通信。

eMTC和NB-IoT都是3GPP标准下的技术，eMTC与NB-IoT同样使用授权频谱，覆盖增强15dB，支持高速移动可靠性和拥塞控制，支持独立定位。

eMTC相比NB-IoT有5个优势：速率高（上下行最大1Mbps峰值速率）、连接态移动性（无缝切换）、可定位（更适用于物流跟踪等场景）、支持语音、支持LTE网络复用。在覆盖和成本方面，eMTC是不如NB-IoT的。因此，在具体的应用方向上，如果对语音、移动性、速率等有较高要求，则选择eMTC技术，相反，如果对这些方面要求不高，而对成本、覆盖等方面有更高要求，则可选择NB-IoT，如智能物流、楼宇安防、可穿戴通话等设备适合采用eMTC技术。

4.Sigfox

Sigfox技术由法国的Sigfox公司提供，是使用超窄带（Ultra Narrow Band，UNB）技术搭建的物联网设备的专用无线网络。Sigfox公司致力于成为全球物联网运营商，以自建、与运营商合作等方式搭建网络，为客户提供物物相连的网络、API接口、云计算及Web服务，客户可享受每年每台设备约1美元的套餐价格，但Sigfox相对封闭，生态系统构建相对迟缓。Sigfox免费向芯片制造商提供技术，目的是鼓励各芯片制造商开发集成Sigfox技术相关的产品，Intel、Texas Instruments、Silicon Labs、Atmel等公司都开发生产出了支持Sigfox技术的芯片产品。目前，Sigfox物联网络已在法国、西班牙实现了全覆盖，在美国、荷兰和英国也已实现了部分城市覆盖。

2.3.2 技术发展及应用发展趋势

1.技术发展

LPWAN是近年来发展起来的一个新兴产业，弥补了传统蜂窝技术的不足，解决了物联网网络广覆盖和大规模的连接问题，加速推动了物联网的应用及规模部署。随着万物互联和网络基础建设的发展，LPWAN在未来有着巨大的发展潜力。

LPWAN产业链大致可分为以下几部分（见图2-3）。

1）芯片

从LPWA技术硬件芯片的角度看，LPWA技术芯片主要有前端射频芯片和网关芯片两部分。

目前主要使用LPWA技术的前端射频芯片情况如表2-1所示。

LPWA技术的网关芯片：在LPWA技术中网关或基站部分，LoRaWAN提供了网关的参考设计，其他LPWA技术网关由相关的少数通信公司开发或独家开发。

2）无线模块

受限于较高的技术门槛，一些企业会首先选择采购成熟的模块、产品或方案，无线模块的规模化生产则有助于降低成本。

为避免产品功能同质化带来的价格竞争现象，一些企业会更注重无线模块功能的差异化设计来提升价值，如在无线模块中融入GPS、BLE等功能。一些做LoRa的企业创新设计，通过系统级封装（System in a Package，SiP）集成了LoRa、单片机等芯片和电路，不仅缩减了产品的尺寸，还简化了产品设计工艺。

基于SDR（Software Defined Radio）技术的NB-IoT无线模块被相继推出，SDR的优势是基于已有的硬件环境升级软件就可以实现产品的快速迭代升级，在提升效能的同时也降低了成本。

3）终端

LPWAN是近几年发展起来的新兴产业，需要LPWAN承载更多的终端来推动规模化应用效应的形成，也需要产品、企业、行业间合作，形成生态系统，加速推动LPWAN应用的落地。企业也因LPWAN终端的发展产生了新的市场发展机会。

4）网关或基站

LoRaWAN一般称为网关或集中器，NB-IoT一般称为基站。网关和基站具备无线接入能力，可接入、管理大量设备，均属于无线连接入网的设备。通过网关或基站接入互联网设备，大大提升了终端设备的接入数量，也便于设备规模化管理。

NB-IoT基站一般由具有资质的企业和运营商进行设计与部署，而LoRaWAN网关相对灵活，可由企业自主设计与部署。LoRaWAN和NB-IoT都需要根据规模进行网络部署，规模较大的城域网或全国性网络相较于小规模的局域网，需要投入更多的基础设施建设资金。运营商拥有雄厚的资本和丰富的资源支撑大型网络，完成基站的运营和管理维护，而LoRaWAN所需要的运营管理投入相对较少，是企业可以选择的。

部分LPWA技术在网关中还采用了软件定义无线电（SDR）技术，如Sigfox、Weightless等。

5）解决方案商

解决方案商通常为客户的目标提供一个详细的方案，LPWAN解决方案商主要提供端到端的连接解决方案，一般运营商主导的解决方案商主要提供NB-IoT、eMTC解决方案，企业主导的解决方案商大多提供其他LPWA技术。

LoRaWAN解决方案可依据LoRa联盟的协议和Semtech公司的参考设计进行开发优化，是比较开放的。一些企业在实际项目中，直接在本地网络上开启了网络服务器（Network Server）功能，或者直接在网关上操作，进行数据解析与读取。这样的方式一般适用于园区管理等小范围的项目，有助于LoRaWAN的应用落地，但不利于LoRaWAN规模化部署。

Sigfox的解决方案相对封闭，自主运营物联网络，但由于开放了终端，因此方便了企业产品接入网络。

6）网络服务商

物联网的一个重要应用是数据采集。LPWA技术具有低功耗、规模化网络接入的能力，秉承轻硬件重后台管理的设计理念，数据的接收与传输通过网关或基站进行，借助云端的计算资源，一些数据的处理和设备的管理由网络服务器负责，并提供相应的接口供应用服务器使用。

运营商负责NB-IoT网络的运营与管理维护工作，并提供数据的接口给用户使用。一些企业负责LoRaWAN的运营管理与维护工作，考虑到服务器内数据安全问题，采取了本地化数据读取的方式，减少了数据被利用或项目创意被复制的风险，这种做法给网络规模化部署带来了局限性，仅适用于小范围内的项目。数据的存取与管理，实质上是一个可信的问题，需要在人、企业、物之间建立一种相互的可信关系。

Sigfox网络服务由Sigfox公司自主管理运维。

7）应用服务商

网络服务器通过LPWA通信技术接收传感终端传输的数据，应用服务器是用户使用物联网服务的入口或操作界面，应用服务则是对数据进行分析处理、可视化管理，并为决策和行动所提供的有效的数据支撑。

随着互联网和移动互联网的发展，应用服务软件发展日趋成熟，同时以多种形态展现出来，如H5、App、小程序等。然而，由于应用服务软件需求多样，定制开发程度高，成本高，因此可以通过网络平台集约化来减少用户使用的成本。

8）LPWAN运营商

LPWAN运营商是指对LPWAN运营、管理及维护的服务商。中国LPWAN运营商主要是对NB-IoT运营、管理及维护的服务商，包括中国移动、中国电信和中国联通。对比其他LPWAN技术，中国LPWAN运营商拥有超大规模的基础设施建设、网络覆盖及用户数量。

未来，越来越多的电子产品将接入互联网，互联网和物联网运行的网络协议不同，是两张各不相同的“网”。众所周知，互联网常用的网络协议中最重要的一个协议就是IP协议，包括IPv4和IPv6，而物联网是非IP协议。大部分物联网中“物”使用单片机，其资源受限无法运行IP协议，需要将“物”组网后再接入互联网。通常，物联网与互联网的相连是通过网关或基站进行IP协议转换实现的。物联网碎片化的重要原因是没有实现通信标准化和规模化，LPWAN技术的出现给物联网规模化组网提供了技术支撑，这也使得物联网具备了可运营的基础和条件。

9）频谱

国内未经授权的LPWAN技术大多采用470～510MHz频段，该频段是民用无线电计量仪表使用的频段。2017年工业和信息化部在《微功率短距离无线电发射设备技术要求（征求意见稿）》中针对470～510MHz频段提出“限单频点使用，不能用于组网应用”的规定，给使用免申请许可频段的LPWAN运营增添了不确定因素，这个问题在2018年的《〈微功率短距离无线电发射设备目录和技术要求〉公告（征求意见稿）》中实现了完善和修改，但未经授权频段的LPWAN的组织问题和管理问题仍需认真解决。

2.应用发展趋势

低功耗广域网络虽然有数十年发展历史，但进入人们视野不过3年左右时间，而这3年中产业经历了很多起伏，从百家争鸣到剩余少数几家主流技术的态势。不论是基于授权频谱的NB-IoT和eMTC，还是基于非授权频谱的LoRa和Sigfox，它们最终成为主流技术的主要力量，形成了全球庞大的生态体系，除此之外，低功耗广域网络的市场还会呈现一些新的特点。

1）LPWAN连接数大幅提高

从目前数据来看，全球蜂窝物联网连接数主要来自传统的2G、3G、4G蜂窝网络，未来7年，传统蜂窝网络依然会承载大量物联网连接，但NB-IoT和eMTC会逐渐超过2G、3G、4G蜂窝网络，成为主流连接方式。全球移动通信系统协会（Groupe Speciale Mobile Association，GSMA）在2018年发布的全球蜂窝物联网连接数预测数据如图2-4所示。

从GSMA的预测数据中可以看出，到2018年年底，通过2G、3G、4G蜂窝网络连接的物联网终端数量为6.94亿个，通过NB-IoT和eMTC这些基于授权频谱LPWAN技术连接的终端数为6600万个，后者占比只有9%；到2025年，预计2G、3G、4G物联网连接数会增加到13亿个，而NB-IoT和eMTC连接数则增加到18亿个。

由于传统蜂窝网络仍然承载着大量物联网连接，不少需要高带宽的应用需要3G和4G网络连接。另外，目前2G网络产业链十分成熟、成本极低，使得2G、3G、4G蜂窝网络未来数年依然是蜂窝物联网连接的主要承载设施之一，不过其增速比较缓慢，2018—2025年的年复合增长率仅为9.38%，而NB-IoT和eMTC则会随着产业链的成熟，增长速度加快，在接下来的几年中会实现每年超过60%的增速，使得其占蜂窝物联网连接数的比例从2018年的9%快速增长到2025年的58%，成为蜂窝物联网连接的最主要载体。

由于LoRa在建网方面具有灵活性，在全球范围内的产业生态已经逐渐成熟。未来将会有更多的企业加入LoRa阵营，特别是对想成为物联网时代新型运营商的公司而言，将会有更大的参与积极性。

2）多样化的运营模式

从目前情形看，提供低功耗广域网络连接服务的厂商已不再是传统电信运营商的“特权”，不同的业务范围和网络规模都有多个新的网络“运营商”参与，形成了多元化的格局。基于低功耗网络的特点，电信运营商一家独大的局面正在发生改变，多样化的需求使得市场上出现了一些不同结构，大致可以划分为运营商级和行业级/企业级两大阵营。

（1）运营商级阵营。

基于全球范围内的网络覆盖能力，运营商级阵营能够快速部署全球性质的低功耗广域网。目前，NB-IoT和eMTC已经成为全球主流运营商蜂窝物联网业务核心基础设施的主要选择。在低功耗广域网络出现之前，拥有跨国网络的运营商就已经在为全球客户提供全球化的M2M物联网服务。在授权频谱低功耗广域网络标准研发中，运营商、通信设备商都是积极的支持者、参与者。

与移动互联网时代不同，更多的企业可以参与到低功耗广域网的建设、应用中，而有些产业也不再会出现垄断的局面，如芯片产业，华为海思、高通、MTK、中兴微电子、展讯锐迪科等国内外公司都在积极地研发、量产。

物联网产业链的价值更多的是集中在平台层和应用层，因此在难以撼动运营商、通信设备企业的市场份额时，提供垂直领域的解决方案不失为一种好的切入点，当然，凭借自身的优势，运营商、通信设备企业也在该领域耕耘。技术进步和用户需求上涨在增加了市场容量的同时，也增加了参与者之间的竞争，各领域的佼佼者正在向产业横向、纵向渗透。

（2）行业级/企业级阵营。

与电信运营商主导的LPWAN不同，非授权频谱LPWAN更多要靠市场的选择来获得生存的机遇，全球有十几种类似的技术，但是真正能够取得成功的也只会是几种，而原因可以归纳为对天时、地利、人和的利用，如时间窗口的把握、地区性的应用拓展、产业生态的打造等。可以预见，当遭遇资金短缺、市场拓展等问题时，大部分非授权频谱LPWAN技术将出现难以生存的局面。对于诸如模组类的硬件企业来说，毛利率普遍较低，资金雄厚的企业可以收购小公司，形成规模化的竞争力。

LoRa的灵活性可以给产业界带来非常多的机会，大量企业可以参与LoRa网络运营中，但这将导致碎片化资源和不同标准的产生，互联网巨头在这一领域中充分发挥其云化平台能力的优势，整合这些分散化的运营商资源。

与电信运营商相比，LoRa可以小范围地按照需要进行部署，但并不是所有企业都有技术能力，或者有自主建设核心网、网管、计费系统的需要，部分企业可以借助第三方现有的云化平台快速实现网络运营。

当LoRa等物联网专用网络在全球逐渐完成部署，以及拥有成熟的配套产业链时，将会出现更加小型的组织，甚至个人开始借助这些技术实现其资产的运营，各种轻量级的产品“运营商”的门槛进一步降低，未来物联网将带来各种行业、各种规模的产品“运营商”群体的产业变革。

低功耗广域网的发展离不开标准与产业的协同，标准的建立可以推动产业向有序化、规模化方向发展，而产业的进步会促进标准的完善，二者是相辅相成、相互促进的关系。此外，未来对于低功耗广域网络会形成一些明确的监管措施，对比以往让市场自由发展的历程，相信未来有序监管会成为常态，不仅仅是频谱领域，数据、平台等领域也会迎来监管时代。

3）不同技术之间形成互补

总体上看，不论是运营商级阵营，还是行业级/企业级阵营，产业链属性，如芯片、模组、终端、通信设备、平台、应用、组织都是必不可少的，它们的差异在于参与每个环节的市场集中度、企业成分，以及各类企业在其中发挥的作用程度的不同。

运营商级阵营很容易形成全球性、地区性的低功耗广域网络，这得益于运营商的先天优势及政策的支持，并且随着市场的演进，以及运营商财力的雄厚，完全有可能通过收购等手段整合一系列的产业链环节，最终成为非运营商领域的佼佼者。

但是，从目前的通信网络覆盖来看，运营商并不能覆盖所有地区，诸如环境恶劣的偏远地区，又或者像矿井这样的环境复杂的场景，而这些场景中又需要LPWAN，同时出于对数据安全的考虑，自建网络在很多场景都非常适用。

LoRa因其灵活的布网方式很容易受到用户的青睐，众所周知，未来LPWAN的市场将会以多样化、长尾化、定制化的方式呈现，其中很大一部分市场将由非运营商阵营来支撑。行业级/企业级阵营将会更加努力地拓展自身网络在全球各地区的版图，整合各种资源，生态的优势将会让市场优势显化，从场景化、本地化逐渐向地区化发展，当然，不同技术之间的竞争也会变得更加激烈。

NB-IoT和eMTC在主流运营商、设备商等行业巨头及国际移动通信标准化组织3GPP工作组的积极推动下，很容易实现大范围、全球化的覆盖，聚焦“大市场”。而LoRa在中小企业的推动和个性化网络建设的刚性需求下，得以在各场景部署中大放异彩，聚焦“小市场”“长尾市场”。从规模上来看，由于多样化、碎片化的场景需求，未来“长尾市场”也会占据半壁江山，两者在市场上构成互补关系，共同完善物联网网络层，促进物联网行业迅速发展。