常見的nb_iot/emtc/lora物聯(lián)網(wǎng)無線技術對比

物聯(lián)網(wǎng)，物物相連，無線技術的迅速發(fā)展為物體之間的信息互通提供了技術支撐，在物聯(lián)網(wǎng)的普及過程中，無線技術將扮演著越來越重要的角色。本文通過常見的幾種LPWAN無線通訊技術（NB-IoT/eMTC/LoRa）對比，探討物聯(lián)網(wǎng)大勢下的無線技術各自的特點和應用場景。

NB-IoT
NB-IOT全稱為Narrow Band-Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)，NB-IOT屬于物聯(lián)網(wǎng)范疇的一種技術。是由華為主導，并已成為3GPP標準的LPWA技術。

NB-IOT基于現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡的技術，可以通過升級現(xiàn)網(wǎng)來快速支持行業(yè)市場需求，成為GUL網(wǎng)絡上的第四種模式。同時，NB-IOT還具有覆蓋廣（能覆蓋到地下）、電池壽命長（超過十年）、成本低（每個模塊不足5美元）、容量大（單個小區(qū)能支持10萬連接）四大能力。

技術優(yōu)勢
NB-IoT具備四大特點：一是廣覆蓋，將提供改進的室內(nèi)覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡增益20dB，相當于提升了100倍覆蓋區(qū)域的能力；

二是具備支撐海量連接的能力，NB-IoT一個扇區(qū)能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設備成本、低設備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡架構；

三是更低功耗，NB-IoT終端模塊的待機時間可長達10年；

四是更低的模塊成本，企業(yè)預期的單個接連模塊不超過5美元。

NB-IOT聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯(lián)網(wǎng)（IOT）市場，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應用的新興技術。其具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構優(yōu)等特點。NB-IOT使用License頻段，可采取帶內(nèi)、保護帶或獨立載波三種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡共存。

應用場景

NB-IOT最常應用于智能水表、智能停車、寵物智能跟蹤三大典型應用場景，在NB-IOT的后期規(guī)劃中，還會涉及到智能自行車、智能煙霧檢測器、智能垃圾桶、智能路、智能售貨機等方面。

面臨的挑戰(zhàn)
第一，互操作和一致性問題。2015年，NB-IoT的主要成員，包括沃達豐、愛立信、Telefonica和GSMA開展了面向NB-IoT設備的簡單的互操作和一致性認證試驗。沃達豐還在英國紐伯里建立了專用NB-IoT實驗室，2016年下半年在德國杜塞爾多夫繼續(xù)開放進一步的實驗室研究。

(NB-IoT協(xié)議形成過程)

第二，部署和長期支持。NB-IoT部署的最大問題是時間和成本，根據(jù)沃達豐的估計，85%的企業(yè)基站可支持NB-IoT，只需進行軟件的升級，但對基站陳舊的網(wǎng)絡運營商，則需對硬件進行升級。這將導致NB-IoT網(wǎng)絡建設的成本增加和時間消耗。另一個問題是全球M2M漫游。理論上，運營商需支持三種標準，分別是：CAT-M，EC-GSM，NB-IoT，以及GPRS。此外，端點需要OTA升級，以提供安全性和其它升級。
第三，應用和商業(yè)模式。為了建立NB-IoT應用和商業(yè)模式，移動通信行業(yè)需要盡快建立合作伙伴生態(tài)圈。例如：德國電信已在柏林和波蘭的克拉科夫建立了NB-IoT原型樞紐，這些樞紐被納入孵化器中，為開發(fā)者提供快速學習的環(huán)境，激勵新的商業(yè)模式思考、縮短產(chǎn)品市場化的時間。

第四，與LPWAN(低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng))技術的競爭。LoRa和Sigfox已被證明是重要的發(fā)展技術，其中，Sigfox已在24個國家投入使用，LoRa繼續(xù)在一些國家、專網(wǎng)和社區(qū)網(wǎng)建設中使用。由于NB-IoT在近期內(nèi)不會大規(guī)模部署，其它技術競爭者仍有機會確定自己的市場定位。

目前，NB-IoT的市場普及在各國間存在差異。在許多國家，潛在的運營商可能面臨來自非移動LPWAN網(wǎng)的強有力競爭。例如，在荷蘭，KPN已建立了國家LoRa網(wǎng)，在這種情況下，它可能不太會采用NB-IoT。

第五，確定正確的市場進入戰(zhàn)略。LPWAN的應用具有在非常規(guī)的間隔中發(fā)送小數(shù)據(jù)有效載荷的特性。潛在的用戶可能需要更多低價值的服務。在這種情況下，NB-IoT運營商需要開發(fā)相應的戰(zhàn)略，應對這樣的市場需求。主要策略包括：建立市場與品牌間的平衡；擴大市場占有率，不僅限于傳統(tǒng)的M2M業(yè)務；在低端市場避免成本價格戰(zhàn)，側重于可控制價格溢價的應用；探索新商業(yè)模式以創(chuàng)造價值，加強垂直行業(yè)合作。

第六，定價計劃的設計，主要是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)計劃。目前，運營商仍在嘗試中。例如：韓國電信最近推出覆蓋全國的LoRa網(wǎng)，推出6種數(shù)據(jù)計劃，每一計劃對應于使用不同頻段的數(shù)據(jù)應用。它的定價模式是：LoRa的數(shù)據(jù)計劃價格只相當于基于LTE的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的十分之一。在擁有LoRa或Sigfox業(yè)務的國家，NB-IoT的資費不得不保持合理的競爭區(qū)間。而在英國，由于沒有國家LPWAN網(wǎng)絡，NB-IoT運營商在設計定價結構時，會有更多回旋余地。

此外，低速數(shù)據(jù)傳輸、隱私和安全、IT系統(tǒng)的轉換時間等問題，都將限制其發(fā)展。

eMTC

LTE-M，即LTE-Machine-to-Machine，是基于LTE演進的物聯(lián)網(wǎng)技術，在R12中叫Low-Cost MTC，在R13中被稱為LTE enhanced MTC，即eMTC，旨在基于現(xiàn)有的LTE載波滿足物聯(lián)網(wǎng)設備需求。

eMTC基于蜂窩網(wǎng)絡進行部署，支持上下行最大1Mbps的峰值速率，屬于物聯(lián)網(wǎng)中速率，其用戶設備通過支持1.4MHz的射頻和基帶帶寬，可以直接接入現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡。LTE在不斷演進的過程中，最新的eMTC和NBIoT都進一步優(yōu)化了系統(tǒng)的成本、增強了續(xù)航能力、擴大了覆蓋范圍。eMTC的最關鍵能力在于支持移動性并可以定位，成本只有Cat1芯片的25%，相比于GPRS速率要高四倍。

技術優(yōu)勢
窄帶LTE其中最主要的幾個特性。第一，系統(tǒng)復雜性地大幅度降低，復雜程度及成本得到了極大的優(yōu)化。
第二，功耗極度降低，電池續(xù)航時間大幅度增強。
第三，網(wǎng)絡的覆蓋能力大大加強。
第四，網(wǎng)絡覆蓋的密度增強。

eMTC具備LPWA基本的四大能力：一是廣覆蓋，在同樣的頻段下，eMTC比現(xiàn)有的網(wǎng)絡增益15dB，極大地提升了LTE網(wǎng)絡的深度覆蓋能力;二是具備支撐海量連接的能力，eMTC一個扇區(qū)能夠支持近10萬個連接;三是更低功耗，eMTC終端模塊的待機時間可長達10年;四是更低的模塊成本，大規(guī)模的連接將會帶來模組芯片成本的快速下降，eMTC芯片目標成本在1～2美金左右。

應用場景

應用在智能物流中，具有防盜、防調(diào)換、實時溫度傳感和可定位優(yōu)勢，能夠?qū)崟r監(jiān)控及定位，將信息記錄及上傳，可以對行駛軌跡查詢;在智能可穿戴設備中，可支持健康監(jiān)測、視頻業(yè)務、數(shù)據(jù)回傳和定位;依靠目前的蜂窩網(wǎng)交互屏幕，提供包括智能充電樁、候機寶、電梯衛(wèi)士、智能公交站牌、公共自行車管理等方面的應用場景。

面臨的挑戰(zhàn)

eMTC業(yè)務特征對VoLTE業(yè)務的適用性分析
eMTC與NB-IoT的典型特性差異在于，eMTC終端工作帶寬可以達到1.08MHz，遠遠高于NB-IoT終端的200kHz，因此，eMTC終端的峰值速率遠遠高于NB-IoT終端。基于上述特征，業(yè)界普遍認為eMTC技術能夠提供較為低廉的VoLTE終端方案，并能夠具備較好的業(yè)務質(zhì)量，但通過詳細的技術分析，采用eMTC技術支持語音業(yè)務或提供語音解決方案，實際效果可能難以樂觀。

低功耗特征
為了能夠在電力供應受限環(huán)境中提供物聯(lián)網(wǎng)服務，像NB-IoT一樣，eMTC也將低功耗作為系統(tǒng)設計目標，期望能夠基于較小容量的電池，支持終端10年免維護，并且與NB-IoT一樣采用了eDRX(Extended Discontinuous Reception)和PSM(Power Saving Mode)兩種節(jié)電技術。對于典型的低頻次物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，比如自動抄表類，由于業(yè)務頻次非常低，采用這兩種技術可以讓終端長期處于休眠狀態(tài)，只在需要進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候進行工作，因此可以非常節(jié)電，但這種良好的節(jié)電效果只對頻次較低的業(yè)務有效，對于VoLTE業(yè)務而言，終端需要經(jīng)常監(jiān)聽網(wǎng)絡尋呼，以及時響應到達的呼叫，所以無法采用eDRX和PSM技術的節(jié)電機制。

大連接特征
萬物互聯(lián)的要求，需要物聯(lián)網(wǎng)技術能夠服務海量的終端，為此3GPP設計了CP(Control Plane)優(yōu)化與UP(User Plane)優(yōu)化兩種空口技術優(yōu)化方案，對于小包傳送的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，可以節(jié)省大量的空口信令，提升傳輸效率。但對于VoLTE語音業(yè)務，是無法采用CP及UP優(yōu)化方案提升容量的，因此eMTC對于VoLTE不具有提升容量的能力。

廣覆蓋特征
考慮到有些物聯(lián)網(wǎng)終端往往處于建筑物內(nèi)部的較深位置，典型的比如水表，所處環(huán)境往往信號非常微弱，eMTC設計了重復技術以增強覆蓋，通過上、下行無線信號的重復，可以在接收端累積信號能量，從而增強覆蓋。但正是由于無線信號的重復，造成平均業(yè)務速率降低，也就是說，這種覆蓋增強技術是以業(yè)務速率降低為代價換取的，所以，對于VoLTE這種需要一定速率保障的業(yè)務而言，eMTC的覆蓋增強技術沒有帶來任何好處。

低成本eMTC終端方案
eMTC終端(芯片)的低成本方案主要包括：較小工作帶寬，eMTC終端的工作帶寬為1.08MHz，這種工作帶寬雖然比NB-IoT更高，但相較于普通LTE終端卻低了許多，能夠降低器件價格以及芯片計算能力要求，從而降低總體價格;較低的峰值速率，相對LTE而言，較低的峰值速率降低了芯片計算能力和Buffer要求，從而降低芯片價格;單終端接收天線，降低射頻器件成本;半雙工方案，可以省下終端射頻的雙工器，從而降低終端的成本。

LoRa

LoRa是LPWAN通信技術中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。這一方案改變了以往關于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，為用戶提供一種簡單的能實現(xiàn)遠距離、長電池壽命、大容量的系統(tǒng)，進而擴展傳感網(wǎng)絡。

（LoRa網(wǎng)絡構成）

目前，LoRa主要在全球免費頻段運行，包括433、868、915 MHz等。LoRa技術具有遠距離、低功耗（電池壽命長）、多節(jié)點、低成本的特性。LoRa網(wǎng)絡主要由終端（可內(nèi)置LoRa模塊）、網(wǎng)關（或稱基站）、Server和云四部分組成。應用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。

技術優(yōu)勢
按需部署：LoRa可以根據(jù)應用需要，規(guī)劃和部署網(wǎng)絡、根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境針對性放置基站/網(wǎng)關、更容易做到無縫覆蓋，而改善覆蓋質(zhì)量還可以降低功耗，提高系統(tǒng)容量、個人，企業(yè)或機構可部署，并且可以滿足安全需求，數(shù)據(jù)也可私有。
輕量級：相比于其他的LPWAN技術協(xié)議，LoRa的系統(tǒng)復雜度更低，硬件實現(xiàn)簡單，對資源要求較低，輕量級的LoRaWAN協(xié)議，軟件實現(xiàn)簡單，部署實施簡單。

低成本：LoRaWAN模塊量產(chǎn)，價格已經(jīng)在USD5以下，并逐漸接近2G模塊價格，室外型基站已低至USD500左右，室內(nèi)型USD100，從國外運營商來看，LoRa月租可達eMTC月租的1/5~1/10甚至更低。

NB—IOT與LORA對比

有效應對低ARPU：單個連接的APRU很低，高額投資將面臨低收益率問題，高質(zhì)量，輕量級，低成本才是有效的應對途徑。
開放的生態(tài)，成熟的產(chǎn)業(yè)鏈：節(jié)點，網(wǎng)關和云服務器全開放，各種量級的設備供選擇，網(wǎng)絡可以自己運營，不同的商業(yè)和運營模式。

投資回報較高，經(jīng)濟可行：若是只考慮基站的投資的話，LoRa的回報率為，基站以平均RMB5000計，6.25個月(半年)收回基站投資。NB-IOT的回報率為，綜合考慮基站升級和新建，假設平均15萬元/站，187.5個月(15.6年)收回基站投資。

應用場景

LoRa技術非常適用于要求功耗低、距離遠、大量連接以及定位跟蹤等的物聯(lián)網(wǎng)應用，如智能抄表、智能停車、車輛追蹤、寵物跟蹤、智慧農(nóng)業(yè)、智慧工業(yè)、智慧城市、智慧社區(qū)等等應用和領域。

面臨的挑戰(zhàn)

城市級網(wǎng)絡覆蓋：LoRa沒有運營商的支出，布網(wǎng)方面先天弱勢，
頻譜資源：LoRa采用免費頻段，可能存在干擾問題，盡管LoRa本身抗干擾能力強，LoRaWAN協(xié)議本身也有規(guī)避干擾的措施。但物理干擾難于完全避免
應對措施：去碎片化，建設統(tǒng)一的廣域網(wǎng)網(wǎng)，絡共建，資源共享。同時需要做到更輕量級,更低成本，LoRaWAN模塊的成本需要向2G模塊的成本看齊，甚至向WiFi模塊靠近。

總結：每種技術都有特點和優(yōu)勢，滿足不同的訴求和市場，多LPWAN技術將百花齊放，共生共存。