LPWAN 是近几年发展起来的一个新兴产业,解决了面向物联网应用的广域覆盖大规模的网络连接,弥补了传统蜂窝技术的不足,加速了物联网的应用和规模化部署。随着万物互联和网络基础建设的发展,LPWAN 未来发展潜力巨大。

 

LPWAN 网络连接的技术基本可以分为两部分:蜂窝技术和非蜂窝技术。蜂窝技术主要是国内三大运营商部署运营的 NB-IoT 网络。非蜂窝技术主要是部署在免许可申请使用频段的网络,如 Sigfox、LoRa、ZETA、Weightless 等。非蜂窝技术主要是以由企业部署运营,使用频段主要集中在 470-510MHz。

 

LPWAN 产业链大致可分为以下几部分:

 

 

传感器

根据国家标准 GB/T 7665-2005 3.1.1 对传感器的定义:传感器是能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。随着智能化的发展,传感器也日趋智能。GB/T 33905.3-2017 3.2 对智能传感器的定义:具有与外部系统双向通信手段,用于发送测量、状态信息,接受和处理外部命令的传感器。(注:智能传感器是包含信息处理装置的传感器,传感器是智能传感器必不可少的组成部分)

 

传感器是物联网络的末端,为物联网应用提供最基础的数据,也是云计算、人工智能(AI)的数据基础。随着传感器向着智能化、集成化、网络化的发展,LPWA 技术为传感器规模化网络接入提供了一种新的连接选项,LPWAN 可以低成本低功耗连接更多的传感器。

 

并非所有的传感器都可以直接通过 LPWAN 连接入网,实际上还存在着一些传感器网络,如 Zigbee、小无线(如 FSK 等),这些传感网络可以通过集中器或网关连接到 LPWAN 网络,是 LPWAN 网络的补充或延伸。

 

芯片

从 LPWA 技术硬件芯片的角度看,LPWA 技术芯片主要有两部分:前端射频芯片和网关芯片。

 

主要的 LPWA 技术使用前端射频芯片的情况如下:

 

 

LPWAN 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 技术网关为独家或相关的少数通信公司开发。

 

无线模块

射频电路、天线等的设计测试对一些企业来说还是有一定的技术门槛,采购成熟的模块集成到产品或方案中,是这些公司的首选。无线模块的规模化生产也有助于降低成本。

 

产品功能的同质化带来的必然是产品的价格竞争,无线模块功能的差异化是企业提升价值的另一个方向,比如在无线模块中加入 GPS、BLE 等功能。一些做 LoRa 的企业通过 SiP 封装(System In a Package,系统级封装),将 LoRa 芯片与 MCU 等芯片、电路集成到了一个封装里,缩小了产品的尺寸,简化了产品的设计。

 

有的企业还推出了基于 SDR 技术的 NB-IoT 无线模块,SDR 带来的好处是硬件不改动的情况下,通过软件快速地进行产品的升级迭代。

 

终端

LPWAN 是一个新的行业,需要更多的产品终端连接到 LPWAN 网络上,以形成规模化应用的效应,这还需要通过产品、企业、行业间的合作,加速 LPWAN 应用的落地。LPWAN 终端也为传统的产品企业带来了新的市场发展机会。

 

网关或基站

LoRaWAN 一般叫网关或集中器,NB-IoT 一般称为基站。网关和基站都是无线连接入网的设备,都具备大规模的设备无线接入的能力。网关或基站提升了物联网设备的规模化接入能力和设备的管理水平。

 

LoRaWAN 网关可以由企业自主设计和部署,而 NB-IoT 基站则是由运营商的供应商提供,供应商需有一定的资质。LoRaWAN 和 NB-IoT 网络都需要布网,可以是局域网、城域网乃至全国范围的网络,大规模的部署需要大量的基础设施投资。运营商有更多的资源和雄厚的资本支撑网络的运管,而 LoRaWAN 在网络运营方面相对小一些,多是企业为主的项目。

 

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。

 

解决方案商

LPWAN 的解决方案主要是指端到端的连接解决方案。NB-IoT 解决方案由相关企业提供,运营商主导。其他 LPWA 技术多是由企业提供端到端的解决方案。

 

LoRaWAN 的解决方案比较开放,可以根据 Semtech 公司的参考设计和 LoRa 联盟的协议进行开发优化 LoRWAN 解决方案。而一些企业在一些实际项目直接将网络服务器(Network Server)功能直接移到了本地网关上,或简单地从网关解析出数据来,进行本地化读取,这方便了 LoRaWAN 的应用落地。这样不利于 LoRaWAN 网络规模化部署,一般应用于小范围的项目上,如园区的管理等。

 

Sigfox 的解决方案相对封闭些,自己也运营物联网络,但终端开放,方便企业产品接入网络。

 

ZETA 是纵行科技自主研发的 LPWAN 解决方案,也由自己运营网络。纵行科技也在与合作伙伴一起推动 ZETA 网络的部署和运营。在中国的 LPWAN 市场上,ZETA 也是一枝独秀。

 

网络服务商

物联网应用的一个重要作用是数据采集,LPWA 技术提供了低功耗规模化网络接入的能力,LPWA 技术基本都是轻硬件重后台管理的设计,网关或基站只做数据接受和传输,借助云端的计算资源,网络服务器(Network Server)负责一些数据的处理和设备的管理,并提供相应的接口给应用服务器使用。

 

NB-IoT 网络服务器是由运营商管理运维,运营商提供数据的接口给用户使用。

 

LoRaWAN 网络服务器一般由提供解决方案的企业来管理运维。由于数据在解决方案的服务器上,一些企业心存疑虑,担心数据被利用或项目创意被复制,不少的 LoRaWAN 项目采用了本地化读取数据的方式,这样网络部署的规模化较小,适合于小范围内的项目应用。对于数据的存取与管理,实质上是一个可信的问题。人、企业、物相互之间还需要建立起一种可信的关系。

 

Sigfox 网络服务由 Sigfox 公司自主管理运维。ZETA 网络服务由纵行科技自主管理运维。

 

应用服务商

将传感终端的数据传输到网络服务器上是 LPWA 通信技术的使命,应用服务则是对数据进行分析、可视化等管理,并为决策和行动提供有效的数据支撑。应用服务器是用户使用物联网服务的入口或界面。

 

随着互联网、移动互联网的发展,应用服务软件开发已比较成熟了,也呈现出了多形态,如 H5、APP、小程序等。然而,由于应用服务软件需求多样化,定制化程度高,费用不低,可以通过网络平台集约化来减少用户使用的成本。

 

LPWAN 运营商

LPWAN 运营商是指基于 LPWAN 网络运营的服务商。中国 LPWAN 运营商主要是基于 NB-IoT 网络的三大运营商(中国移动、中国电信、中国联通),无论是其基础设施建设规模、网络覆盖规模、用户规模等都比其他 LPWA 技术网络大得多。

 

未来会有越来越多的电子产品连接到互联网上,而物联网和互联网是不同的“网”,因其运行的网络协议不同。互联网是 IP 协议(IPv4/IPv6),而物联网是非 IP 协议。而物联网中“物”多是使用的 MCU 或单片机,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。一般地,物联的网通过网关或基站进行 IP 协议转换再连接到互联网。物联网碎片化的重要原因是没有统一的通信标准化和规模化,LPWA 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。使用不需要申请无线电频率使用许可的 LPWA 技术的企业可以自主管理和运维物联的网络。

 

国内的 LPWA 技术多是采用了作为民用无线电计量仪表使用的 470-510MHz 频段,而工信部的一个《征求意见稿》,“限单频点使用,不能用于组网应用”,给使用免申请许可频段的 LPWAN 网络运营增添了不确定因素。

 

“尺有所短,寸有所长”。NB-IoT 也不是连接万物的金钥匙,NB-IoT 可以与其他 LPWA 技术结合在一起、相互补充,为物联网用户提供多个选项,拓展网络服务。2018 年 3 月,阿里、中国联通、Semtech 共同发布了“国内首个 LoRa 城域物联网试商用”,给中国 LPWAN 网络运营带来了新的合作模式尝试。

 

谷歌董事长施密特曾预言:互联网即将消失,一个高度个性化、互动化的有趣世界—物联网即将诞生。