NB-IoT、LoRa、sigfox低功耗广域物联网技术，未来的争夺之战
物联网从2009年开始提出，到现在已经发展将近10年时间了，然而还未到爆发阶段。究其原因，在于部分传输技术还未研发出来或还未进行部署，文中讲述了目前，正在发展的三大主要低功耗广域物联网络技术，分别为NB-IoT、LoRa和Sigfox，分析了三者的主要应用场景。
物联网通过通信技术将人与物、物与物进行连接，在智能家居、工业数据采集等区域网通信场景一般采用短距离通信技术，对于广范围、远距离的连接则需要远距离通信技术，如远程抄表、环境监测、智能停车、位置追踪等，这需要一种覆盖广、成本低、部署简单、支持大连接的物联网，因此低功耗广域物联网(Low-Power Wide-Area Network，简称LPWAN)应运而生。并且，以这些应用场景为主导的物联网数量将占到物联网总连接数的60%。
LPWAN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2/3/4G蜂窝通信技术，比如EC-GSM、eMTC、NB-IoT等。 LPWAN 专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计，与传统的物联网技术相比，LPWAN有着明显的优点：与蓝牙、Wi-Fi、Zigbee、802.15.4等无线连接技术相比LPWAN技术距离更远;与蜂窝技术(如GPRS、3G、4G等)相比连接功耗更低。
在物联网通讯的发展中，NB-IoT已经获得全面性的支持，未来相关应用的市场荣景可期。LoRa与SigFox虽然受到NB-IoT强大的挤压，但因为物联网应用还属于成长中的市场，这两个技术已逐渐找到与NB-IoT区隔的发展道路，未来的发展重点是创造良好的消费者使用体验，朝着正确的航道加速、起飞。
物联网通讯是这两年产业最热门的话题之一，尤其在5G三大愿景中正式定义为mMTC(Massive Machine Type Communication)，未来物联网的联网规模将大幅超越过去的人联网，每平方公里网络节点甚至高达100万个。低功耗广域网(Low Power Wide Area Network, LPWAN)技术简单、应用广泛，将是MTC早期的切入点，包括NB-IoT、LoRa、SigFox等都是相关的明星级技术，而未来3GPP的MTC标准陆续订定之后，可以支持更多不同类型的物联网应用。
事实上，在过去物联网概念尚未成熟时，已有许多利用2G/3G技术的机器通讯(Machine to Machine, M2M)应用，如车队管理、物流、工业等B2B应用，未来几年市场需求将持续成长。在现有2G/3G/4G模块的基础之下，2018年NB-IoT、LoRa、SigFox大力拓展新兴应用市场，加上LTE Cat. M1，与未来可满足更多高传输速率、高移动性、定位、低耗电、语音等功能的MTC标准，共同建构物联网通讯的产业面貌。
一、NB-IoT：中国的物联网标准
NB-IoT产业2017年开始起步，2018年进入加速阶段，2019年将要正式起飞。从技术标准发展来看，2016年3GPP R13版本发表NB-IoT技术，2017年大厂高通(Qualcomm)与海思(HiSilicon)相继推出支持初版标准的芯片，年底联发科进一步推出R14版本芯片，更有许多芯片厂商陆续宣布投入NB-IoT，市场蓬勃发展，同时也刺激了通讯模块厂商的脚步。
自2016年6月16日，NB-IoT 技术协议获得3GPP无线接入网(RAN)技术规范组会议通过以来，我国随后就出台一系列政策支持 NB-IoT 发展。
2017年5月，工信部发布《电信网编号计划(2017年版)》，新编号中增加了物联网网号，将“140XX~144XX”明确为物联网网号。
2017年6月16日，工信部下发《关于全面推进移动物联网(NB-IoT)建设发展的通知》，《通知》对2017年到2020年的NB-IoT标准、NB-IoT设备、NB-IoT芯片、NB-IoT模组、NB-IoT测试、NB-IoT应用、NB-IoT网络的发展，部署了“定量”的任务。
2017年6月20日，工信部发布2017年第27号公告，从三方面明确了 NB-IoT 系统频率的使用要求。
2017年8月7日，工信部批准同意了部分单位提出的电信网码号资源有关申请，对2017年第10批《中华人民共和国电信网码号资源使用证书》颁发结果进行公示，其中就包括了物联网号段分配。
有了中国政府和中国市场对NB-IoT的全力支持，NB-IoT如日中天。
二、三大运营商NB-IoT部署进度
NB-IoT的发展离不开芯片和模组等产业链上游厂商的发力。华为的Boudica120、Boudica150;高通的MDM9206;联发科的MT2625。除此之外，锐迪科、英特尔、中兴微电子等公司也有自己的芯片规划。
1. 网络部署情况
中国是现今NB-IoT最大部署市场，随着2017年中国国务院和工信部发文，引导物联市场健康有序发展，NB-IoT产业生态在中国蓬勃发展。NB-IoT产业联盟、移动物联网联盟的成立吸引了一千多家企业布局NB-IoT市场，智慧抄表、智能停车、智慧医疗、智能物流等四十多个行业应用已启动规模商用部署，预计年底中国NB-IoT连接数将达1亿。
海外NB-IoT发展也即将进入快车道。在NB-IoT商用快速增长、产业蓬勃发展的带动下，原有LoRa的支持者们也逐步尝试转向NB-IoT阵营。
2. NB-IoT网络架构
3. NB-IoT网络架构方案
NB-IoT 组网主要分成5 个部分;NB-IoT 终端支持各行业的IoT 设备接入;NB-IoT 基站主要是指LTE 基站;NB-IoT 核心网指NB-IoT 基站和NB-IoT云的连接枢纽;物联云平台指各类业务的处理及反馈的中心;应用服务中心：既可以获取到本中心的NB-IoT 业务数据，也可以完成对NB-IoT 终端的控制。
4. NB-IoT应用
由政府推动的公共事业与智慧城市建设，都是NB-IoT的主要应用，包括最常被提到的智能三表(水表、电表、燃气表)、智慧路灯、停车管理、环境监测等。
事实上，NB-IoT今年已证明将在公共事业、服务与智慧城市建设等领域，取得主导性的发展地位。NB-IoT由电信营运商建置网络并提供服务，网络建置与原先的无线通信基地台一致，在人口稠密的都会区，4G LTE讯号完善，只需透过最简易的软件升级，不需重新布建网络;采用授权频段，公共服务质量有保障，只要谈好服务费率，商业模式建立也相对简易。2018下半年到2019年，将有更多类型、更大规模的NB-IoT应用导入。
三、LoRa：LPWAN无人能敌的最强者
LoRa是美国半导体制造商Semtech借助其并购的法国公司Cycleo所开发的无线通信技术LoRa，在这个基础上与IBM合作完成规范，并由Semtech、IBM、Cisco为核心所组成的LoRa联盟推动相关发展。
2016~2017年备受期待，有可能成为物联网时代的Wi-Fi，因为其采用非授权频段，技术简易、应用方便，开放的生态圈也提供与电信领域较远的资通讯厂商插旗物联网通讯的机会，很快的就吸引数百家厂商加入产业联盟，台湾地区也有许多厂商大力投入。省掉授权频段权利金，背后又有思科(Cisco)、IBM、阿里巴巴、腾讯这些大厂力挺，甚至许多电信商也押宝，技术、产品都在2017年以前就Ready，产业推动时程较NB-IoT更有优势。
不过，从2017~2018年，LoRa发展受到NB-IoT强大的竞争压力，业界传出不少撤换网络解决方案的传闻，主要原因分为内部与外部两个面向，外部原因就是NB-IoT的大规模推动，原先推动较顺利的LoRaWAN与其应用领域重迭性高，尤其像前述公共事业的物联网应用，没有大型的服务商如电信业者来扮演与政府合作的角色。内部原因则是LoRa技术1.0版未达最大的省电效果，讯息传送采用类似广播的方式，会出现终端与服务器不同步的问题，导致重要讯息遗漏，掉封包的状况经常出现;另外，LoRa虽然芯片几乎都掌握在Semtech手上，但因为验证与互通测试服务还不成熟，也会造成不同厂商终端设备互通互连的瓶颈。
去年底，无管局发布了“征求意见稿”。意见稿里有一条细则，规定“470-510MHz的非授权频段，限单频点使用，不能用于组网应用”。LoRa本就用于物联网，如此一刀切非授权频谱的物联网应用，意味着频段内LoRa等物联网通信技术均请出国门，频段内的千亿产业链及生态均被扼杀。最终在LoRa支持者们的努力下，这件事情最终没有定论。但无管局并未明确透露何时推出新的政策，对身在其中的人们来说，这是没有落地的“靴子”。
LoRa主导厂商当然也知道现在的困境，尽管整体市场还在成长中，不过在产业中受瞩目的程度降低却是不争的事实。
1. 网络部署情况
目前LoRa联盟已有500多个成员，在100多个国家提供服务，58家联盟成员运营商在41个国家运营，67家公共网络运营商，从美国、中国到俄罗斯、东南亚、南美，实现在全球范围内的广泛覆盖。其全球网络覆盖情况如下图所示：
2. LoRaWAN网络架构
从LoRaWAN网络架构来看，主要有以下几部分：终端节点(End Nodes)、集中器/网关(Concentrator/Gateway)、回程(Backhual)、网络服务器(Network Server)、应用服务器(Application Server)。
终端节点(End Nodes)：终端节点是在最左边，异步地广播数据包到网络。遵循Aloha网络规范，保证终端设备可以大部分时间处于空闲模式，功耗少于1uA。 这种方法可确保在小型电池上的应用可以实现10至15年的使用寿命。
集中器/网关(Concentrator/Gateway)：通过终端节点广播的数据包将会被网络中的一个或多个网关获取。网关有一个多信道和多数据速率的射频嵌入式设备，可以扫描和检测任何活动信道上的数据包并进行解调。
回程(Backhual)：网关通常有一个以太网的回程，然而，目前一些部署使用了2G、3G、4G、Wi-Fi、NB-IoT、以太网等作为回程。
网络服务器(Network Server)：核心网络是LoRaWAN系统的重要组成部分。 它承载所有需要的智能来管理网络并将数据分发到其他服务器。
应用服务器(Application Server)：LoRaWAN协议支持不同类型的网络。一些网络提供商也是应用提供商。因此，在LoRaWAN网络架构图图中最右侧的应用服务器可以与网络服务器分别托管或与网络服务器集成在一起托管。
3. LoRa应用
LoRa正在全球范围内应用部署，因为其低功耗、深度覆盖、容易部署等优势使得其非常适用于要求功耗低、距离远、大量连接以及定位跟踪等的物联网应用，如智能抄表、智能停车、车辆追踪、宠物跟踪、智慧农业、智慧工业、智慧城市、智慧社区等等应用和领域。
四、SigFox：国外最火的LPWAN技术
Sigfox是一家法国公司，成立于2009年，创建了连接低功耗设备的无线网络，主要用于低功耗物联网，如：电表等，这类应用需要连续地发送少量的数据。Sigfox希望建立第一个仅供用于物联网的全球蜂窝连接的公司，其基础设施完全独立于现有的网络(如电信移动网络)。
SigFox是自行建构一个产业生态体系(Ecosystem)，由SigFox负责全球共同的网络营运与云端平台管理，再透过各地特许的网络营运商SNO(SigFox Network Operator)提供服务，原则上单一地区由单一业者负责，其经营理念为“One Globe, One Network. One Globe, One Contract.”，截至目前为止讯号涵盖已达46个国家和地区，预计在2018年底达到60个国家和地区的网络部署。
SigFox尤其适合跨国性的物联网应用，如资产追踪。SigFox在台湾的营运商优纳比(UnaBiz)在Computex 2018也邀请多家发展SigFox解决方案的厂商展出相关服务。
Sigfox正在推出首个全球性的物联网网络，可以监听数十亿的对象广播数据，而无需建立和维护网络连接。在无线连接的世界中，这种独特的方法是没有信令开销的，紧凑和优化的协议，而物不依赖于网络。Sigfox提供了一种基于软件的通信解决方案，所有的工作和计算的复杂性都是在云端进行的，而不是在设备上。所有这一切，大大降低了能源消耗和连接设备的成本。
1. 网络部署情况
由于物联网连接使用低数据速率，Sigfox网络利用了超窄带，UNB技术。传输功耗水平非常低，而仍然能维持一个稳定的数据连接。Sigfox无线链路使用免授权的ISM射频频段。频率根据国家法规有所不同，但在欧洲广泛使用868MHz，在美国是915MHz。Sigfox网络中单元的密度(基于平均距离)，在农村地区大约30-50km，在城市中常有更多的障碍物和噪声距离可能减少到3-10km之间。整个Sigfox网络拓扑是一个可扩展的、高容量的网络，具有非常低的能源消耗，同时保持简单和易于部署的基于星型单元的基础设施。
2. Sigfox网络全球部署情况
根据官方数据，截止上半年Sigfox 在 29 个国家建有应用网络，主要为欧洲国家，如：西班牙、法国、俄罗斯、英国、荷兰、德国等，覆盖 170 万平方公里。
3. Sigfox网络架构
由上图可以看出，Sigfox网络架构可以分为三部分，中间部分Sigfox Gateway和Sigfox Cloud部分由Sigfox公司提供，也就是Sigfox网络和Sigfox网络服务器或设备管理服务器由Sigfox提供。左边终端部分Sigfox则是开放的，与多个RF芯片公司合作无线前端的连接，为用户提供多RF芯片供应商的选择，但终端必须符合Sigfox网络认证。右边的部分则是业务的应用，包括应用服务器和Web客户端或App等。
4. Sigfox的应用
以行业部分来看，Sigfox应用主要集中在工业、共用事业、农业、公共部门等领域。按用例来看，Sigfox应用主要集中在智能计量、智能跟踪、温度检测上。
5. Sigfox在中国的第一个项目
2018年1月，“中法合作 成都国际智慧养老服务示范社区”Sigfox项目签署。项目总投资约3亿欧元，由Sigfox物联网公司和KRG智慧养老公司提供物联网技术标准和智慧养老技术解决方案，中国联通提供技术运营支持。KRG智慧养老公司针对独居的老人及行动不便者开发了智能居家新一代远程养老监护系统，提供基于Sigfox物联网技术的新一代远程协助解决方案，能够观测到可能将上述人员置于危险境地的跌到、不适和等反常行为。
6. LPWAN技术正各自起飞
2018年是物联网通讯正式商用化的元年，尤其是NB-IoT，根据资策会MIC的研究显示，今年LPWAN模块市场将挑战第一个1亿规模，该会产业分析师曾巧灵指出，上半年NB-IoT多功能整合模块市价都在10~15美元左右，对于诉求大规模简易的应用来说，成本压力沉重，不过下半年NB-IoT模块出货已经逐渐放量，加上投入的芯片、模块厂商越来越多，模块价格有下降到8~10美元的趋势。
世界各地电信营运商的NB-IoT服务在2017年下半年陆续开台，市场推动力量加大，2019年以后NB-IoT模块将出现高度成长，预计2021年LPWAN联网装置数量规模将高达8亿，其中约7亿是NB-IoT与eMTC这类授权频段技术产品，尤其以中国与欧洲市场的发展最为强劲。
另一研究单位IHS Markit的看法也相当乐观，预测到2021年IoT联网数量将超过10亿。从2014年到2021年的年复合成长率(CAGR)高达206%，中国的物联网市场在政府的大力支持下，中国三大营运商的物联网连接从2014年的5,350万成长到2016年的1.62亿，中国政府在策略上希望主导NB-IoT的产业发展，也让中国成了全球NB-IoT发展的火车头与观察指标。
而在非授权频段的LPWAN市场中，LoRaWAN在2017年出现高于预期的成长，据了解，Semtech的LoRa芯片出货量超过1,000万颗，IHS Markit预计LoRaWAN的联网节点数量到2021年将增加到近3亿。针对另一个明星级的LPWAN技术SigFox，IHS Markit的看法则较为保守，整体而言，NB-IoT已经成为现阶段物联网通讯的霸主，LoRa与SigFox的早发领先优势已经逐渐消失，不过在物联网的高度成长趋势下，LoRa与SigFox也积极寻求合适的领域与应用。
整体而言，NB-IoT已经获得全面性的支持，其实与去年业界的看法一致，大部分物联网通讯厂商投入的方向也以NB-IoT为主，部分两边押宝的厂商大都将策略重心放在NB-IoT，还有更多先前观望的厂商，已经确定要投入NB-IoT的发展，未来相关应用的市场荣景可期。另外，LoRa与SigFox虽然受到NB-IoT强大的挤压，但因为物联网应用还属于成长中的市场，这两个技术的市场也在不断成长。或许在不久的将来，也会在单一物联网模块内整合LoRa或NB-IoT等不同的无线网络通讯技术，像是在偏远工厂，以LoRa形成局域网络内设备间的数据传输，再将数据传送到外部的LTE网络，整合多个厂区的数据进行整体分析。
五、总结
NB-IoT带动的不仅仅是自身产业生态阵营的快速发展，也让LoRa、Sigfox等其他低功耗广域网络技术获得了绝佳的市场教育机会，尤其是LoRa以及以此为基础制定的广域网络规范LoRaWAN，在过去一年多的时间里，国内外从业者对LoRa并不陌生，而且有大量基于LoRa的物联网应用案例已经落地。
思科(Cisco)、IBM、阿里巴巴等巨头力挺LoRa，上个月腾讯也宣布加入LoRa联盟，腾讯云副总裁王慧星表示：“LoRaWAN已经实现了快速增长，我们认为，它在LPWAN市场上与NB-IoT高度互补。加入LoRa联盟将使我们能够影响LoRaWAN的技术开发、推进相关的物联网应用，并通过与全球其他LoRaWAN供应商建立紧密的合作关系来加强推进我们的云业务。”
总的来说，LoRa与SigFox已逐渐找到与NB-IoT区隔的发展道路，未来两年的发展重点应该是创造良好的消费者使用体验，包括硬件终端芯片/模块的降价、软件服务的完善与便利性等，真正从正确的航道加速、起飞。
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