常见的nb_iot/emtc/lora物联网无线技术对比

物联网，物物相连，无线技术的迅速发展为物体之间的信息互通提供了技术支撑，在物联网的普及过程中，无线技术将扮演着越来越重要的角色。本文通过常见的几种LPWAN无线通讯技术（NB-IoT/eMTC/LoRa）对比，探讨物联网大势下的无线技术各自的特点和应用场景。

NB-IoT
NB-IOT全称为Narrow Band-Internet of Things，窄带物联网，NB-IOT属于物联网范畴的一种技术。是由华为主导，并已成为3GPP标准的LPWA技术。

NB-IOT基于现有蜂窝网络的技术，可以通过升级现网来快速支持行业市场需求，成为GUL网络上的第四种模式。同时，NB-IOT还具有覆盖广（能覆盖到地下）、电池寿命长（超过十年）、成本低（每个模块不足5美元）、容量大（单个小区能支持10万连接）四大能力。

技术优势
NB-IoT具备四大特点：一是广覆盖，将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力；

二是具备支撑海量连接的能力，NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构；

三是更低功耗，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年；

四是更低的模块成本，企业预期的单个接连模块不超过5美元。

NB-IOT聚焦于低功耗广覆盖（LPWA）物联网（IOT）市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。其具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点。NB-IOT使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波三种部署方式，与现有网络共存。

应用场景

NB-IOT最常应用于智能水表、智能停车、宠物智能跟踪三大典型应用场景，在NB-IOT的后期规划中，还会涉及到智能自行车、智能烟雾检测器、智能垃圾桶、智能路、智能售货机等方面。

面临的挑战
第一，互操作和一致性问题。2015年，NB-IoT的主要成员，包括沃达丰、爱立信、Telefonica和GSMA开展了面向NB-IoT设备的简单的互操作和一致性认证试验。沃达丰还在英国纽伯里建立了专用NB-IoT实验室，2016年下半年在德国杜塞尔多夫继续开放进一步的实验室研究。

(NB-IoT协议形成过程)

第二，部署和长期支持。NB-IoT部署的最大问题是时间和成本，根据沃达丰的估计，85%的企业基站可支持NB-IoT，只需进行软件的升级，但对基站陈旧的网络运营商，则需对硬件进行升级。这将导致NB-IoT网络建设的成本增加和时间消耗。另一个问题是全球M2M漫游。理论上，运营商需支持三种标准，分别是：CAT-M，EC-GSM，NB-IoT，以及GPRS。此外，端点需要OTA升级，以提供安全性和其它升级。
第三，应用和商业模式。为了建立NB-IoT应用和商业模式，移动通信行业需要尽快建立合作伙伴生态圈。例如：德国电信已在柏林和波兰的克拉科夫建立了NB-IoT原型枢纽，这些枢纽被纳入孵化器中，为开发者提供快速学习的环境，激励新的商业模式思考、缩短产品市场化的时间。

第四，与LPWAN(低功耗广域物联网)技术的竞争。LoRa和Sigfox已被证明是重要的发展技术，其中，Sigfox已在24个国家投入使用，LoRa继续在一些国家、专网和社区网建设中使用。由于NB-IoT在近期内不会大规模部署，其它技术竞争者仍有机会确定自己的市场定位。

目前，NB-IoT的市场普及在各国间存在差异。在许多国家，潜在的运营商可能面临来自非移动LPWAN网的强有力竞争。例如，在荷兰，KPN已建立了国家LoRa网，在这种情况下，它可能不太会采用NB-IoT。

第五，确定正确的市场进入战略。LPWAN的应用具有在非常规的间隔中发送小数据有效载荷的特性。潜在的用户可能需要更多低价值的服务。在这种情况下，NB-IoT运营商需要开发相应的战略，应对这样的市场需求。主要策略包括：建立市场与品牌间的平衡；扩大市场占有率，不仅限于传统的M2M业务；在低端市场避免成本价格战，侧重于可控制价格溢价的应用；探索新商业模式以创造价值，加强垂直行业合作。

第六，定价计划的设计，主要是物联网数据计划。目前，运营商仍在尝试中。例如：韩国电信最近推出覆盖全国的LoRa网，推出6种数据计划，每一计划对应于使用不同频段的数据应用。它的定价模式是：LoRa的数据计划价格只相当于基于LTE的物联网业务的十分之一。在拥有LoRa或Sigfox业务的国家，NB-IoT的资费不得不保持合理的竞争区间。而在英国，由于没有国家LPWAN网络，NB-IoT运营商在设计定价结构时，会有更多回旋余地。

此外，低速数据传输、隐私和安全、IT系统的转换时间等问题，都将限制其发展。

eMTC

LTE-M，即LTE-Machine-to-Machine，是基于LTE演进的物联网技术，在R12中叫Low-Cost MTC，在R13中被称为LTE enhanced MTC，即eMTC，旨在基于现有的LTE载波满足物联网设备需求。

eMTC基于蜂窝网络进行部署，支持上下行最大1Mbps的峰值速率，属于物联网中速率，其用户设备通过支持1.4MHz的射频和基带带宽，可以直接接入现有的LTE网络。LTE在不断演进的过程中，最新的eMTC和NBIoT都进一步优化了系统的成本、增强了续航能力、扩大了覆盖范围。eMTC的最关键能力在于支持移动性并可以定位，成本只有Cat1芯片的25%，相比于GPRS速率要高四倍。

技术优势
窄带LTE其中最主要的几个特性。第一，系统复杂性地大幅度降低，复杂程度及成本得到了极大的优化。
第二，功耗极度降低，电池续航时间大幅度增强。
第三，网络的覆盖能力大大加强。
第四，网络覆盖的密度增强。

eMTC具备LPWA基本的四大能力：一是广覆盖，在同样的频段下，eMTC比现有的网络增益15dB，极大地提升了LTE网络的深度覆盖能力;二是具备支撑海量连接的能力，eMTC一个扇区能够支持近10万个连接;三是更低功耗，eMTC终端模块的待机时间可长达10年;四是更低的模块成本，大规模的连接将会带来模组芯片成本的快速下降，eMTC芯片目标成本在1～2美金左右。

应用场景

应用在智能物流中，具有防盗、防调换、实时温度传感和可定位优势，能够实时监控及定位，将信息记录及上传，可以对行驶轨迹查询;在智能可穿戴设备中，可支持健康监测、视频业务、数据回传和定位;依靠目前的蜂窝网交互屏幕，提供包括智能充电桩、候机宝、电梯卫士、智能公交站牌、公共自行车管理等方面的应用场景。

面临的挑战

eMTC业务特征对VoLTE业务的适用性分析
eMTC与NB-IoT的典型特性差异在于，eMTC终端工作带宽可以达到1.08MHz，远远高于NB-IoT终端的200kHz，因此，eMTC终端的峰值速率远远高于NB-IoT终端。基于上述特征，业界普遍认为eMTC技术能够提供较为低廉的VoLTE终端方案，并能够具备较好的业务质量，但通过详细的技术分析，采用eMTC技术支持语音业务或提供语音解决方案，实际效果可能难以乐观。

低功耗特征
为了能够在电力供应受限环境中提供物联网服务，像NB-IoT一样，eMTC也将低功耗作为系统设计目标，期望能够基于较小容量的电池，支持终端10年免维护，并且与NB-IoT一样采用了eDRX(Extended Discontinuous Reception)和PSM(Power Saving Mode)两种节电技术。对于典型的低频次物联网业务，比如自动抄表类，由于业务频次非常低，采用这两种技术可以让终端长期处于休眠状态，只在需要进行数据传输的时候进行工作，因此可以非常节电，但这种良好的节电效果只对频次较低的业务有效，对于VoLTE业务而言，终端需要经常监听网络寻呼，以及时响应到达的呼叫，所以无法采用eDRX和PSM技术的节电机制。

大连接特征
万物互联的要求，需要物联网技术能够服务海量的终端，为此3GPP设计了CP(Control Plane)优化与UP(User Plane)优化两种空口技术优化方案，对于小包传送的物联网业务，可以节省大量的空口信令，提升传输效率。但对于VoLTE语音业务，是无法采用CP及UP优化方案提升容量的，因此eMTC对于VoLTE不具有提升容量的能力。

广覆盖特征
考虑到有些物联网终端往往处于建筑物内部的较深位置，典型的比如水表，所处环境往往信号非常微弱，eMTC设计了重复技术以增强覆盖，通过上、下行无线信号的重复，可以在接收端累积信号能量，从而增强覆盖。但正是由于无线信号的重复，造成平均业务速率降低，也就是说，这种覆盖增强技术是以业务速率降低为代价换取的，所以，对于VoLTE这种需要一定速率保障的业务而言，eMTC的覆盖增强技术没有带来任何好处。

低成本eMTC终端方案
eMTC终端(芯片)的低成本方案主要包括：较小工作带宽，eMTC终端的工作带宽为1.08MHz，这种工作带宽虽然比NB-IoT更高，但相较于普通LTE终端却低了许多，能够降低器件价格以及芯片计算能力要求，从而降低总体价格;较低的峰值速率，相对LTE而言，较低的峰值速率降低了芯片计算能力和Buffer要求，从而降低芯片价格;单终端接收天线，降低射频器件成本;半双工方案，可以省下终端射频的双工器，从而降低终端的成本。

LoRa

LoRa是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。这一方案改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统，进而扩展传感网络。

（LoRa网络构成）

目前，LoRa主要在全球免费频段运行，包括433、868、915 MHz等。LoRa技术具有远距离、低功耗（电池寿命长）、多节点、低成本的特性。LoRa网络主要由终端（可内置LoRa模块）、网关（或称基站）、Server和云四部分组成。应用数据可双向传输。

技术优势
按需部署：LoRa可以根据应用需要，规划和部署网络、根据现场环境针对性放置基站/网关、更容易做到无缝覆盖，而改善覆盖质量还可以降低功耗，提高系统容量、个人，企业或机构可部署，并且可以满足安全需求，数据也可私有。
轻量级：相比于其他的LPWAN技术协议，LoRa的系统复杂度更低，硬件实现简单，对资源要求较低，轻量级的LoRaWAN协议，软件实现简单，部署实施简单。

低成本：LoRaWAN模块量产，价格已经在USD5以下，并逐渐接近2G模块价格，室外型基站已低至USD500左右，室内型USD100，从国外运营商来看，LoRa月租可达eMTC月租的1/5~1/10甚至更低。

NB—IOT与LORA对比

有效应对低ARPU：单个连接的APRU很低，高额投资将面临低收益率问题，高质量，轻量级，低成本才是有效的应对途径。
开放的生态，成熟的产业链：节点，网关和云服务器全开放，各种量级的设备供选择，网络可以自己运营，不同的商业和运营模式。

投资回报较高，经济可行：若是只考虑基站的投资的话，LoRa的回报率为，基站以平均RMB5000计，6.25个月(半年)收回基站投资。NB-IOT的回报率为，综合考虑基站升级和新建，假设平均15万元/站，187.5个月(15.6年)收回基站投资。

应用场景

LoRa技术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。

面临的挑战

城市级网络覆盖：LoRa没有运营商的支出，布网方面先天弱势，
频谱资源：LoRa采用免费频段，可能存在干扰问题，尽管LoRa本身抗干扰能力强，LoRaWAN协议本身也有规避干扰的措施。但物理干扰难于完全避免
应对措施：去碎片化，建设统一的广域网网，络共建，资源共享。同时需要做到更轻量级,更低成本，LoRaWAN模块的成本需要向2G模块的成本看齐，甚至向WiFi模块靠近。

总结：每种技术都有特点和优势，满足不同的诉求和市场，多LPWAN技术将百花齐放，共生共存。