介绍蜂窝网络及LPWAN互联

对于IoT网络设计者来说，实现互连是最令人沮丧方面之一，在传感器互相通信的周围存在很多竞争性的标准，它们大部分都是不兼容的。从边缘到互联网和云服务主要有两种方式：无线运行商和低功耗广域网络（LPWANs），无疑它们存在着激烈的竞争。LPWAN提供商使用的标准不止一个，有一些还是专属标准，而蜂窝网络的发展路线则是集中简单化并且提高当前以长期演进（LTE）标准为核心的产品的竞争力。因此虽然在这个长期的市场中只有两个基本的竞争对手，但是对于每个竞争队友有应该有基本的了解，包括它们各自的优势、劣势以及各种具体应用的适用性等。

为什么如此关注互连性？

为什么所有的关注都集中在连接性上？这取决于价钱：无线运营商和LPWAN提供商会对每一个连接的设备收取一定的费用，而且物联网终端设备的数量正在迅速的增加。对于全球无线运营商来说经历了超过30年的时间才达到目前23亿的用户，但是在物联网兴起的最近几年，已经有超过84的IoT终端设备实现了连接，到2020年这个数字至少会达到200亿。尽管并不是所有的IoT设备都会接入互联网，但是“仅仅”其中的100亿就会为服务提供商创造巨大的年收入。不用说这是一个巨大的机遇，然而不同的IoT应用之间存在着非常广泛的差异，目前基于蜂窝网络和LPWAN的解决方案是不同的，因此没有哪一个标准能够满足所有的应用需求。

为了说明这些差异，如下图（图1）所示的智能电表，一个城市中有10万个家庭、商业和其他用水部分都要使用这种电表并接入到互联网，这与在一个工厂中向250台机器发送数据有着很大的不同，在一个巨大的农场内许多类型的传感器分布在数英里范围内的土地上，而不是某个建筑，自动驾驶汽车的出现必然会创造出独特的物联网发展环境，这个环境会非常复杂，需要车辆与固定的基础设施之间建立连接。

图1：在美国已经有接近7千万的智能电表，每个都会通过LPWAN进行周期性的更新，当然不久也会使用蜂窝网络

然而无论是无线运营商还是LPWAN提供商提供的何种应用、服务都有一个共同的目标就是能够在主机设备上安装微型传感器，比如阀门、电机和泵等，采用纽扣电池来供电并且在数年内能够周期性的与外部设备进行通信，尽管这两种类型的服务提供商采用不同的方式来攻击这个问题，但是它们都使用各种技术来搭建物联网环境，举个例子，它们限制了数据传输的大小和间隔周期，以及传感器必须进行通信的次数，而且它们也会采用非常低的数据传输速率，这样就只需要非常窄的带宽。

此外无线传感器发送的低功率信号非常的微弱，检测它们的基站接收器必须非常的敏感，基站本身也会使用一些技术，比如MIMO（多输入多输出技术），如图2所示，某些情况下也需要使用高度定向天线来确保持续的连接性。

图2：虽然多路径传播是非常不受欢迎的，但是MIMO技术却采用它

通过在传输路径两端使用多个发送和接收天线，从而可以大大提高网络容量，同时也会降低误码率并且优化吞吐量。

最后很多小型基站（或者成为小单元）将需要缩短信号传输的距离，这样会降低延迟，几乎可以达到IoT应用瞬时响应的水平。

蜂窝网络和LPWANs比较

蜂窝网络对物联网应用有着独特的优势，在美国电信运营商已经拥有了几乎无处不在的LTE网络覆盖，数十万个大型基站和三倍数量的小型基站单元长期提供服务。在大多数情况下，更新这种基础设施来适应物联网设备的通信需求只需要进行软件升级就可以了，而不是像RF和微波收发器那样需要大量的硬件投资。此外，尽管之前IoT被广泛认为是下一个重大事件，其实无线运营商已经使用以前的第二代技术(2G)为无线传感器提供通信连接。

该行业多年来也一直在努力适应物联网。第三代合作项目(3GPP)负责管理开发和发布无线标准，其中包括了在最新标准中为IoT提供的大量规范，该标准在2016年6月最后定稿。在第五代细胞的第一个标准将于2019年发布的时候，这些功能将继续增强。到那时，无线运营商将在物联网连接方面打下坚实的基础。

相比之下，LPWAN提供商则没有这样的优势。它们是无线通信领域新兴的一股力量，所以必须从头开始构建每个覆盖范围和每一个系统。而且留给它们在关键地区(典型的城市)部署这些网络的时间也是非常有限的，因为蜂窝网络行业正在迅速推出以IoT为中心的数据计划。幸运的是，与蜂窝网络相比，LPWAN系统的构建和部署成本更低，并不总是需要扩展空间，而且使用更少的基站就可以覆盖更广阔地理区域。

现在的问题是，LPWAN供应商能否在由蜂窝网络所主宰的环境中搏得生存机会。大多数分析人士相信这是没问题的，因为他们提供类似于蜂窝网络的一些功能，比如电信级安全和其他强制性的功能特性，对于客户来说成本会更具有竞争性。分析师还建议说至少一半的IoT案例将会使用LPWAN服务。因此，这是一个相对安全的押注，尽管蜂窝网络在提供IoT连接方面占据着主导地位，但是对于LPWAN提供商仍有一席之地，在某些单一的市场可能会掀起价格战。