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现有LPWA技术落地物联网应用中的挑战
发布日期:2016-07-10 12:56

低功耗广域网络领域中充斥着NB-IoT、LoRa、Sigfox等技术的市场前景和优势时,我们很难听到一线人员对于落地过程中遇到困境的声音以及如何破解,我们不妨看看LPWA领域的一个后起之秀ZETA是如何做的。

随着各类厂商不断发力低功耗广域网络(LPWA),物联网专用网络的话题引起业内的热议。此前,介绍SigFox、LoRa、NB-IoT等市场上已开始商业化技术的文章不少,各类LPWA技术在理论上都有近乎完美的设计,不过,作为一位长期奋战在一线的技术人员,笔者对各种技术落地中的体验和无奈深有感触。当然,笔者坚信技术本身并无优劣之分,关键还是在于能否有效解决用户的问题,而有效解决问题的背后是对这一技术各个细节的不断提升。LPWA产业未来趋势和市场规模已有共识,但商用落地速度仍然有些滞后,在笔者看来,规模化商用中仍然存在一些壁垒,包括商用模式、技术、产业生态等多个方面,笔者以非授权频谱的LPWA技术为例,解读一下其落地中所碰到的困惑。
                  
                 理想的完美与现实的无奈:现有LPWA技术落地中的挑战

首先,从产业生态来看,开放生态对产业至关重要,但“开放”也有尺度,这个尺度往往成为产业化的一个门槛。产业链各环节的充分竞争无疑给下游应用带来收益,但一些关键环节往往设置壁垒,在现有LPWA产业中表现为以下两点:

(1)芯片的垄断供应。由于核心技术的专有权,芯片往往成为产业发展的壁垒,上游厂商竞争不足导致产业发展缓慢,这在以往科技产业发展史中的例子不少。LoRa技术的商用化中,相应的芯片基本上只能由Semtech提供,这一模式受到不少质疑,虽然Semtech开始和少数芯片设计厂商合作推出LoRa芯片,但其推进速度并不快,市场竞争环境构建不充分。

(2)不同标准终端互联互通不足。当前,各类LPWA技术在一些范围内开始商用,一些行业中可能部署了多个技术标准的终端,不同技术标准终端之间就像烟囱一样,相互间无法直接连接;当用户基于业务需求要增加智能终端接入时,若与此前终端采用不同制式时,现有终端也无法复用。例如,LoRa网关仅能接入符合LoRaWan协议的终端,无法复用Zigbee等其他制式终端。

其次,落地实施过程中会碰到大量与理论偏差的问题,补救措施并不能治本。实践中的环境千差万别,在大量实践经验中往往会碰到大伤脑筋的局面,让部署成本大大增加,列举几个如下:

(1)站址部署的困惑。一方面,在企业级LPWA项目中,很多需要安装AP的位置往往受条件限制,可能没有电源或不允许安装基站;另一方面,在网络边界区域,只有少量终端,但是为了全部覆盖还需多加1个AP。这些都导致网络建设施工困难并增加成本。

(2)流量并发冲突。现有LPWA网络(LoRa、Sigfox)均采用星形组网,一个AP直接接入大量终端,当终端数量到一定量级后,上行流量并发冲突就显现出来。

(3)下行链路功耗问题。下行链路低功耗是大部分LPWAN技术的难点,以LoRa为例,其Class A 模式不支持下行,而其Class B、C模式开启下行后,终端功耗将会显著提高。

此外,由于无线电频谱资源的紧张,LPWAN技术应该向频谱利用率更高的技术演进,LoRa等基于扩频技术的频谱利用率低于超窄带,若能将两者优势结合,则可节省更多频谱资源。
                        破解落地困境

 上述的分析是笔者在实践中的一些经验总结,相信相应方案厂商也面临相同困境,并在每一细节上进行持续改进。不过,在LPWA商用元年的时间窗口,市场格局还未定,基于用户需求导向,能够在多个壁垒上做出突破的技术可能后来居上。

当各类公开资料中充斥着NB-IoT、LoRa、Sigfox等技术的市场前景和优势时,我们很难听到一线人员对于落地过程中遇到困境的声音以及如何破解。我们不妨看看Aprisa是如何做的。

1、从产业生态方面来看,通用芯片和融合接入的思路和技术将是快速做大LPWA产业的关键。当大量厂商可以竞争性提供芯片时,将加速产业链的繁荣;当不同制式终端都可以无缝接入时,大幅降低用户实施成本。

Aprisa低功耗广域网络协议,可以采用通用芯片,打破上游芯片领域的垄断;对于终端之间的互联互通,Aprisa采用UnifiedAccess架构,具有非常好的开放性和兼容性,除了支持Aprisa终端,还可以接入LoRa/ZigBee等其他制式的终端,用户只需部署其AP就可将其他存量LPWAN终端无缝覆盖,提高网络复用率。

2、从实施过程中的难度来看,站址、并发流量、下行功耗等问题均需对技术进行深入的改进,很多时候可能需要放弃固有的网络架构设计思维。Aprisa在网络架构设计中,引入了一个中继的设计,即其低功耗自组网节点,从而解决了部署中的相关问题,具体来说包括:

(1)灵活中继破解站址部署困境。Aprisa 自组网节点采用电池供电,容易部署,一方面,与基站配合基础上,Aprisa 自组网节点可通过低功耗多跳自组网,通过一跳或多跳的自组网节点转接,可将基站网络覆盖延伸到其(或LPWA链路预算)不能到达的角落,当某个连接中断时,多个自组网节点间能够自行重组网,确保数据传输的高可靠性;另一方面,自组网节点也是一个多功能设备,不仅具备子基站/热点功能外,本身也具备通讯模块功能,让终端通过自组网节点可以实现联网,这一功能在大量场景中能够降低部署成本。例如通过在每个路灯上安装自组网节点模块, 不仅使路灯本身可以联网,同时把路灯变成了一个Aprisa热点,可以覆盖周围1-2公里(市区)形成一张路灯物联网。

(2)智能分流破解并发流量困境。正如前文所述,自组网节点能够扩展基站覆盖区域,当然在基站分流中也发挥了巨大作用,通过把一个蜂窝内的流量分流到不同的自组网节点接入,解决AP侧的流量并发冲突问题,使得LPWA网络具有更好的可扩展性。

(3)面对下行链路功耗难点,通过Virtual OFDMA机制,Aprisa可使终端和网络设备都处于深度休眠状态,直至需要发送数据的时刻才被唤醒,从而支持上下行都工作在低功耗模式。在实际测试中,此类机制比LoRa终端节省20%以上的功耗。

另外,由于采用窄带/超窄带技术,相比于LoRa等基于扩频的技术,Aprisa在频谱利用率上具有明显的优势,如典型的LoRA信道需占用125KHz的无线频谱,即使运行在窄带模式下,这个带宽也可以装进去15个Aprisa信道。

低功耗广域网络技术普及过程中,大量用户需要的是最快最低成本地部署一张无线网络。笔者再次强调,技术并无优劣之分,关键在于能否快速有效解决用户问题。
 

 
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