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LPWAN低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)比較：Wi-SUN、LoRaWAN、NB-IoT
2020 年 1 月 6 日 - 低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network，LPWAN）是為了因應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)遠(yuǎn)距離通訊需求而產(chǎn)生的技術(shù)，具有高覆蓋、低功耗和廣域連接等特性。
2020-06-06 13:43:50杭州聯(lián)芯通半導(dǎo)體有限公司
2020 年 1 月 6 日 - 低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network，LPWAN）是為了因應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)遠(yuǎn)距離通訊需求而產(chǎn)生的技術(shù)，具有高覆蓋、低功耗和廣域連接等特性。
而Wi-SUN、LoRa、NB-IoT均為L(zhǎng)PWAN技術(shù)之一種，其中又可以分成授權(quán)頻段（License Band）與非授權(quán)頻段（Unlicense Band）。在授權(quán)頻段方面以3GPP (3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計(jì)劃)所主導(dǎo)的NB-IoT技術(shù)為主，其采用現(xiàn)有的3G、4G網(wǎng)絡(luò)，主要投入的廠商包括電信營運(yùn)商以及相關(guān)的設(shè)備廠商；而使用非授權(quán)頻段的技術(shù)則處于遍地開花的情況，主要技術(shù)為Wi-SUN、LoRa等。
無線連接技術(shù)有多種選擇，且無線協(xié)議本身都有明顯的不同，但適用于公用事業(yè)、智慧城市和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的三種協(xié)議是Wi-SUN FAN(Field Area Networks)、LoRaWAN和NB-IoT(LTE Cat-NB)。以下就針對(duì)這三種技術(shù)進(jìn)行介紹與比較分析。
Wi-SUN、LoRa與NB-IoT簡(jiǎn)介
Wi-SUN(Wireless Smart Ubiquitous Network)聯(lián)盟成立于2012年，是基于IEEE 802.15.4g、IEEE 802和IETF IPv6標(biāo)準(zhǔn)的開放規(guī)范。Wi-SUN聯(lián)盟有250多家會(huì)員，它們共同推出了150多種Wi-SUN認(rèn)證產(chǎn)品。
Wi-SUN FAN是一種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)設(shè)備都可以與相鄰設(shè)備通信，這使得它的訊息可以在網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行非常長(zhǎng)距離的跳轉(zhuǎn)。Wi-SUN FAN是專門為更大范圍的端點(diǎn)設(shè)計(jì)的，這些端點(diǎn)更適合被應(yīng)用于戶外、長(zhǎng)距離傳輸。Wi-SUN FAN具有自組網(wǎng)(self-forming)功能，可以輕松地將新設(shè)備添加到網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)具有自我修復(fù)(self-healing)功能，如果一條路徑斷線，網(wǎng)絡(luò)將自動(dòng)重新路由到網(wǎng)關(guān)。目前Wi-SUN聯(lián)盟會(huì)員們?cè)谌蛞巡渴鸪^9500萬個(gè)支持Wi-SUN的設(shè)備。它使智慧電表、智慧路燈等設(shè)備能夠連接到一個(gè)公共網(wǎng)絡(luò)上，在公用事業(yè)和智能城市應(yīng)用中被廣泛應(yīng)用。
LoRa是美國半導(dǎo)體制造商Semtech并購的法國公司Cycleo所開發(fā)的無線通信技術(shù)，在這個(gè)基礎(chǔ)上與IBM合作完成規(guī)范，并由Semtech、IBM、Cisco所組成的LoRa聯(lián)盟推動(dòng)相關(guān)發(fā)展，目前擁有400多家會(huì)員。
LoRaWAN是在Semtech擁有的專有LoRa無線電設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上構(gòu)建的公共規(guī)范，從端點(diǎn)到端點(diǎn)的角度來看，它并不是完全開放的，而且迄今為止，Semtech只開放了有限的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，LoRaWAN的供貨商生態(tài)系統(tǒng)確實(shí)各不相同，這意味著設(shè)備和設(shè)備不能保證可完全相互操作(interoperable)。
NB-IoT也被稱為L(zhǎng)TE Cat-NB，是由國際電信標(biāo)準(zhǔn)制定組織3GPP所支持，針對(duì)IoT所打造的電信級(jí)網(wǎng)絡(luò)，NB-IoT出現(xiàn)在3GPP的R13(Release 13)規(guī)范中，由3GPP進(jìn)行主導(dǎo)加上三大電信設(shè)備商諾基亞(Nokia)、愛立信(Ericsson)、華為(Huawei)支持，無須布建新的網(wǎng)絡(luò)，可以利用軟件升級(jí)的方式，目前在亞洲、歐洲、美洲等區(qū)域已經(jīng)開通實(shí)驗(yàn)網(wǎng)。
Security 安全性
在安全性已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)討論重要部分的現(xiàn)在，Wi-SUN FAN提供經(jīng)驗(yàn)證的企業(yè)級(jí)安全認(rèn)證，其關(guān)鍵區(qū)別在于本地公鑰基礎(chǔ)架構(gòu)（PKI，public-key infrastructure）集成，它為網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)設(shè)備提供安全認(rèn)證功能。這可以確保設(shè)備不會(huì)被惡意修改程序，因而證明傳入的韌體更新是系統(tǒng)認(rèn)可的。這對(duì)于將要被布建在戶外數(shù)年甚至數(shù)十年的設(shè)備尤其重要。
另一個(gè)特性是對(duì)IPv6與相關(guān)網(wǎng)絡(luò)安全特性的支持，如入侵檢測(cè)、流量塑形、網(wǎng)絡(luò)分析和滲透測(cè)試等。這使得Wi-SUN FAN能夠更有效地抵御DoS (denial-of-service，拒絕服務(wù)) 攻擊。
雖然LoRaWAN和NB-IoT有很多方法可以做到上述這些，但是在規(guī)模上，Wi-SUN FAN的生態(tài)系統(tǒng)由于有公開標(biāo)準(zhǔn)作為基礎(chǔ)因而更加容易達(dá)到，其生態(tài)系統(tǒng)獲得芯片供貨商，軟件公司和安全專家的大力支持。
Ecosystem 生態(tài)系統(tǒng)
健康的生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的成功非常重要。在推廣聯(lián)盟的支持下，生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)提供大量可互操作的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)中。
Wi-SUN FAN，Wi-SUN聯(lián)盟由250多家成員公司組成，成員包括芯片和產(chǎn)品供貨商，軟件公司，公用事業(yè)，學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，監(jiān)管組織。每個(gè)成員產(chǎn)品皆通過一系列針對(duì)互操作性的測(cè)試和認(rèn)證計(jì)劃，健全Wi-SUN生態(tài)系統(tǒng)。
LoRaWAN，LoRa聯(lián)盟擁有400多個(gè)成員，芯片廠商算是相對(duì)弱勢(shì)的一環(huán)。LoRa雖然積極與芯片商合作，但其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還是掌握在發(fā)起廠商之一的Semtech身上，芯片廠商要合作通常是以MCU搭配Semtech的通訊芯片，或者以模塊的方式推出。且尚不清楚每個(gè)成員的產(chǎn)品在該生態(tài)系統(tǒng)中的可互操作性。此外，市場(chǎng)上出現(xiàn)私有LoRa設(shè)備使情況變得更為復(fù)雜。
NB-IoT，尚未發(fā)展一個(gè)成熟的供貨商生態(tài)系統(tǒng)。
Power Efficiency 電源效率
在物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃中，LPWAN通信協(xié)議使以電池供電的設(shè)備部署能夠持續(xù)使用多年而無須更換電池以減少人工維護(hù)成本。然而電池的使用壽命是三年還是十年決定于通信協(xié)議的選擇與發(fā)送訊息頻率的要求，且較低的功耗通常被迫在設(shè)備功能上做出妥協(xié)。
Wi-SUN FAN，設(shè)備可設(shè)計(jì)用于頻繁（間隔10秒）低延遲通信，休眠時(shí)小于2μA，接收時(shí)約8mA，發(fā)送時(shí)+10dBm小于14mA。低延遲功能支持實(shí)時(shí)指令(on-demand commands)，而不是等待設(shè)備喚醒并從網(wǎng)絡(luò)接收或發(fā)送消息。 LoRaWAN，設(shè)備通常可設(shè)計(jì)用于不頻繁的通信（128秒間隔），休眠時(shí)為2μA，但在接收時(shí)12mA，比Wi-SUN FAN多50%。更長(zhǎng)的延遲意味著更少的實(shí)時(shí)指令(on-demand commands)能力。
NB-IoT，NB-IoT設(shè)備是為不頻繁通信而設(shè)計(jì)的，相對(duì)功率消耗要大得多。峰值電流為120-300毫安，睡眠電流約為5μa。
Scalability 可擴(kuò)展性
網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性是規(guī)劃物聯(lián)網(wǎng)時(shí)一個(gè)重要考慮因素，像是能夠?qū)⑿碌漠a(chǎn)品如環(huán)境監(jiān)測(cè)器、智慧照明設(shè)備與智慧計(jì)量表添加到網(wǎng)絡(luò)中。
Wi-SUN FAN，Wi-SUN的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以在設(shè)備容量和數(shù)量上進(jìn)行擴(kuò)展，其較高的帶寬使其更容易在未來添加更多的高流量傳輸需求的產(chǎn)品。Wi-SUN FAN網(wǎng)絡(luò)可兼容數(shù)百萬臺(tái)設(shè)備，隨著節(jié)點(diǎn)的增加，可靠性亦隨之提升。Wi-SUN FAN在城市和郊區(qū)的網(wǎng)絡(luò)布建表現(xiàn)良好。
LoRaWAN，在初始網(wǎng)絡(luò)布建時(shí)進(jìn)行擴(kuò)展可能需要增加新的網(wǎng)關(guān)，或者在一開始就過度配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備因而付出過多潛在成本。此外，在人口密集城市環(huán)境中，眾多LoRaWAN接口設(shè)備將互相干擾。
NB-IoT ，電信營運(yùn)商推廣時(shí)程是采用NB-IoT的限制因素。客戶必須等待網(wǎng)域覆蓋完成，參照先前布建3G和4G的經(jīng)驗(yàn)，推廣時(shí)程可能會(huì)很緩慢且網(wǎng)域覆蓋范圍不完整。
Network and Device Longevity 網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備壽命
Wi-SUN FAN，許多Wi-SUN FAN的網(wǎng)絡(luò)都是以硬件包括電池壽命能達(dá)到15-20年的生命周期部署的，客戶可以在網(wǎng)絡(luò)上操作多代不同的設(shè)備，展示W(wǎng)i-SUN FAN的前后兼容性。
LoRaWAN ，LoRa聯(lián)盟成員宣稱以電池供電的設(shè)備可運(yùn)行10年，然而這些宣稱必須有延長(zhǎng)使用期限的技術(shù)左證。
NB IoT，R13(Release 13)規(guī)范無法達(dá)到10年的標(biāo)準(zhǔn)，雖然有人聲稱R14(Release 14)現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)這一性能。此外，電信營運(yùn)商可能因難以獲得市場(chǎng)需求而拖延建置計(jì)劃。
總結(jié)
在網(wǎng)絡(luò)布建中，Wi-SUN FAN的信息傳輸量確實(shí)高于LoRaWAN和NB-IoT，而且具有更快的響應(yīng)速度和更低的網(wǎng)絡(luò)等待時(shí)間；同時(shí)，Wi-SUN FAN在睡眠和接收時(shí)消耗更低的功率。
LoRaWAN和NB-IoT較適用于通信需求不頻繁的產(chǎn)品，雖然它們目前正被應(yīng)用在一些計(jì)量產(chǎn)品，但在可擴(kuò)展性、維護(hù)成本和通過網(wǎng)絡(luò)更新韌體的能力上普遍存在著問題。
濎通芯營銷業(yè)務(wù)副總裁鐘杰輝表示「公司主要提供符合Wi-SUN FAN認(rèn)證的解決方案，目前已在濎通芯辦公區(qū)域部署超過1000個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，并成功展示非常短的組網(wǎng)時(shí)間、自適應(yīng)能力、穩(wěn)健的數(shù)據(jù)收集和可靠的遠(yuǎn)程韌體升級(jí)；且濎通芯的VC7300系列消耗功率低，睡眠模式下功率消耗小于2.5uA，并入物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中，Wi-SUN模塊的電池壽命有機(jī)會(huì)可以使用十年，滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)需求。」
關(guān)于杭州聯(lián)芯通半導(dǎo)體有限公司
杭州聯(lián)芯通半導(dǎo)體有限公司成立于2020年，是一家長(zhǎng)距離、大規(guī)模、自動(dòng)組網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)通信芯片與軟件設(shè)計(jì)公司，為智能能源、智能城市、智能住宅、智能傳感市場(chǎng)應(yīng)用提供了高可靠、低成本、低功耗的無線Wi-SUN、高中低速有線 PLC與無線有線融合雙模通信方案，目標(biāo)成為廣域大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)通訊芯片與組網(wǎng)軟件解決方案的領(lǐng)航者。
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