低功耗广域网络白皮书.pdf

ow Power Wide Area Network White Paper低功耗广域网络白皮书目 录 1 前言 3 版权声明 第一章 LPWAN概述 4物联网产业发展对 LPWAN提出要求 8 LPWAN的发展历史 10 LPWAN主要技术概述 17 LPWAN的主要应用领域 第二章 国内外 LPWAN标准产业发展现状 19国内外 LPWAN产业概览 31 LPWAN标准化进展 34 LPWAN产业市场规模和竞争格局 第三章 LPWAN产业生态分析 36 LPWAN产业生态构成 37 LPWAN产业链各环节分析 48产业生态发展中的壁垒 51 LPWAN用户分析 53 LPWAN产业生态发展走势 第四章 LPWAN带来的商业模式分析 55基于 LPWAN的商业模式概览 60 LPWAN在传统产业服务业转型中的作用 62 LPWAN网络运营新模式研究 第五章 LPWAN主要应用研究 64适合于 LPWAN应用的特征分析 65 LPWAN已规模化落地应用 69典型的 LPWAN应用案例 第六章 LPWAN产业未来展望 77 LPWAN市场规模和增长预测 79不同阵营市场结构展望 81需求驱动标准化演进 81不同技术之间的互补 83 LPWAN的标准和产业协同发展 83 LPWAN形成的 “ 人人运营商 ” 模式展望 84 LPWAN相关监管政策展望 86主要贡献单位 LPWAN白皮书 1 前 言 根据 GSMA给出的数据显示，截止 2017年底，全球物联网连接数量达到 75亿， 2025年这一数字预计将会达到 251亿。而产业物联网将成为接下来几年的增长主力。 考虑到技术因素、场景需求 ，数百亿的联网设备不能仅靠短距离和蜂窝网络完成连接要求，大量的 需求是现有技术无法满足的，比如表计、路灯、井盖、垃圾站点等监控与管理，工厂、建筑、交通、农业等行业的转型升级 ，这些 都需要新的网络连接技术，低功耗广域网应运而生。 低功耗广域网并不是新技术，早在上世纪 80年代末就已经有低 功耗广域网的雏形出现 。进入 21世纪，随着市场需求和产业参与者的推动，到目前为止，全球已经形成了十几种 技术 同台竞技的局面， 并可以划分为基于非授权频谱和授权频谱两类技术，前者包括 LoRa技术， Sigfox技术， Ingenu公司的 RPMA技术 ，国内纵行科技自主研发的 ZETA技术 等，后者则 包 括 以传统运营商和通信设备商主推的 NB-IoT、 eMTC、 EC-GSM技术 。 虽然 不同的技术有不同的阵营，但也有着相似的共性 。 技术、产品、企业、组织都在从横向、纵向渗透进整个产业链。 市场方面， LoRa等非授权频谱 LPWAN技术抓住 时间窗口的先机，在全球迅速部署 LoRa网络， 2018年初，全球范围内使用 LoRa技术进行概念验证的数量为 1000例 ； 预计 到 2019年，在全球范围内部署的、用于专用网络和公用网络的基于 LoRa的终端节点数量将超过 8000万 。至于授权频谱，得益于传统运营商以及政策方面的支持，从 2017年下半年开始进入快速发展期。 但是，市场的发展除了需要供给方的推动，更多的应该是靠需求方的拉动， 目前，低功耗广域网 存在芯片、模组、运营商等供给方和终端、应用等需求方非均衡状态。 面对碎片化的物联网市场，更多的选择还是在需求方一侧，能 够为用户解决痛点，带来效益才是核心问题。 LPWAN白皮书 2 技术多样性、应用碎片化的市场带来了更多的变数， “ 运营商 ” 不再是电信运营商专有，厂商只要拥有可反复使用的资产（有形产品或无形服务），向多个用户收费租赁就是其资产的运营商， 而 借助低功耗广域网 等物联网技术，“ 人人运营商 ” 成为可能 。 当 NB-IoT/eMTC、 LoRa等物联网专用网络逐渐在全球完成部署，以及其配套的产业链成熟，更加小型的组织甚至个人开始借助这些技术实现其资产的运营，让各种轻量级的产品 “ 运营商 ” 门槛进一步降低，未来物联网带来的产业变革之一是各种行业、各种规模的产品 “ 运营商 ” 群体。 未来 用户可以自主搭配 LPWAN网络，针对不同使用场景推出不同的使用方案 ， 今天每个家庭都有 WiFi网络，未来每个企业都有 LoRa网络 。 LPWAN白皮书 3 版权声明 本白皮书版权属于 ICA联盟 使用说明：未经 ICA联盟事先的书面授权，不得以任何方式复制、抄 袭、影印、翻译本文档的任何部分。凡转载或引用本文的观点、数据， 请注明“来源： ICA联盟 ” 。 LPWAN白皮书 4 第一 章 LPWAN概述 与晶体管、计算机出现的情景类似， 低功耗广域网（ LPWAN）的产生、发展离不开技术 的推动与需求的 拉动。 从人与人之间的通信发展到人与物、物与物的交流，远距离、低功耗的通信需求催生了 LPWAN，其 具有覆盖 范围 广、服务成本低、能耗低的特点，能够满足物联网 环境下广域范围内数据交换频率低、连接成本低、适用复杂环境的连接需求 ，是一种理想的万物互联方式。 1.1 物联网产业发展对 LPWAN提出要求 根据 GSMA给出的数据显示，截止 2017年底，全球物联网连接数量达到 75亿， 2025年这一数字预计将会达到 251亿。产业物联网将成为接下来几年的增长主力。 图 1 2015年-2025年全球物联网连接数（10亿） 不同的产业有多样的技术需求， 无线网络连接方式有 局域 连接和 广域 连接两种， 局域连接方式主要包括 WiFi、蓝牙、 ZigBee等，是智能家居、穿戴设备、智能硬件等终端采用的流行网络技术；而在广域连接方面，通常是借助电LPWAN白皮书 5 信运营商提供的蜂窝网络， 基于 2G、 3G、 4G、 5G等方式为广域范围内 的物联网终端提供互联互通的可能，工业、交通、物流等行业都广泛采用蜂窝网络实现互联。 虽然，局域和广域网络均有成熟的方案，但实际上 仍然有大量 的需求是现有网络技术无法满足的，比如水、电、燃气等表计，市政管网、路灯、井盖、垃圾站点、停车场等场景，大面积的畜牧养殖和农业灌溉 等项目 ，环境恶劣的气象、水文数据采集等，此类终端若采用运营商提供的蜂窝网络，会出现以下问题。 表格 1 LPWAN场景采用蜂窝网络的弊端 信号覆盖 大部分设备布局在人口稀少、环境复杂的区域，存在运营商网络覆盖或信号强度不足的问题，无法保障数据稳定传输 。 功耗问题 很多设备没有持续电力供应的条件，主要通过电池供电方式，若采用运营商网络则需频繁更换电池，而更多恶劣环境下并不具备这一条件 。 经济性问题 此类设备仅需传输极少量的数据，且传输频次不高，而当前运营商网络是为高带宽而设计，采用这一网络不仅占有网络、码号资源，也会产生不少包月流量费用。 1.1.1 局域网和广域网络的短板问题 数百亿 的联网设备不能仅靠短距离和蜂窝网络完成连接要求， 我们都知道蓝牙 4.0具有极低的功耗，但它的有效距离最大只有 100米，而由于环境的变化这一数据会大打折扣，因此蓝牙只适用于非常近距离的场景需求中，比如设备的点对点 传输等； ZigBee的功耗表现也非常可取，并且能够自组网， 保障多个近距离设备数据不会丢失，但是它能够传输的有效距离有限，增加距离后需要部署密集的网关且通信效率会下降；而 WiFi虽然给人们带来流畅的网络体LPWAN白皮书 6 验，但使用 WiFi的设备功耗很大，大部分为 需要供电 的 电器类产品，而且其也是在局域范围内有效传输。 另外，虽然运营商的蜂窝网络拥有实现长距离通信的一些属性，但是采用蜂窝网络的设备功耗非常高，这一点从手机的功耗表现就可以有相应的推断。 我们将物联网设备所需要的连接技术按照功耗和距离建立一个二维矩阵，将物联网常用的连接技术放在矩阵相应位置，则会更直观的发现物联网通信层的这一短板。蓝牙、 ZigBee、 WiFi等局域通信技术基本位于矩阵的左下角区域 ； 蜂窝网络会处于矩阵的右上角 。 对于那些未来数以百亿级的设备联网 需求，这两类通信方式显然不能满足所有终端联网的需求， 物联网时代 大量低成本的设备分布 范围非常广泛，其数据采集和传输无法通过电源供电来支持，或者电源供电非常不经济，需要长时间的电池供电来支持，现有的通讯方式无法同时实现长距离和低功耗两种 需求。这就是下面矩阵图中右下角的部分，是物联网通信层的最大短板 。 图 2 物联网通信技术矩阵 LPWAN白皮书 7 1.1.2 低功耗广域网的完美介入 随着 大量设备的联网，物联网的产业化发展也逐渐进入了瓶颈期， 不少公司已开始行动且推动商业化的实现， Sigfox应该是行动最为迅速的，后续的LoRa、 NB-IoT、 eMTC、 RPMA等 LPWAN技术 也开始开疆拓土 。 以上 LPWAN技术可以完美的解决上述所提到的长距离、低功耗问题， 传输距离在复杂的城市环境中可以超过传统蜂窝网络，空旷地域甚至高达 15公里以上，且穿透性较强，很多恶劣环境下也有信号；支持窄带数据传输，网络通信成本极低；由于低数据传输速率，加上网络设计中引入多种节电技术，基于LPWAN设备功耗极低，电池供电可以支撑数年甚至十多年。 总的来讲，补齐物联网通信层短板的低功耗广域网络具有四个特点： 1） 超低功耗：海量的物联网终端由于无法实现电源持续供电，只能通过电池供电，要求最高可以达到 10年以上电池寿命，通信芯片和网络需要做到超低功耗； 2）更广覆盖：相对于目前的 2G/3G/4G网络，单基站的覆盖范围提升数十倍，通过增强覆盖，在很多恶劣的环境下可以实现较好的信号穿透，增加终端通信有效性； 3）超大连接：为实现海量物联网设备连接的需求，单个基站需要拥有数万个连接容量，相对于传统蜂窝网络，该容量大大提升； 4）低成本：相对于其他蜂窝网络芯片， LPWAN终端芯片设计大大简化，从而大幅度降低成本，模组、终端的成本也随之大幅降低，使得设备接入门槛降低。