物联网技术发展现状及广电网络的发展建议

1物联网技术发展现状及广电网络的发展建议物联网已成为我国政府重点规划的战略方向之一。李克强总理在2016年政府工作报告中强调要大力发展以物联网等为主的战略新兴产业，在2017年政府工作报告中又进一步要求“深入实施‘中国制造2025’，加快大数据、云计算、物联网应用的发展”；国家“十三五”规划纲要提出“积极推进物联网发展，推进物联网感知设施规划布局，发展物联网开环应用”。2017年1月，工信部发布《物联网发展规划（2016-2020年）》，提出到2020年，物联网总体产业规模突破1.5万亿元，公众网络M2M（机器到机器通信）连接数突破17亿个。随着物联网应用示范项目的大力开展，“中国制造2025”、“互联网+”等国家战略的推进，以及云计算、大数据等技术和市场的驱动，我国物联网市场的需求将会进一步被激发，我国物联网生态环境将进一步发展成熟，成为继移动互联网之后的下一个“风口”，成为我国新的经济增长点之一。一、物联网通信技术概况及主要应用领域按照信号的传输距离，物联网通信技术可以分为两大类：一类是短距离通信技术，代表性技术有Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等，在家庭和办公室等场景下具有广泛的应用，典型应用如智能家居等；另一类是近年国际上出现的一种革命性的广域物联网通信技术，总称为LPWAN（低功耗广域网），适用于每隔几分钟发送和接收少量数据的应用情况，如水运定位、路灯监测、停车位监测等等。一般来说，短距离物联网技术的终端产品低成本、低功耗，反之，长距离技术则是另一个极端，但是LPWAN技术具有远距离传输、低功耗、低运维成本等特点，与WiFi蓝牙、ZigBee等现有技术相比，LPWAN可真正实现大区域物联网低成本全覆盖。LPWAN网络可以覆盖一个城市、甚至一个国家，很容易将收集的数据集成到一个公共数据平台，如智慧交通、智慧城市、智慧工厂等，有利于大幅提高城市管理和社会公共管理的效率。在物联网发展多年之后，LPWAN是最具体的万物联网实现方式。因此特别受到产业链的追捧，正在兴起一波产业投入热潮。IDC在2016年发布的研究数据显示：2015年中国LPWAN市场的整体规模约为5.474亿元；预计到2019年，在各类物联网技术中，LPWAN的连接数将跃居首位。此2外，全球移动通信协会在2015年4月发布的研究报告《物联网的发展》中预测，2013-2020年，中国LPWAN物联网连接总数将会呈现指数级的增长态势，如图1所示。图1中国LPWAN物联网连接总数预测（单位：亿）如图2所示，Cisco公司在发布的报告IoTGlobalMarketValuation2020中预测，2020年全球电信运营商的物联网收入将达到14.4万亿美元。图2Cisco公司对2020年全球电信运营商物联网（包括固定物联网）市场体量的预测全球移动通信协会还定义了6种LPWAN应用分类：公共事业。天然气及用水计量，配水网络监控，微型发电。工业。设备状态，工厂控制、处理以及安全监控。物流。工业资产，集装箱跟踪(位置及状态更新)。智能楼宇。报警系统，制动器，空调系统，接入控制。消费品及医疗。可穿戴设备，家用电器，VIP（小孩或家养宠物）跟踪，智能自行车，辅助生活，临床远程监控。农业及环境。农业应用（养殖及土地监测、禽畜跟踪），环境监测（污染、噪声、雨、云、河水流速、健康危害、水井等的数据采集和实时监控）。二、低功耗广域物联网技术（LPWAN）发展现状及对比分析目前较受关注的六种LPWAN技术中，根据该技术所使用的无线电频段的性质可以分成两大类：第一类是授权频段（LicensedBand）技术，为3GPP主导的NB－IoT（窄带物联网）技术，基于现有4G移动通信网络，由通信监管部门指配专用频段开展物联网业务，又被称为“移动物联网”或“蜂窝物联网”技术，主要投入方为电信运营商与相关设备厂商。我国工信部计划于2017年出台NB-IoT的专有频率规划；第二类是非授权频段（UnlicensedBand）技术，包括SigFox、LoRaWAN、Weightless、RPMA、HaLow等等，由于可以使用与其他业务可共用的非专有频段，因此无需得到通信监管部门的许可，大部分不属于电信领域的ICT厂商都投入了这些技术，而其中最受关注、产业链最为成熟与完备的是LoRa技术。1、NB-IoT发展现状3近几年来，全球通信企业普遍面临市场饱和、增长乏力等问题，国内外电信运营商纷纷加快向万物互联和数字化经营的转型。在此背景下，移动通信业界从2015年8月开始加快NB-IoT的标准化进程。2016年6月，NB-IoT的第一个国际标准获得3GPP通过，结束了现有物联网行业在终端、网络、芯片、操作系统、平台等各方路径不一的“碎片化”现象。部署NB-IoT不需要重新建设网络（LPWAN网络需要架设网关（Gateway）或称为“基站”，但是电信运营商可以利用现有3G/4G基站资源），产业链也与现有电信网络产业的厂商一致，包括设备供应与网络服务都是现有的，利用现有的4G基站资源进行融合组网，可以最大化的提升现网资产利用率，提高边际收益。因此，NB-IoT被芯片商、模组商、设备商、移动通信运营商、部分垂直行业等产业链各方一致看好，有望在2018年开始大规模商用。除此以外，NB-IoT还具备以下4大优势：（1）广覆盖3GPP在2016年发布的TR45.820标准中，基于仿真数据对NB-IoT的覆盖性能进行了测算，结果显示：在独立模式部署方式下，NB-IoT最大空间路径损耗可达164dB。这意味着在同样的频段下，NB-IoT比现有LTE网络的覆盖能力高100倍左右。（2）低功耗NB-IoT通过多种节能技术的应用，包括空口信令简化（通过避免发送过多不必要的信令而达到节能目的）、PSM（节能模式）等，使得NB-IoT终端采用AA电池即能达到超过10年的工作寿命。（3）低成本NB-IoT采取了多种关键技术，包括可降低基带复杂度的180kHz窄带系统、可降低射频成本的单天线和半双工模式、可降低闪存/随机存储器要求的采样速率、单芯片里内置效率高的功率放大器等等来降低成本，随着市场发展带来的规模效应的逐步释放，NB-IoT终端模块成本有望进一步降低。（4）大容量NB-IoT基站的每个扇区能够支持10万个无线物联网连接，比现有LTE网络要高50倍。国际运营商积极推进NB-IoT的商用。全球范围内，基于NB-IoT的多种优势，并且有3GPP的主导与全球电信营运商背书，而且采用电信级网络与服务，不需要另外建网，产业链也与现有电信网络产业的厂商一致，被视为具有低功耗物联网时代霸主的潜力。目前在亚洲、欧洲、美洲等区域已开通实验网，预计到2018年全球至少超过30家运营商会投入营运。除移动通信行业应用外，电子制造行业如白色家电厂家也开始采用NB-IoT芯片进行智能家电类产品开发。4国内运营商计划于2017-2018年实现全网NB-IoT覆盖。2017年1月18日，工信部发布《信息通信行业发展规划（2016-2020年）物联网分册》，明确提出要加快发展NB-IoT。国内的三大通信企业均于2016年发布了其最新版的物联网业务发展规划：中国电信在2016年提出的“转型战略3.0”把发展重点聚焦于智慧家庭、物联网等新兴业务领域，计划在2017年实现全网的NB-IoT覆盖。中国移动在2016年对其2020发展愿景进行了扩展，提出“大连接”战略，明确要做大连接规模，由十亿级的移动互联扩展到百亿级的万物互联，计划在2018年实现全网的NB-IoT覆盖。中国联通在2016年提出打造增长新引擎，聚焦平台类业务及产业互联网，其中包括物联网，计划在2017年实现全网的NB-IoT覆盖。2016年11月，福建联通已经先行启动了中国首个NB-IoT商用网络建设。2、LoRa发展现状LoRa技术最初是由Semtech公司研发的，后来，Semtech公司和多家业界领先型企业，如Cisco、IBM及Microchip发起建立了LoRa联盟（截至目前的联盟成员数量已400余家），致力于推广其联盟标准LoRaWAN技术，以满足各种需要广域覆盖和低功耗的M2M设备应用要求，目前产业链最为完整和成熟。2016年12月2日，鹏博士、Semtech、中兴通讯、诺基亚上海贝尔、中科智城、唯传、云帝斯、信长城技术研究院等又发起成立了中国LoRa应用联盟。LoRa目前的芯片成本约为1美元，模块成本约为5美元，终端模组约为30元，基本满足了业界对低功耗广覆盖物联网技术的要求。截至目前，已经有17个国家公开宣布LoRa建网计划（大多是非电信运营商），超过120个城市已有运行网络，国内也从2016年开始有了小规模的LoRa商用。值得一提的是，鹏博士对LoRa持积极态度，将在国内200多个城市的10000个基站上部署LoRa网络，还提出构建LoRa家庭物联网生态，基于鹏博士云网、骨干网、物联网接入网能力打造家庭全连接网络，实现产业闭环。不过，LoRa在目前400多个联盟会员中，芯片厂商算是相对弱势的一环，LoRa虽然也积极与芯片商合作，但其核心技术掌握在发起厂商之一的Semtech身上，芯片厂商要合作通常只能以MCU（微控制单元）搭配Semtech的通讯芯片，或者推出模块的方式。从国内的应用现状看来，LoRa的运营还存在以下三大问题：一是国内产业链比较松散。虽然在国外，LoRa技术是目前物联网LPWAN技术中产业链最为成熟的技术，但是国内的应用仍有待规范。目前，国内已有众多厂商的LoRa设备可支持窨井盖监控、停车位监控、气表/电表数据上报等应用，但这些设备普遍未使用LoRaWAN协议，而是厂商自定义的MAC层协议，长此以往，将不利于LoRa产业的5发展扩大。因此还是需要进一步推广LoRaWAN标准，推动国内的LoRaWAN一致性测试，建立符合LoRaWAN认证的产品授权机制。二是标准松散带来的规模化不足。目前，国内的LoRa应用普遍为单个垂直行业的应用，而且网络规模较小甚至很小，一般是由1个公司提供端到端的LoRa设备，各个厂商的设备尚不具备一致性，且网络服务器的功能和性能要求也较低。但是，规模化的LoRa网络运营需要通过LoRa网络服务器接入各个不同厂商的设备。三是国内工作频段可能受限。LoRa是非授权频段技术，在欧洲的频段为433MHz频段和868MHz频段，在美国的常用频段为915MHz频段。而国内目前中国LoRa应用联盟（CLAA）推荐的是470~510MHz，LoRa产业链支持的频率情况如表1所示。《中华人民共和国无线电频率划分规定》明确“多种业务共用同一频带，相同标识的业务使用频率具有同等地位；遇有干扰时，一般应本着后用让先用、无规划的让有规划的原则处理；当发现主要业务频率遭受到次要业务频率的有害干扰时，次要业务的有关主管或使用部门应积极采取有效措施，尽快消除干扰。”因此，在国内使用LoRa建设物联网的前提就是不能对当地已在表1所示频段中运行的其他业务：如无线广播电视、水上移动业务、航空无线电导航业务产生干扰，保证该频段足够干净，且必须满足最大发射功率的限制。表1国内LoRa的射频参数3、LoRa与NB-IoT的对比NB-IoT（窄带物联网）基于电信运营商的移动蜂窝技术，使用电信级网络，对于网络质量、讯息安全都有高度的保障，因此需要进行收费运营，什么样的服务消费者会愿意付费，目前仍在探索合适的商业模式。虽然一般预测2018年以后才会是NB－IoT技术大显身手、领导LPWAN市场的时间，但是一旦具备成熟的商机，产业链将立即准备妥当，产业爆发指日可待。LoRa则是利用非授权频段，使用户可以甩开运营商，自主建网，可以让企业搭建属于自己的网络实现业务运营，也拥有最多的厂商支持。从技术上看，NB-IoT和LoRa两者之间差异不大，各具特点，例如：标准化程度。NB-IoT和LoRa均得到了标准组织支持，标准化程度较高。设备功耗。NB-IoT和LoRa终端设备在理想状态下均可实现10年左右的电池使用寿命，LoRa在发射功率方面更低，NB-IoT则具有更好的节能