物联网:NB-IoT难当大任,中国呼唤新物联网标准

NB-IoT是以中国运营商和设备供应商为主提出的一种LPWAN(Low Power Wide Area Network, 即低功耗广域网)。

NB-IoT是以中国运营商和设备供应商为主提出的一种LPWAN(Low Power Wide Area Network,即低功耗广域网)。从去年开始,国内运营商和设备商开始在国内大规模推广NB-IoT,但到目前为止发现了很多问题,市场进度也不太理想。这种反差让我去深入了解了下情况,于是在几天前写了篇文章,表达了我的观点:NB-IoT定位很鸡肋,基本没有推广的必要。

这篇文章在我的百家号和头条号里发布,评论两极分化,有赞同的,更多是反对的。反对的一方言辞一般都比较激烈,但他们的评论缺少有证据的质疑,倒看到他们激动和愤怒的情绪。我能够理解这些人,因为NB-IoT这种我国主导的标准可能承载了他们太多的感情,所以我并不介意他们的言论。

但我相信我的结论,因为它基于逻辑和事实。需要强调的是,我并没有否认NB-IoT是有着自己的创新的,它降低了终端的功耗,提高了信号的有效覆盖范围,并且可以共用现有移动网络的基础设施,但这种优势是相比传统蜂窝技术标准2G、3G、4G等来说的,比它们更加适合低频数据传输的场景,但并不是说在某些方面胜过他们就是一个好的物联网技术。

所以,我想今天再写一篇文章,解释得更加清楚些。

NB-IoT是一种无线网络通讯协议,基于蜂窝技术,但针对物联网应用做了优化

NB-IoT是一种无线网络通讯协议,负责数据的传输,能够完成相同功能的无线通讯常见协议还有2G、3G、4G、5G、WiFi、LoRa、蓝牙、Zigbee、Zigwave等等。

NB-IoT和2/3/4/5G等同属蜂窝技术,但跟他们比起来,优化了通讯协议,使其更加适合部分物联网应用。物联网设备,最重要的指标可能就是功耗了,NB-IoT与其他蜂窝技术相比,就是在这方面下了功夫。例如对于物联网应用来说,由于不需要一直在线,所以可以在需要的时候连接网络,平时不连接的时候就只要休眠就好,这可以有效地降低功耗;机器休眠了就要有唤醒机制,所以需要接收端或者发射端监听对方的信号,如何设计这个监听和相应方式也对功耗非常重要;传输协议也跟功耗相关,例如TCP协议,这种协议是面向连接的,为了保证连接的可靠性,所以需要三次握手,这增加了连接的时间,当然也增加了功耗,但UDP协议就不需要,因此单次连接功耗更低;无线通信中,发射功率和接收灵敏度对无线覆盖的距离有较大的影响,在相同的覆盖距离中,尽可能地降低发射端的发射功率和提高接收端的接收灵敏度也是降低功耗的一种重要手段,可以从调制方式、扩频等方面做工作;现实的环境相当复杂,需要无线电波有一定的越障能力,波长越长,频率越低,越障能力越好,实际中相同的发射功率的情况下覆盖距离越长,因此,低频的无线电波在覆盖相同距离的情况下功耗可以更低。以上是主要的无线通讯在功耗优化方面可以下功夫的地方。

NB-IoT基于蜂窝技术,需要复用2G等的基础设施,虽然做了一些改进,降低了功耗,比2G等更适合物联网的应用,这个无可否认,但它在物联网方面应用与他的同门师兄弟比起来优势足不足够大?有没有其他成本更低、功耗差不多甚至更低的技术能够替代它?这是有很大疑问的。事实上,NB-IoT在上述两方面都缺少说服力。

NB-IoT与2/3/4G等比起来优势够大吗?

NB-IoT最大的优势之一就是能够和人们常用的无线蜂窝移动网络共用部分硬件和其他基础设施,而这些无线移动网络运营商也有现成的宝贵的频谱资源,所以,NB-IoT网络很适合移动运营商来建设。在最好的情况——现网RRU已经具备支持NB-IoT协议的情况下,也是需要增加基带板和光纤;如果现网设备不支持的话,除了增加基带板和光纤或者馈线/跳线外,还需要增加射频硬件、天线等,这个成本算起来不算高,但问题是,现网2G等网络的硬件已经到位了,不需要另外增加,他们也是能够承担数据传输的任务的,甚至速率更高,而且,如果终端使用2G等模块,数据传输的功耗并不比NB-IoT高多少。

有人也许要说NB-IoT有睡眠机制(如PSM模式),2G等蜂窝技术没有,但可以通过平时关机,需要传输数据时自动开机(加个低功耗MCU就可以啦)也可以达到类似的功耗效果;有人也许进一步要说,如果2G频繁开关机,网络搜索要消耗更多能量,但请记住,NB-IoT也不适合数据传输频繁的场景,NB-IoT终端在唤醒时,功耗也不比2G等模块开关机小多少(主要在于信令开销NB-IoT要比其他蜂窝技术少些),所以,两者的实际表现差不多。从功耗表现来看,NB-IoT与设置了自动开关机机制的2G等模块相比,功耗表现并没有提升多少,相差不大。

有人也许要说NB-IoT接收灵敏度更高(与其他蜂窝技术比,提高20db),覆盖更好(覆盖能力提升100倍)。看起来挺不错的,暂不论如何实现这样的灵敏度的提升(是以牺牲其他性能为代价),我们的现实是,2G等网络已经铺设好了,NB-IoT却需要添加新的设备甚至新建,现在要比覆盖和成本的话,2G等网络完胜。

有人也许要说,同频段下,NB-IoT可支持的连接数要比2G等要多得多,这对海量的物联网设备来说很重要。但仔细看小区支持的连接数就会让人头晕,有说一个小区50K,有的说一个小区100K,200K一个小区居然也有人敢说。实际上,你不能说他们撒谎,事实上,我可以说一个小区支持1000K连接都可以,为何?在PSM深度睡眠的模式下,无论多少物联网连接,你保证在一段时间只有数百个终端醒着就行了,是不是很酸爽?实际测量中也只能支持800个以内的工作连接,再多的话,它就拥塞得一塌糊涂(拥塞控制算法还不行啊)。和其他蜂窝技术相比,用户容量并没有太大的差别。2G等终端在关机的状态下也不占用用户容量,因此,按照NB-IoT的说法,2G等终端也可以支持一个小区50K、100K、200K的连接数!

如果考虑成本的话,2G等蜂窝网络的覆盖已经非常完善,不需要新加成本,模块成本也更加成熟更低,NB-IoT更谈不上有什么优势了。

所以,结论出来了:NB-IoT与2/3/4G等比起来实际优势不光不大,很多方面似乎还不及。

有没有比NB-IoT成本更低、功耗类似甚至更低的低功耗广域网(LPWAN)?

NB-IoT的成本相比其同门师兄来说,主要吃亏在前者需要新添设备,后者覆盖已经非常完善,不需要增加覆盖成本,在功耗上、连接数上由于针对低速率数据和低频数据传输的物联网典型场景做了优化,前者还是比后者有一定的优势的,虽然如上段所说,优势并不大。但如果大家都新建的话,用在物联网领域NB-IoT肯定比它的同门师兄们要更有优势些。

但是不是新建网络的话,就没有比NB-IoT更有优势的物联网通讯方案么?答案当然是有。

NB-IoT背负了家族的物联网重任,但正因为是出于同一个家族,它继承了家族的一些特点,例如良好的QoS,但蜂窝网络需要同步、线性发射器的峰值电流较高等也被NB-IoT继承下来了。而LoRa因为没有那么多的历史包袱(当然也深受老大哥SigFox影响,但由于SigFox本来也是针对物联网场景设计的,所以,不算大问题),可以更好地按照物联网的场景去设计其特性,例如采用线性扩频技术提高抗干扰能力从而提高覆盖能力等。所以,在相同的覆盖距离下,LoRa的功耗相比于NB-IoT好了很多。在智慧停车应用中,相同的电池容量,LoRa模块差不多能够支持12-18个月,NB-IoT差不多只能支持4-6个月。

成本上,NB-IoT由运营商部署了网关(基站),用户只需要支付服务费用和购买终端的费用;LoRa一般由用户自己布网,需要采购网关、终端,不需要支付服务费。前者由于运营商补贴,用户的终端成本基本和LoRa的终端成本差不多,平均来说,LoRa更低些。LoRa的网关成本稍高些,但考虑到一般自己部署LoRa网关的用户,终端数量都很多,摊薄下来就不高了,而NB-IoT还需要每月支付服务费用,对于大量终端来说,这可是很大的一个成本。终端的电池也是一个很大的开销,在硬件的生命周期内(按5年算吧),如果按照上段提到的停车应用来看,NB-IoT要更换12-15个电池,LoRa只需要更换4到5个,电池成本就有很大的差距,不要谈由此带来的维护成本了。因此,最后算起来,LoRa的成本一般是更有优势。

因此,现阶段看来,LoRa相比于NB-IoT是有一些优势的,所以国内阿里巴巴、腾讯等都加入了LoRa的阵营。但LoRa也存在自己致命的问题——它的频段,为了追求更好的越障能力,LoRa使用的是sub-1G的频段,这个频段是非授权频段,在某些国家更是被用于特殊用途,因此使用起来可能面临着合法性和稳定性的问题。我国的无线电管理局刚刚出来的《微功率短距离无线电发射设备技术要求(征求意见稿)》如果一旦付诸实施,无疑是对LoRa宣判了死刑,除非LoRa更改其工作频段。

LoRa由于频段被限,无法被大规模使用,因此,国内实际上并没有NB-IoT的竞争对手。但遗憾的是,NB-IoT推广了一年多,虽然运营商有诸多补贴,市场反响依然不激烈。可见,NB-IoT很难担当起繁荣中国物联网市场的重任。

中国需要新的、更低功耗、更适合中国的物联网标准。对于这一点,其实我一点都不担心,因为我知道正有一个新的物联网传输协议正在设计中,一个超低功耗的物联网SoC芯片也流片成功等着量产了。

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