谭华 林克 吴飞

中国电信股份有限公司广州研究院，广东 广州 510630

在物联网领域，同时存在着各种各样的通信技术。按传输距离的维度来划分，在局域无线网络范畴内，有广泛应用于可穿戴、家庭、企业等场景的BLE、Wi-Fi、ZigBee、sub1G等；针对广域无线网络，有专门应用于低速率、低功耗、广覆盖物联网业务的LoRa、NB-IoT、eMTC等。根据市场研究机构Gartner的最新数据显示，到2025年，所有物联网连接中的72%将使用Wi-Fi和ZigBee这样的短距离传输技术[1]。而包含Sigfox、LoRa和NB-IoT等技术在内的低功耗广域覆盖网络，在2025年将占据11%的物联网连接[1-3]。

工业和信息化部要求三大运营商到2020年建设NB-IoT基站要达到150万，总连接数超过6亿。鹰潭成为NB-IoT领域产业圣地，电信运营商、设备商、部委、媒体和IDC企业蜂拥而至，寄予了很多的期望；芯片厂家海思、中兴微电子、高通以及众多模组厂商已经做好准备，三大运营商组织厂家的模块与终端进行测试，也升级了各自NB-IoT物联网平台；华为发布过十二大全球示范应用：共享单车、白色家电、物流、奶牛监控、智能烟感、智能门锁、宠物跟踪、智慧路灯、智能停车、智能水表、智能气表、智能电表。但总体来说，经历2017年、2018年两年，NB-IoT在商业模式没有取得本质上的突破，模组的成本仍旧相对来说还是很高，都在期待政府政策补贴的项目和电信运营商终端补贴，客户一次性大规模的投入太大，买单和支付意愿还比较低。

1 Lora与NB-IoT规模发展存在的问题

2017年国内运营商NB-IoT连接激活数约100万，LoRa连接数约266万（主要是采用小流量抄表业务）；2018年华为目标NB-IoT芯片能突破1000万，而LoRa预计国内芯片至少654万以上。在智能农业、智能物流、智慧城市和智慧楼宇等方面都有应用。

NB-IoT在经历了两年的蓄力期后，在芯片、网络建设、通信模组、行业应用等全产业均得到了长足的发展，还是没有大规模级应用进入商用阶段。芯片厂家与运营商还是需要时间来解决技术与网络覆盖等问题解决。LoRa作为另一款成熟的低功耗广域物联网技术，在当前仍有1-2年的时间窗口满足当前的市场需求。LoRa产业落地方面没在龙头企业，阿里等一些互联网公司都在围绕平台在布局，而做行业方案的公司一般都只盯着井盖、停车、烟感等通用场景或者基于私有协议做无线抄表。

1.1 LoRa和NB-IoT的对比

在频谱组网方面，LoRa和NB-IoT选择了不同的频段。NB-IoT使用了授权频段，中国电信把NB-IoT部署在800MHz频段上，而中国联通会选择900MHz，中国移动则可能会重耕现有900MHz频段。而LoRa主要在全球免费频段运行，包括433MHz、868MHz、915MHz。“由于LoRa是工作在免授权频段的，无须申请即可进行网络建设，网络架构方便简单运营成本也低[4]”。

在硬件成本方面，LoRaWAN模块的总体成本在3美元左右，约为NB-IoT等蜂窝LTE模块价格的一半。而NB-IoT网络的复杂性越高，知识产权相关方面费用更高，相对而言LoRa的成本更低[5]。

在部署方式方面，LoRa需要单独设立网关，而NB-IoT直接连接LTE网络基站，依赖于运营商的基础设施。对于LoRa来说，自行组网增加了建设的灵活度，但是会比NB-IoT增加网关硬件，如果未来网关数量巨大，硬件管理会有困难。

在底层硬件产权方面，LoRa技术只是Semtch公司的专利，而NB-IoT由于参与制定者众多，因此芯片供应商中少不了英特尔、高通、华为、中兴微、Nordic、美满、MTK、RDA等公司。

1.2 Lora规模发展存在主要问题

LoRa技术由Semtech公司推出，定位低速率应用，LoRa技术具有远距离、低功耗、互操作性、低成本、安全、大容量和可定位的优势。从目前的应用趋势来看，LoRaWAN被部署在全球超过60个国家和地区，成立于2015年的LoRa联盟拥有超过500家成员[6]。

在应用方面，LoRa技术在频频发力，ofo正在将LoRa器件和无线射频技术（LoRa技术）使用在其单车中，以补充其授权频谱连接选项来实现完整的网络连接。研华科技也采用集成LoRa技术的Wzzard LRPv节点和SmartSwarm 243网关来扩展无线产品线。云服务供应商奈伯思（Netvox）在不到6个月之内就成功地将LoRa技术引入到其受欢迎的8种智能楼宇传感器中[6]。

非授权频谱组网。LoRa在非授权频谱上工作，NB-IOT使用授权频段，电信运营商在防护频段、4G LTE频谱或者独立网络中部署NB-IOT。去年底无线电管理局发布《微功率短距离无线电发射设备技术要求》的技术争议，引发对LoRa在国内的前景担忧，受限的使用环境和未来不确定的政策风险影响了市场的信心。目前LoRa联盟已将CH470规定为中国地区使用的LoRaWAN标准频段。从实际项目来看，目前大家没有太关注频段的问题，先发展业务是核心。政府如果有一个明确指导性文件出来，无疑对整个非授权LPWA市场都是利好的。

芯片自主可控。LoRa芯片核心IP只属于美国公司Semtech一家所有，在贸易战的背景下，芯片自主可控是现在及未来的主基调。目前Semtech在全球给很多厂家提供硬IP授权，但不提供软IP授权。软IP授权，相当于把源代码授权给合作伙伴。

1.3 NB-IoT规模发展存在的主要问题

(1)技术方面。最初的芯片不支持MQTT达不到所宣称的低功耗等问题，阻碍了行业客户的应用落地。目前大规模商用的稳定性也需要实际生产环境中进一步验证。

(2)网络覆盖。网络有优化存在巨大工作量，NB-IoT网络需要像现在4G网络一样的做全面深度的覆盖。目前三大运营商基本都是在主要城市的城区覆盖阶段，何时能够实现深度或者区县级、村级覆盖？这个事情需要时间与资金，以及可持续运营的环境。

(3)成本问题。行业上下游还未进入大规模量产阶段，芯片模块的成本相对较高，只有规模量产成本才下来，企业才会规模采购。现有2G模块成本是15～20元，NB-IoT约30元。最近联通物联网公司刚刚招标的300万模块，最低中标价格已经降到23元/套。

2 LPWAN与蓝牙等局域网的竞合关系

2.1 LPWAN对蓝牙等局域网组网的替代关系

目前，随着NB-IoT、LoRa等新型LPWAN技术的逐渐成熟，对蓝牙、Zigbee等传统局域组网的物联网技术已产生了较为显著的替代式影响。主要表现为LPWAN对现有局域网组网基本技术需求的同质化满足，以及LPWAN带来的更多优质高效的服务能力与体验。据研究机构ABI Research的最新市场研究报告预测，在公用事业、工业制造、能源管理和智慧农业等垂直领域，LPWAN正全面威胁着传统的无线局域组网方案[7]。

首先，从海量物联网的基本应用场景需求来看，可以一般性地归纳为以下诸方面的技术要求，中低传输速率、联网与组网简易性、网络稳定性、低功耗特性、低成本特点、产业链成熟度等。对于目前较常见的应用了WiFi、蓝牙、Zigbee等技术的智能家居、智能安防、智能传感等物联网场景，大部分均具有对网络速率要求不高、时延要求不严格、传输数据量较小，但对低功耗有较高要求的特点，LPWAN正是能够实现对该类中低速的海量物联网场景，提供了低速如NB-IoT、中速如eMTC等类型的低功耗替代技术。在网络部署与运行方面，LPWAN由运营商第三方运营机构提供网络建设及长期稳定的运维服务，使用者即开通即用，能确保更优的联网简易性与网络稳定性。更为重要的是，作为一项新兴技术，LPWAN产业链在目前已成长至相当成熟阶段，无论是从芯片模组到网络平台再到产品应用，每一产业环节都呈现出较为充分的行业竞争。比如已有数十家NB-IoT芯片提供商、已达近百家数百款型的NB-IoT模组，因此，无论是低成本特点或是产业链成熟度，在很多场景需求下均也达到了对现有局域组网技术的替代的基本要求。综上，LPWAN对现有局域网组网基本技术需求已可实现同质化替代。

此外，新兴的LPWAN技术还比传统局域网技术具有更多优质高效的服务能力与用户体验。事实上， LPWAN生来即是为满足海量物联网连接的。而目前应用广泛的WiFi、蓝牙则是为计算机和消费电子场景而提出。无论是在联网组网的简易性方面、在网络覆盖广度深度方面、在满足海量物联网终端设备接入的能力方面，或是在低功耗的技术特性设计方面均具备更加显著突出的优势。目前，海尔、海信等家电制造企业正在投入对白色家电进行NB-IoT技术化改造的研发中，以期通过更加稳定可靠先进易用的LPWAN技术，来解决现有智能家电（WiFi联网）联网在线率偏低的窘境难题。

2.2 LPWAN与局域网的互补关系

LPWAN对局域网的替代更多是体现在主要核心的技术特点，但从纷繁多样的物联网应用场景来看，两者更具有互补的关系。

客观来讲，广域的LPWAN虽整体优势显著，但传统的局域组网技术毕竟具备更为成熟的应用普适性与终端硬件成本，并且也在不断适应物联网新需求进行技术优化升级。以WiFi、蓝牙为例，其在人与物互联场景、家庭局域环境、手机适配互联场景等方面具有更优特性。对于物联网这样一个多样化多形态的规模化应用市场，每一种技术均具有合理性，都能在某一类特定的应用场景需求下发挥最大的价值。这些个性突出的不同技术，也让研发设计者可以更随心所欲地从终端客户需求出发，在网络特性、产品成本、电池寿命、业务方式、覆盖距离之间找寻技术方案的平衡点和最优方案。

一方面，LPWAN在联网简易性、广域覆盖性、海量接入性、小数据传输性、长期运维稳定性等方面具备局域组网技术所欠缺的突出特点。比如，对于公共服务类的水、气等智能抄表，其传输数据小频度低、城市级广泛覆盖，相当适合使用NB-IoT技术进行广域的连接；对于使用蓝牙通信的智能可穿戴产品，其传输路径往往需要经手机再连接上网络和平台来实现。而eMTC技术的商用，将以一跳式即开通即用的联网方式将带来更优的用户体验。

另一方面，局域网络技术解决方案也在不断提升竞争优势，在Mesh组网、越低成本芯片、普适通用性、与手机等互联的天然支持性、应用场景成熟度、具备更高传输速率等方面，体现新兴的LPWAN所不具备的优势[8]。目前来看像小米、阿里、华为智能家居生态体系中，WiFi、蓝牙、Zigbee仍是主力军占据了90%以上的应用场景。比如使用WiFi的家庭可视监控摄像头、AI智能音箱、使用蓝牙的智能电子秤、使用Zigbee的家居安防告警类产品，等等。可见，局域网技术在物联网场景下的应用仍旧是丰富多彩且正当主流。

综上，LPWAN与局域组网技术，一个是新生变革，一个是成熟主流，各具特色各有千秋，在当前物联网规模化爆发前夕，两者的互补效应将远比替代效应更为显著。

3 BLE、ZigBee与NB-IoT、LoRa混搭融合组网方案

3.1 混搭模块方案

把BLE、WIFI、Zigbee等局域技术与NBIoT、LoRa等广域技术在芯片或模块层面混搭。

初创公司Pycom是一家多模物联网通讯开发板和模块制造商。创客们能够借助于Pycom的新型硬件，运用多种技术快速设计并连接设备，包括近距离通信技术Wi-Fi和BLE;LPWAN通信技术LoRa、Sigfox、NB-IoT和Cat M1等。

Telit推出了LoRaWAN协议与BLE的组合模块，新模块完全符合最新的LoRaWAN标准，是公共或专用网络、智能表计、遥感、工业自动化监测与控制、无线报警与安全系统、农业、资产追踪、街道照明和智慧城市应用的理想解决方案[9]。

寻息电子也推出了蓝牙+LPWAN位置服务系统，通过iBeacon实现近场各类感知数据的采集，通过LoRaWAN将传感器采集数据进行回传。

针对定位服务，以前的方案往往使用GPRS+GPS，而LoRa+BLE双模SiP一体化组合芯片，使得BLE短程技术与低功耗的LoRa混搭，提供远距离的数据连续性，两项技术均为低功耗，无须频繁更换电池。

LoRa+BLE双模SiP应用在烟雾传感器中，将其作为室内锚点，LoRa负责远程设备管理通讯，BLE负责定位导航，长短距离通讯。

3.2 融合网关方案

我们提出融合网关的技术方案，通过低功耗广域网络和局域网络之间的互补实践带来更好的物联网连接方案。蓝牙与NB-IOT融合网关的技术方案，可以将蓝牙与NB-IoT网络的优势融合发挥出来。蓝牙5.0中通信距离提升4倍通信速率2倍广播包的数据承载量提升8倍。

蓝牙BLE将小型无线设备连接到任何需要的物理位置，创建一个集成的短距离网络，无须更换电池即可长时间工作，并可通过智能手机或平板电脑随时随地进行控制。蓝牙允许无须配对接受信标实现连接传输，将可能实现纽扣电池供电工作一年以上，蓝牙5.0使IoT和智能家居设备在更广的范围内来进行彼此沟通。

NB-IoT技术相较于WIFI无线连接技术具有明显覆盖优势，可以解决空调、冰箱、热水器等所处的边角地带信号不良的问题，甚至是地下室等WIFI盲区，基本保证相关环境无覆盖盲区。融合网关可以连接传统的蓝牙智能终端，通过运营商网络直连到云平台，开机激活一次即可自动完成配置连接。在连接手机等移动终端时，通过手机扫秒空调上的二维码，一步即可完成绑定，实现远程操控。

以智能家电产品为例进行分析。空调通过蓝牙与网关连接，网关通过NB-IoT与互联网平台进行连接，利用蓝牙解决在传统空调应用中配置的难点，同时又克服了WIFI等短距离技术需要用户自己进行配置，匹配过程十分烦琐要经历手机APP下载、账号注册登录，以及设备匹配等诸多步骤的不足[10]。

4 结语

基于NB-IoT网络，中国电信在智能水表、智能气表、电表方面进行了试点与推广，如全球第一个NBIOT水表的案例“深圳水务智能项目”，就是广州研究院支撑完成，当前在移动支付、实时定位、新零售、工业4.0、智慧物流、智慧城市、智能家居等领域均有相关产品的研发，具体的产品包括有智能抄表、消防探测、智能消防栓、智能门锁与门禁、智能空调、智能净水器、智能洗衣机、智慧路灯、共享单车、智能停车场、定位跟踪、车联网等，充分发挥了NB-IoT网络低功耗、大连接、低成本特点，部分应用进入到规模化推广。

下一步，如采用混搭模块或融合网关方案，在推广普及智能终端业务中有独到的优势。部分模块厂家（含NB-IoT和LoRa）和平台厂家也开始做端到端的方案，物联网方案的初创公司也特别多，建议物联网应用方向的选取上，重点要考虑以下三点。

(1)聚焦垂直行业。各个行业需求都不一样，结合自身的资源优势，选择潜力足够大、规模足够大的行业切入。

(2)提供场景化方案。理解客户的应用场景，挖掘客户需求痛点，专注于对客户有绝对价值、客户有强烈意愿买单的方案，解决实际问题；

(3)提供从芯片、模组、传感器、通信基站到云端平台，一体化、端到端的一站式物联网服务，方案标准化、平台化，不断迭代提升。