Wi-SUN、LoRa与NB-IoT简介与技术对比

2021-09-08 16:36:17 vaico 18

低功耗广域网(Low Power Wide Area Network,LPWAN)是为了因应物联网(Internet of Things,IoT)远距离通讯需求而产生的技术,具有高覆盖、低功耗和广域连接等特性。

而Wi-SUN、LoRa、NB-IoT均为LPWAN技术之一种,其中又可以分成授权频段(License Band)与非授权频段(Unlicense Band)。在授权频段方面以3GPP (3rd Generation Partnership Project,第三代合作伙伴计划)所主导的NB-IoT技术为主,其采用现有的3G、4G网络,主要投入的厂商包括电信营运商以及相关的设备厂商;而使用非授权频段的技术则处于遍地开花的情况,主要技术为Wi-SUN、LoRa等。

无线连接技术有多种选择,且无线协议本身都有显著的不同,但最适用于公用事业、智慧城市和工业物联网的三种协议是Wi-SUN FAN(Field Area Networks)、LoRaWAN和NB-IoT(LTE Cat-NB)。以下就针对这三种技术进行介绍与比较分析。

Wi-SUN、LoRa与NB-IoT简介

Wi-SUN(Wireless Smart Ubiquitous Network)联盟成立于2012年,是基于IEEE 802.15.4g、IEEE 802和IETF IPv6标准的开放规范。Wi-SUN联盟有250多家会员,它们共同推出了150多种Wi-SUN认证产品。

Wi-SUN FAN是一种网状网络协议,网络中的每个设备都可以与相邻设备通信,这使得它的讯息可以在网络中的每个节点之间进行非常长距离的跳转。Wi-SUN FAN是专门为更大范围的端点设计的,这些端点更适合被应用于户外、长距离传输。Wi-SUN FAN具有自组网(self-forming)功能,可以轻松地将新设备添加到网络中,同时具有自我修复(self-healing)功能,如果一条路径断线,网络将自动重新路由到网关。目前Wi-SUN联盟会员们在全球已部署超过9500万个支持Wi-SUN的设备。它使智慧电表、智慧路灯等设备能够连接到一个公共网络上,在公用事业和智能城市应用中被广泛应用。

LoRa是美国半导体制造商Semtech并购的法国公司Cycleo所开发的无线通信技术,在这个基础上与IBM合作完成规范,并由Semtech、IBM、Cisco为核心所组成的LoRa联盟推动相关发展,目前拥有400多家会员。

LoRaWAN是在Semtech拥有的专有LoRa无线电设计的基础上构建的公共规范,从端点到端点的角度来看,它并不是完全开放的,而且迄今为止,Semtech只开放了有限的知识产权,LoRaWAN的供货商生态系统确实各不相同,这意味着设备和设备不能保证可完全相互操作(interoperable)。

NB-IoT也被称为LTE Cat-NB,是由国际电信标准制定组织3GPP所支持,针对IoT所打造的电信级网络,NB-IoT出现在3GPP的R13(Release 13)规范中,由3GPP进行主导加上三大电信设备商诺基亚(Nokia)、爱立信(Ericsson)、华为(Huawei)支持,无须布建新的网络,可以利用软件升级的方式,目前在亚洲、欧洲、美洲等区域已经开通实验网。

Security 安全性

在安全性已经成为物联网讨论重要部分的今日,Wi-SUN FAN提供经验证的企业级安全认证,其关键区别在于本地公钥基础架构(PKI,public-key infrastructure)集成,它为网络上的每个设备提供安全认证功能。这可以确保设备不会被恶意修改程序,因而证明传入的韧体更新是系统认可的。这对于将要被布建在户外数年甚至数十年的设备尤其重要。

另一个特性是对IPv6与相关网络安全特性的支持,如入侵检测、流量塑形、网络分析和渗透测试等。这使得Wi-SUN FAN能够更有效地抵御DoS (denial-of-service,拒绝服务) 攻击。

虽然LoRaWAN和NB-IoT有很多方法可以做到上述这些,但是在规模上,Wi-SUN FAN的生态系统由于有公开标准作为基础因而更加容易达到,其生态系统获得芯片供货商,软件公司和安全专家的大力支持。

Ecosystem 生态系统

健康的生态系统对于网络标准的成功非常重要。在推广联盟的支持下,生态系统应提供大量可互操作的产品,广泛应用于物联网中。

Wi-SUN FAN,Wi-SUN联盟由250多家成员公司组成,成员包括芯片和产品供货商,软件公司,公用事业,学术机构,政府机构和监管组织。每个成员产品皆通过一系列针对互操作性的测试和认证计划,健全Wi-SUN生态系统。

LoRaWAN,LoRa联盟拥有400多个成员,芯片厂商算是相对弱势的一环。LoRa虽然积极与芯片商合作,但其网络核心技术还是掌握在发起厂商之一的Semtech身上,芯片厂商要合作通常是以MCU搭配Semtech的通讯芯片,或者以模块的方式推出。且尚不清楚每个成员的产品在该生态系统中的可互操作性。此外,市场上出现私有LoRa设备使情况变得更为复杂。

NB-IoT,尚未发展一个成熟的供货商生态系统。

Power Efficiency 电源效率

在物联网规划中,LPWAN通信协议使以电池供电的设备部署能够持续使用多年而无须更换电池以减少人工维护成本。然而电池的使用寿命是三年还是十年决定于通信协议的选择与发送讯息频率的要求,且较低的功耗通常被迫在设备功能上做出妥协。

Wi-SUN FAN,设备可设计用于频繁(间隔10秒)低延迟通信,休眠时小于2μA,接收时约8mA,发送时+10dBm小于14mA。低延迟功能支持实时指令(on-demand commands),而不是等待设备唤醒并从网络接收或发送消息。

LoRaWAN,设备通常可设计用于不频繁的通信(128秒间隔),休眠时为2μA,但在接收时12mA,比Wi-SUN FAN多50%。更长的延迟意味着更少的实时指令(on-demand commands)能力。

NB-IoT,NB-IoT设备是为不频繁通信而设计的,相对功率消耗要大得多。峰值电流为120-300毫安,睡眠电流约为5μa。

Scalability 可扩展性

网络的可扩展性是规划物联网时一个重要考虑因素,像是能够将新的产品如环境监测器、智慧照明设备与智慧计量表添加到网络中。

Wi-SUN FAN,Wi-SUN的网状网络可以在设备容量和数量上进行扩展,其较高的带宽使其更容易在未来添加更多的高流量传输需求的产品。Wi-SUN FAN网络可兼容数百万台设备,随着节点的增加,可靠性亦随之提升。Wi-SUN FAN在城市和郊区的网络布建表现良好。

LoRaWAN,在初始网络布建时进行扩展可能需要增加新的网关,或者在一开始就过度配置网络设备因而付出过多潜在成本。此外,在人口密集城市环境中,众多LoRaWAN接口设备将互相干扰。

NB-IoT ,电信营运商推广时程是采用NB-IoT的最大限制因素。客户必须等待网域覆盖完成,参照先前布建3G和4G的经验,推广时程可能会很缓慢且网域覆盖范围不完整。

Network and Device Longevity 网络和设备寿命

Wi-SUN FAN,许多Wi-SUN FAN的网络都是以硬件包括电池寿命能达到15-20年的生命周期部署的,客户可以在网络上操作多代不同的设备,展示Wi-SUN FAN的前后兼容性。

LoRaWAN ,LoRa联盟成员宣称以电池供电的设备可运行10年,然而这些宣称必须有延长使用期限的技术左证。

NB IoT,R13(Release 13)规范无法达到10年的标准,虽然有人声称R14(Release 14)现在能够实现这一性能。此外,电信营运商可能因难以获得市场需求而拖延建置计划。

总结

在网络布建中,Wi-SUN FAN的信息传输量确实高于LoRaWAN和NB-IoT,而且具有更快的响应速度和更低的网络等待时间;同时,Wi-SUN FAN在睡眠和接收时消耗更低的功率。

LoRaWAN和NB-IoT较适用于通信需求不频繁的产品,虽然它们目前正被应用在一些计量产品,但在可扩展性、维护成本和通过网络更新韧体的能力上普遍存在着问题。无锡矽控电子推出的LoRa和NB-IoT联网解决方案,目前已经广泛应用于光伏,智慧城市水质监测、大气环境监测等窄带、定点的场景。


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参考数据:Wi-SUN Alliance “WHITE PAPER:COMPARING IOT NETWORKS AT A GLANCE, How Wi-SUN stacks up against LoRaWAN and NB-IoT”文章来源网络,如有侵权,请联系小编删除。



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