分析師預計到2020年將有200億台物聯網(IoT)設備接入網路，用於連接所有這些設備的技術之中蘊含著巨大的產業利益。
人們一致認為，當前的無線解決方案並不能完全滿足這一需求。低功耗廣域(LPWA)蜂巢式技術應運而生。LPWA專為低頻寬、低功耗的物聯網應用而設計，有望在未來幾年取得巨幅增長。但是有一個問題日益凸顯：哪種LPWA技術將會成為主流？
此刻，人們對這個問題更多的是迷惑。目前正在討論的技術有七種之多。其中一些不可避免地會失敗，另一些則最終將通過有限的應用案例服務於利基市場。
對於物聯網設備製造商和解決方案開發商而言，押錯籌碼的代價可能十分高昂。
產生這個問題的一部分原因是各種技術的支持者都紛紛要求加入角逐，爭奪一席之地。但是這些技術本身可能非常複雜難以理解，並非通過三言兩語或是簡單的電子報就能明確傳達。
本文旨在澄清其中一些困惑。文中介紹了目前正在討論的各種LPWA方案，探討了它們之間的異同，討論了標準化方法相對專有解決方案的優勢，並解釋了為何模組廠認為像LTE-M(也有可能是NB-IoT)這樣的標準化技術將有可能脫穎而出，成為首選的LPWA解決方案。
響應物聯網市場需求 LPWA技術揭竿而起
整個行業的利益相關者現在都將LPWA技術視為物聯網的核心驅動因素。與其說LPWA是一項具體的技術，不如說它是對一種新網路類別的描述—類似「廣域網路」或「個人區域網路」等術語。LPWA的核心是一種訪問低功耗、低成本物聯網設備的技術，以低速傳輸，每月資料用量較低，但覆蓋範圍非常廣泛(接近目前蜂巢式網路覆蓋範圍的5到10倍)。
LPWA技術響應了日益增長的產業市場需求，即不適合藍牙或ZigBee等短距離無線方案的物聯網應用所需要的低價低頻寬連接。除了大範圍覆蓋之外，物聯網應用還需要一個簡單的部署機制，但這是傳統短距離技術無法提供的，因為它們依賴管理更為複雜的本地網路。這一機制需要對安全憑證、多供應商連接和連接品質進行管理。根據Strategy Analytics的一項預測，預計到2020年將有31億個LPWA連接應用，硬體、網路和服務收入可達99億美元。
適合LPWA配置的潛在應用範圍十分廣泛，包括計量、農業、汽車訊息通訊、追蹤、醫療保健、消費類產品等等。對於這些應用，現有的蜂巢式連接可以提供不錯的覆蓋範圍和方便的部署。但是，現有的蜂巢式技術是針對行動寬頻等高頻寬應用設計的。因此，相應模組具備的功能和數據傳輸速率，對於許多物聯網解決方案而言並不是必要的。
LPWA技術可以在每個端點實現低成本和低功率連接，從而大幅簡化部署，因而是智慧計量、智慧照明以及許多其他智慧城市應用的理想選擇。它還能讓目前尚不可行的新一代物聯網應用成為現實，為新的可穿戴設備、醫療設備、電池供電的煙霧檢測器和環境感測器以及許多其他終端提供連接。
許多供應商正在競相填補無線連接市場的這一空白。對於客戶而言，這意味著他們要像穿過迷宮一般，在關於成本、電池壽命、覆蓋範圍和上市時間等各種競爭訴求之間找到方向。遺憾的是，這已經導致了很多誤解和混淆。
LPWA技術一探究竟
目前正在討論多種多樣的LPWA技術，它們所處的開發、標準化和商業應用階段各不相同。從最高層級上看來，它們可以分為專有技術和標準化技術兩類。
雖然業界的討論尚未塵埃落定，但有一點是幾乎沒有爭議的；就長期而言，標準化解決方案一定比專有解決方案更加可行。這是因為方案的長久性更多要依賴生態系統的支持，而不是技術。
這個原則在所有技術演進的過程中都是成立的，WiMAX就可以看作是它在行動領域最近的一個例子。從技術角度來看，WiMAX是完全可以接受的無線頻寬解決方案。但是它在生態系統供應商和行動網路營運商中並未獲得足夠的支持，最終在與LTE的競爭中敗北。
專有LPWA解決方案會早於標準化技術進入市場，但是在物聯網市場達到發展高峰之前，二者都會達到商用階段。此外，由於3GPP標準化技術可以實現現有營運商網路的大規模複用，因此為了達到臨界點，它們是一種更為安全的選擇。
專有技術
一些較為流行的專有解決方案有(包括但不限於)：
雖然這些技術來自不同廠商，但它們具有一些共同的特徵。首先，作為專有技術，它們都在未授權波段運行，其服務質量難以保證。此外，這三種技術都是針對傳輸極少量資訊而設計的，某些情況下少於20位元組(Bytes)。在這方面，它們更接近簡訊服務(SMS)，這限制了它們支持某些應用類型的靈活性。例如，為了實現進階遠程管理和韌體更新，許多物聯網應用需要本地互聯網訪問支援和雙向通訊。
有利的一面是，比起正在經歷標準化的技術，這些專有技術將會更快地在局部地區實現商用。能夠快速上市是因為它們不需要經歷多供應商互操作性測試和認證過程來保證性能，而這些過程對於一些物聯網應用可能較為重要。
由於其固有的局限性和有限的生態系統支持，很難想像這些專有技術中的任何一種能夠在全球範圍內得到廣泛部署。雖然它們可以用於局部部署，但大量物聯網應用將需要一個能夠支持行動性管理、全球漫遊、多營運商部署、認證設備供應商、經過標準化和現場測試的安全技術以及較長生命週期的LPWA技術。
標準化技術
正在經歷3GPP標準化流程的技術有：
LTE-M是3GPP LTE標準的一部分。儘管這一點仍有一些混淆，但它的確是一種LPWA技術，而不是傳統的蜂巢式技術。LTE-M採用新機制來降低功耗，延長電池壽命並降低設備複雜性。它還增加了18dB的擴展覆蓋範圍。3GPP關於LTE-M規範的工作將於2016年第一季度完成，第四季度進行試驗，2017年投入商用。LTE-M經由專門設計，確保它能夠以軟體升級的形式部署到網路上，因此並不需要新的網路硬體或頻段。
EC-GSM是GSM 2G標準的LPWA擴展版本，為已經擁有低成本特點的GSM技術增加了20dB的額外覆蓋範圍和新的節能功能。EC-GSM能夠通過韌體升級複用現有的2G晶片，因此不需要新的晶片組或模組設計，這應該有助於縮短上市時間。
但是許多營運商，特別是在北美和亞洲，目前正在逐漸撤下2G網路，以便為LTE重新劃分頻帶。一些行動網路營運商(多數在歐洲)擁有龐大的使用GSM的M2M應用客戶群體，對於他們而言EC-GSM是一條支持物聯網應用的可行途徑。鑑於生態系統的不確定性，很難預測EC-GSM投入商用的時間，但最早可能會在2015年第三到第四季度。
NB-IoT的目標是提升20dB覆蓋範圍和200-kHz通道(Channel)，同時支持獨立部署和現有LTE網路中的部署。3GPP界定NB-IoT規範的工作在2015年10月剛剛開始，而選擇基於LTE而非FDMA調製的決定也是最近2015年11月才作出。鑑於NB-IoT規範相關工作仍處於早期階段，很難預測它何時才能投入商用。儘管有相關傳言，但實際上NB-IoT技術尚未進行過試驗，而真正的NB-IoT試驗和商業化可能會落後LTE-M數月。
對於任何LPWA技術，關鍵考慮因素包括電池壽命、覆蓋範圍、成本和上市時間。
考量功耗/覆蓋率/成本 LPWA設計當道
遺憾的是，圍繞這些因素仍然存在眾多關於LPWA的混淆和錯誤信息。但是，在標準化LPWA方案進行的比較表明，這些方面的差異很大程度上可以忽略不計。
電池壽命和覆蓋範圍
為了充分發揮物聯網的市場潛力，許多應用需要靠電池供電就能運行多年的設備。因此，低功耗是對LPWA最重要的要求之一。
雖然LTE-M、EC-GSM和NB-IoT是不同的技術，但它們都使用相同的基本協議策略來降低功耗，其中包括延長休眠周期和降低訊號的機制。其他能夠延長電池壽命的主要因素是實施和設計。鑑於LPWA技術的休眠周期更長，可以從降低休眠電流方面著手。因此，新的LPWA解決方案的休眠電流預計將降至現有技術的1/100以下。這樣一來，只要採用相同的協議策略和同樣良好的技術實施，大多數LPWA技術都將提供類似的電池壽命。
此外我們還需要認識到，電池壽命在很大程度上受到覆蓋範圍的影響。一般來說，數據傳輸速率越低，覆蓋範圍越廣。但這就會需要很長的傳輸時間，從而消耗大量電力。由於3GPP LPWA技術可以複用已經密集部署的基站，因此它們提供的覆蓋範圍優於專有技術的未開發地區的部署，而電池壽命也更長。
圖1說明了討論最為廣泛的幾種LPWA技術的電池壽命和覆蓋範圍十分接近。這是真正意義上的同類比較，所採用的用例、實施和休眠功耗假設都相同。
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| 圖1 比較LPWA技術的功耗和覆蓋範圍 |
幾種標準化LPWA技術在覆蓋範圍上確實有些許差異。但是要再次強調的是，不同標準之間的差異十分微小。由於大多數行動網路的架構設計最多支持160dB損耗，這種微小差異導致的覆蓋範圍差異是極小的。
用戶設備成本
與電池壽命一樣，所有標準化LPWA技術都依靠同樣的基本策略來降低設備成本：將功能僅限於物聯網應用所需，從而簡化解決方案。關鍵是要將複雜性降到足夠低，使調製解調器供應商將所有主要功能整合到一塊晶片上。LTE-M和NB-IoT技術都已經實現了這一點。
現有LTE調製解調器的功率控制、數位處理、射頻功能、射頻濾波、晶體、功率放大器、RAM和快閃記憶體都是獨立的晶片。現在通過LTE-M，可以將所有這些(除了快閃記憶體和晶體)都整合到一塊晶片上。
NB-IoT解決方案宣稱可以通過略為簡化的數位訊號處理進一步降低複雜性，因為它們只需要解碼200KHz的訊號，而LTE-M則需要解碼1MHz訊號。但數位訊號處理成本只占晶片內矽非常小的一部分，因而只是在占設備總成本一小部分的屬性上產生了很小的成本差異。
任何通過縮減數位訊號處理矽實現的成本節約與規模經濟相比都是微不足道。因此，從成本的角度來看，關鍵是要選擇市場採用最為廣泛的LPWA技術。
上市時間
在評估上市時間時，客戶應當考慮到採用風險較高的技術進行更早部署和採用擁有廣泛生態系統支持的標準化解決方案之間的權衡。
專有解決方案將會更早上市，但是生態系統有限可能會阻礙它們在全球範圍內獲得更廣泛的採用率。在標準化LPWA技術中，LTE-M和EC-GSM將於2016年第一季度完成標準工作，2016年稍晚時候進行試驗，2017年投入商用。(由於目前對NB-IoT技術所知甚少，因此難以預測其上市時間，但是一定會晚於LTE-M和EC-GSM。)
應該指出的是，所有標準化LPWA都應當會在2018年之前投入商用，這是市場分析公司(包括Analysys Mason和Machina)預測LPWA市場開始大幅增長的時間點(圖2)。但是，與專有解決方案不同，這裡的「投入商用」是指生態系統得到充分發展。這涉及到多個認證模組與多個基礎設施合用，通過多個行動網路更新在國家範圍內進行部署。
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| 圖2 LPWA市場預測 |
高靈活/低風險優勢 LTE-M雀屏中選
根據對不同解決方案的這些關鍵屬性進行比較，應當明確的是，所有標準化技術都符合LPWA技術的關鍵要求。此外，還應當明確的是，相比專有解決方案，所有標準化方案都更為靈活，風險也更低。然而，司亞樂之所以認為LTE-M最有希望成為標準LPWA技術解決方案的首選，是基於以下幾條原因。
首先，LTE-M在幾個方面重複利用了已經得到廣泛部署和充分了解的現有LTE標準。這意味著它對於世界各地的原始設備製造商、解決方案供應商和網路營運商而言更易於實施。此外，這種複用讓LTE-M可以提供類似傳統LTE的低延遲處理。因此，LTE-M可以支持對話語音服務等實時應用，這是一些物聯網應用所必需的，例如汽車、安全、智慧家居以及許多其他產業應用。
LTE-M也為供應商和行動網路營運商提供了安全、漫遊、行動性管理和開放原始碼軟體(OSS)/基本服務集合(BSS)整合方面的連續性。LTE-M將會使用與如今的蜂巢式解決方案相同的標準化安全方法，它們經過現場測試，值得信賴。鑑於LTE-M對於營運商而言只是物理層變更，因此諸如全球漫遊、計費、訂閱管理以及一般業務支持服務等所有上層蜂巢式功能都能無縫過渡。
加速LTE-M發展 司亞樂與營運商擴大合作
看好LTE-M應用前景，已有廠商開始如火如荼布局基於LTE的新LPWA解決方案，例如司亞樂已擁有相應基礎和產品組合。司亞樂與世界範圍內的生態系統合作夥伴和行動營運商密切合作以推動LTE-M標準的最終確定，並加快將其推向全球市場的速度。司亞樂提供設計輔助、技術專業知識和技術組合，幫助任何行業的客戶利用LPWA技術把握住物聯網機遇。
此外，LTE-M可以與標準LTE設備共用頻帶，因此對於大多數行動網路營運商而言，它比其他LPWA技術更有吸引力。LTE-M包含的一些機制可以有選擇地分配LTE-M流量，使其優先級低於來自傳統高收入用戶的流量。這一功能可以讓所有人受益：通過採用同一個網路處理延遲容忍度較高的物聯網流量和高頻寬實時服務，網路營運商可以極大地節約成本，同時避免為物聯網服務單獨開闢稀缺頻帶—這會導致可能需要一些時間才能步入正軌。行動寬頻用戶可以獲得更加可靠的服務，而物聯網用戶則可以採取低成本的訂閱級別。
最後，在LPWA錯綜複雜的局勢之中，LTE-M是最可預測的解決方案。EC-GSM在太多市場都不可行，因為頻帶效率低、每位元成本高，而且無法在同一系統中支持物聯網和高頻寬用戶。雖然NB-IoT提供了一些有吸引力的可能性，但關於最終標準化的內容和時間都還有太多的不確定性。
出於所有這些原因，LTE-M市場潛力巨大並且還在不斷增長，與此同時，全球範圍內一個廣闊的LTE-M生態系統也開始嶄露頭角。雖然沒有人能夠完全肯定地預測未來，但LTE-M很有希望脫穎而出，成為今後物聯網應用的首選LPWA技術。
(本文作者任職於Sierra Wireless)