物联网:这些问题不解决不可能大爆发,NBIoT、LoRa都束手无策

记得早在2015年,我们重点关注和研究了几个我们认为有非常大前景的行业和技术,物联网让我们感觉到最振奋。

互联网的出现把人们连接起来, 让人们可以通过它进行分享和沟通;自然而然地,人们试图把物也联结起来,这样就可以通过网络来更好地掌控“物”,更好地为人类服务,因此,这是符合人类本性的,也因为此, “物联网”概念一经提出,便迅速风靡全球,成为人们最津津乐道的概念之一。

让我们兴奋的不仅仅因为物联网有个巨大的市场,而是它被大家寄予厚望, 但其普及的程度和其声名却反差太大, 用雷声大雨点小来形容毫不为过。我们走访了一些业内人士, 发现原因其实并不复杂:就是在多数物联网也用场景下,人们所能获得的解决方案并不能提供比现状更好的投资收益比,因此,在很多场景里, 人们并没有动力来大规模使用物联网。

技术应用普及就必须要过“投资收益比”大关!

投资收益比,英文缩写为“ROI(Return On Investment)”, 是商业社会里用来衡量某个事物对人类的价值常用的指标。 物联网作为信息技术的一种应用,在我们判断其何时能够被人们广泛使用时,ROI也成了其价值大小的分析主要依据。

把“物”连接在一起并不是难事, 现有的很多技术都可以胜任,无非是有线网络和无线网络两种,当然从部署的经济性和难易度来看, 无线方式显然是人们的首选,因此可以预见,物联网的连接技术也将是无线方式占主流。 因此,让我们着重讨论无线物联网。

常见的无线网络有多种协议,例如WiFi、蓝牙(特别是低功耗蓝牙BLE)、蜂窝网络(2/3/4/5G、NB-IoT、eMTC等)、sigfox、LoRa、zigbee/zwave、802.15.4g等。

上述的所有协议都能够满足某些方面的需求。WiFi非常普及, 速度快,成本低廉,但用户容量低、覆盖范围小、功耗很大; 蓝牙和WiFi一样也是一种主流的无线技术,相比于WiFi功耗更低,速度较低但对于音频等中速需求能够很好地满足, 毛病同样是用户容量低、覆盖范围小;蜂窝网络中的2/3/4/5G也是我们常用的无线技术,覆盖范围较大, 速率较高, 但遗憾的是由于蜂窝协议自身的因素,功耗居高不下,因此,基于蜂窝技术的 NB-IoT、eMTC等针对低数据量低频次单向通讯和提高覆盖范围下了功夫,提高了纠错能力和灵敏度,但却降低了传输速率,但在双向实时或准实时的通信场景中功耗却没有什么改善; sigfox和LoRa技术来看差不多, 其针对的场景是超低功耗单向低频通信, 由于sigfox的模式是做网络运营商, 在欧洲等地区有相当多的抄表类的应用客户,这种模式面临着与电信运营商的NB-IoT网络的激烈竞争, 而LoRa技术脱胎于sigfox, 采用aloha网络模型和线性扩频技术, 且主要使用subG频段, 因此,覆盖范围相对比较大, 其功耗表现比NB-IoT好多了,因此对于有大量需要低数据量单向低频通信终端(endpoint)的用户来说,LoRa是现在的第一选择;zigbee、zwave等技术属于短距低速率无线通信标准, 后者是前者的简化版,在智能家居等领域有一定的应用,可以进行自组网,但由于覆盖距离小,支持的连接数量少, 因此应用场景也比较有限。

无线通信技术已经发展了很多年了, 远远早于互联网的诞生。但以前主要解决的是较大数据量的传输,例如音视频、特别是像WiFi、蓝牙、2/3/4/5G等基本几乎成了我们日常生活中的必需品。也有部分是针对物体之间的连接,例如,zigbee等协议也在室内定位、短距离物联网通讯等方面应用得非常广泛;而最近比较受关注的低功耗广域网(LPWAN, Low Power Wide Area Network)协议也越来越受到行业的关注和追捧,sigfox在全球多个国家运营抄表等业务, LoRa联盟已经获得了数百个有影响力公司的加盟,NB-IoT更是被中国的运营商们大力推广。

但即使如此,遗憾的是,人们对物联网的需求至今没有得到很好地满足,甚至可以说,人们对物联网这么多年的表现失望透顶!主要原因很简单,人们希望物联网让生活环境变得更加智慧,而智慧项目的第一步就是广泛的物联网连接, 然后是让人们更好地把控这些“物”。 但现状很无奈:人们很容易找到办法或者方案来连接和把控这些“物”, 可是成本却很高昂。 具体表现在物联网的demo很多,但真正落地大规模使用的却只有很少的领域,分析深层的原因,就是“投资收益比”不佳,当然,这样的分析还是流于表面的。我们进行了更深的思考。

提升投资收益比的方式说起来很简单, 就是尽可能地提高收益, 尽可能地降低成本。 物联网中抄表类的业务发展较好, 主要原因就是用于该项业务的低功耗广域网(LPWAN)可以实现足够低成本的覆盖, 终端成本足够低, 使用成本也很低, 综合成本低到比传统的人工服务的成本还要低的地步, 而低功耗广域网也在一定程度实现了无人化和自动化, 也就是实现了更高的收益, 这显然让这项业务发展得比较好。 但这类低功耗广域网却存在一个很大的问题, 其牺牲通讯的灵活度和速率来换取更远的覆盖距离和更低的功耗。 但问题是, 我们需要更加智慧的万物,需要它们及时响应我们的指令,抄表类的单向通讯模式并不能满足这类规模大得多物联网需求,他们需要的是实时或者准实时的双向通讯。至于那些短距离覆盖的通信协议,例如zigbee/zwave等,难以大规模部署,就基本不在大规模物联网的考虑之内了,暂不讨论。

对于现有的低功耗广域网标准来说,双向通讯意味着NB-IoT就不能使用eDRX或者PSM模式, LoRa也只能采用Class C模式, 我想用某公司的实践来说明一下他们的表现: NB-IoT在双向通讯时跟2G的表现差不多, 非常耗电(想想手机),导致维护工作量非常大(想想要每天去给电池充电),无法大规模使用;LoRa情况好一点,他们部署了2000个终端(endpoint),采用两万毫安时的可充电锂电池供电, 但也只能使用三个月左右, 比NB好些,但同样要命的是这两千个终端光盘点一下,就需要耗时37分钟!所以LoRa也无法在他们希望的智慧物流、智慧仓储、资产或人员管理中使用。 而LoRa还面临着其工作主要频谱无法在中国使用的尴尬。但除了这两个, 他们没有其他选择! 这样的结果让他们的物联网需求实际落地, 虽然他们有着非常迫切的需求。

这些现实都折射出物联网领域的大量需求面临着“投资收益比”不佳的境况,而这也是目前物联网领域雷声大雨点小的根本原因。 因此, 我们迫切需要提高大规模物联网应用的投资收益比。 如何提升呢? 一般来说, 某个场景的收益是相对固定的(例如抄表, 其最高收益就是以前花费在抄表上的人工等成本), 所以最简单和可靠的办法就是降低投资成本。

如何降低物联网大规模部署的投资成本?

我们主要讨论主流的无线物联网的情况。 无线物联网的投资成本主要包含了以下几个方面:硬件成本、部署成本、使用成本、服务成本和维护成本。

硬件成本一般包含终端硬件和网关硬件,NB-IoT等蜂窝通讯、SigFox等一般由运营商建设网关(也就是基站), 所以不需要网关成本,但要增加服务成本;部署成本则是部署终端的人工、建安等成本;使用成本主要是使用过程中的成本,主要是电池或者电力成本等; 服务成本是对于运营商运营的网络而言, 对于网关由运营商部署的物联网而言,一般都有月租费或年费; 维护成本则包含了维持物联网正常运行的人工成本、物料成本等。

除了硬件成本和服务成本外, 其他三种成本都跟功耗严重相关。 目前来说,部署成本最低的是用纽扣电池供电的物联网无线终端,这样,就不要布线,终端体积小,这些都意味着部署方便,方便就意味着省钱。 使用成本和电池成本显然是密切相关的,一般的物联网终端,最理想的情况是生命周期内不用更换电池, 至少做要做到少换电池,让电池等成本变得尽可能少,这对终端的能耗要求非常高。 维护成本中的更换维修故障设备和更换电池(或充电)占据了该成本的主要份额,生命周期内不换电池或者少换电池是降低维护成本的关键。

例如,有个做智慧停车的公司, 做的项目中分别采用了NB-IoT和LoRa来进行数据传输, 功耗的主要部分就是无线通讯,1万毫安时的电池, NB-IoT两三个月就要换一次, LoRa可以支持10多个月, 本身智慧停车的施工时非常麻烦的, 惯常的事需要在车位那边挖洞,把地磁感应和数据传输设施埋进去, 为了美观和防水需要在面铺上一层水泥;而由于电池更换,需要把设施再挖出来,更换好电池后再埋进去, 然后铺水泥, 基本就相当于重新施工一次,这种维护工作量相当大, 维护成本当然就非常高。 这还是对终端设备体积要求不高的场景, 还可以用大号的电池来支持比较长的一段时间。 但物联网的很多场景对体积还是有要求的,有的甚至要求非常高。 例如用于畜牧业上的耳标,用于行李追踪的有源RFID等。但总体来说,我们总希望物联网终端的体积能小不要大。

因此,理想的物联网终端体积是很小的,在现阶段来看,就是用纽扣电池供电,并且要做到生命周期(5-10年)内免维护(不用更换电池)或者少维护如果能够做到, 就意味着综合成本比较低, 也意味着可以显著地促进规模应用。 这是经过实践证明的。

抄表类物联网应用的规模就很大,这种应用可以容忍高时延, 数据量很少,传送频次很低,也不需要双向通信,而LoRa、SigFox、甚至NB-IoT在这种模式下是可以做到小号电池或者纽扣电池长时间使用的, 这使应用综合成本足够低,因此,这类物联网业务发展非常迅速, 规已经达到很大的规模。但这种场景并不多,物联网多数场景中所需要的还是双向实时/准实时通讯。

现有的通讯技术——包括经过优化的NB-IoT和LoRa——在智慧项目所要求的双向实时/准实时通讯中,是无法用纽扣电池供电的。那么“如何降低物联网大规模部署的投资成本?”这个问题在目前的情况下实际上可以转换成:在双向实时/准实时通讯的模式下, 如何把功耗相比于现有最节能的LoRa大大降低?降低一点是没有什么效果的,要“大大降低”,比如降低两个甚至三个数量级以上!

对行业来说, 这看起来似乎是个不可能完成的任务。既要保持实时/准实时的网络连接,又要保持极低的功耗,在现有的通讯协议里,这两者实质上是相互排斥的。 例如NB-IoT如果要做到实时/准实时双向通讯,其功耗就和2G的功耗差不多,无法用纽扣电池或者小号电池; LoRa的Class C模式也可以实现双向通讯, 但功耗很大,也无法使用纽扣电池供电。 那就更不要谈其他的比较长距离通讯协议了。 所以,实现在双向实时/准实时通讯模式下的纽扣电池长期供电通过现有的技术是无法实现的, 只能另找他法。

可以说, 谁解决了这个问题,谁就会在物联网领域里大放异彩,取得绝对的领先优势。

正是基于这个认识, 我们自15年开始就一直试图找到解决之道, 而经过三年多的殚精竭虑和潜心开发,我可以很自豪地说:我们已经成功地解决了这个问题……具体就不展开了,有人要骂我在写软文了……

作者:diobook

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