物聯(lián)網(wǎng)無線通信——通往未來的連接

由英特爾（Intel）創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）提出。

其內(nèi)容為：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也會(huì)提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，每隔18-24個(gè)月將會(huì)翻一倍以上。此定律揭示了無線通迅模塊http://cells-net.net/gytxsb/product.php?lang=cn&class1=337 信息技術(shù)進(jìn)步的速度。

計(jì)算機(jī)行業(yè)有一個(gè)摩爾定律：計(jì)算機(jī)的CPU每?jī)赡暧?jì)算能力翻番，縮小一倍，功耗降低一倍，成本也會(huì)低一倍。此定律也從根本上影響了通信行業(yè)的發(fā)展。

自從香農(nóng)發(fā)明通信理論以來，算法從根本上決定了通訊的效率，而計(jì)算機(jī)芯片的計(jì)算能力決定了算法是否能實(shí)現(xiàn)。通信的吞吐量越高，算法就越復(fù)雜，對(duì)芯片的要求就越高，而價(jià)格、功耗、體積決定了這種通信技術(shù)是否能得到大規(guī)模的應(yīng)用。

從2G到3G，從3G到4G的跨越，背后都是計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的不斷迭代的結(jié)果，且迭代的節(jié)奏越來越快?，F(xiàn)在還未商用的5G，已經(jīng)逼近芯片技術(shù)的物理極限，如果在原理方向未有突破，人類社會(huì)將進(jìn)入技術(shù)停滯的冰川期。

從2G時(shí)代到4G時(shí)代，無線蜂窩通信技術(shù)一直朝著更高速，更低時(shí)延發(fā)展，到現(xiàn)在eMTC,LTE CAT.1/CAT.M, NB-IoT, LoRa眾多廣域網(wǎng)低功耗無線通訊模塊技術(shù)紛至沓來，讓人眼花繚亂，一個(gè)方向是繼續(xù)向更高速、低時(shí)延的5G方向發(fā)展；另外一個(gè)方向卻朝著截然相反的低功耗、廣覆蓋發(fā)展。

無線通訊模塊無人駕駛驅(qū)動(dòng)5G到來

技術(shù)造就了商業(yè)的繁榮，商業(yè)推動(dòng)了技術(shù)的發(fā)展。4G技術(shù)所帶來的，不僅讓移動(dòng)端的數(shù)據(jù)處理能力足夠支撐多媒體的應(yīng)用，還顛覆了很多行業(yè)的商業(yè)模式和行業(yè)生態(tài)，讓很多行業(yè)巨頭人人自危，生怕明天倒下的是自己。這算是移動(dòng)通信技術(shù)有史以來造成最大影響的一次。

4G網(wǎng)絡(luò)一般能達(dá)到50ms的延時(shí)，但這對(duì)車聯(lián)網(wǎng)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要。

傳統(tǒng)的燃油車，渾身上下最多200多個(gè)傳感器，都是低速且需要實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的，所以汽車電子工程師在總線技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)明了CANBUS高速的本地控制總線，雖然帶寬比較低，但是實(shí)時(shí)性比較好，可以很好地滿足安全氣囊、ABS防抱死等應(yīng)用。

但對(duì)于無人駕駛汽車來說，燃油車的傳感器就是過家家的玩意了，除了渾身密布的測(cè)距、測(cè)障、測(cè)速等傳感器以外，無人駕駛還多了很多攝像頭，因此數(shù)據(jù)量更大，但實(shí)時(shí)性的要求絲毫沒有降低。于是汽車電子工程師在以太網(wǎng)協(xié)議的基礎(chǔ)上發(fā)展出了TSN(Time-Sensitive Network)這種能在數(shù)據(jù)量巨大的壓力面前仍然能保持微秒級(jí)的實(shí)時(shí)性, 讓這些傳感器，圖片、視頻等海量、高頻的數(shù)據(jù)及時(shí)到達(dá)無人駕駛汽車的計(jì)算機(jī)。這樣，無人駕駛汽車就徹底變成了帶著四個(gè)輪子的計(jì)算機(jī)。

同時(shí)，為了保障車輛、路面的安全，無人駕駛汽車還需要跟云端通信，以獲取車流、車速、位置、事故、線路狀態(tài)和規(guī)劃等信息，也要和附近的車輛交互信息。這些需求，毫秒級(jí)都慢了，要讓無人駕駛汽車真正上路，就得有微秒級(jí)的網(wǎng)絡(luò)延遲。前兩天，華為在北京懷柔完成的5G真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境業(yè)務(wù)驗(yàn)證中，空口的延時(shí)已經(jīng)達(dá)到了0.5ms，這個(gè)數(shù)據(jù)已經(jīng)代表了空口技術(shù)的極大突破，但是要真正實(shí)現(xiàn)端到端毫秒級(jí)的延時(shí)，還需要核心網(wǎng)下沉和一系列技術(shù)突破。

安全是無人駕駛需要解決的首要問題，譬如在大霧天氣下極易發(fā)生車輛連環(huán)追尾的事故，假設(shè)在高速公路行駛方向的前方發(fā)生了車輛追尾，后方車輛必須能夠立刻得到這些信息，在短短幾毫秒之間完成規(guī)避的操作，或者減速、變換車道，整個(gè)高速公路上附近的車輛都得聯(lián)動(dòng)起來，給規(guī)避的操作騰挪出空間。這就需要車輛和車輛之間能夠及時(shí)、高頻地交換信息，協(xié)商，才能提前規(guī)劃好規(guī)避動(dòng)作，不因規(guī)避導(dǎo)致二次事故。

除了微秒級(jí)的網(wǎng)絡(luò)延遲，5G技術(shù)還要面對(duì)海量連接、更高速通信的挑戰(zhàn)。

面向500億的連接

無人駕駛汽車的數(shù)據(jù)交互具有高頻、數(shù)據(jù)豐富、實(shí)時(shí)，三個(gè)特點(diǎn)，但是在GARTNER預(yù)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)世界的500億連接中，很大一部分是低頻、數(shù)據(jù)單一、實(shí)時(shí)要求低的特點(diǎn)。

比如你家的門窗的開關(guān)狀態(tài)，0和1就能表達(dá)開和關(guān)，一個(gè)bit就能解決。實(shí)際情況卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)要復(fù)雜很多，假設(shè)你要通過手機(jī)的客戶端來查看你健忘的老媽是否把窗戶關(guān)了，實(shí)際的傳輸過程，就需要把一個(gè)裝手機(jī)的盒子放進(jìn)一個(gè)集裝箱里面，然后通過高速公路送貨到你的手機(jī)中，然后你手機(jī)再把這個(gè)包裝打開，獲取這一個(gè)bit的數(shù)據(jù)。顯然，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算資源來說都特別浪費(fèi)。

假如你想知道你家飲水機(jī)里面水位的高低，這也不是一個(gè)快速變化的量，很多時(shí)候，一天采集兩三次數(shù)據(jù)就可以了。就算這些狀態(tài)值有幾個(gè)小時(shí)的延遲，實(shí)際上對(duì)你的使用也不會(huì)很大影響，只要你能夠在飲水機(jī)低水位的時(shí)候叫水就行了。

低頻、非實(shí)時(shí)、數(shù)據(jù)小是很多物聯(lián)網(wǎng)所連接對(duì)象的特點(diǎn)，但這非全部。低功耗和低成本、體積小也是物聯(lián)網(wǎng)很重要的訴求。

現(xiàn)在的電表大部分已經(jīng)通過GPRS的方式來讀取數(shù)據(jù)了，但是很多水表卻還沒有做到這點(diǎn)。這主要是因?yàn)?，水表的安裝環(huán)境很難像電表獲得供電，因此只能裝電池，但電池肯定不能經(jīng)常更換，需要保證5年的使用時(shí)間，這就對(duì)傳感和通信部分提出了非?？量痰牡凸囊?；另外在商業(yè)上，水表和電表不一樣，一個(gè)家庭在夏天開空調(diào)的時(shí)候一個(gè)月收幾百塊錢的電費(fèi)很正常，而水費(fèi)則每個(gè)月都差不多就那么幾十塊錢。因此水務(wù)公司往往沒有電力公司那么愿意投錢，因?yàn)闊o錢可投。這也是水表的物聯(lián)網(wǎng)化為什么一致遲滯于電表的原因。

顯然，只有功耗、成本到達(dá)引爆水表物聯(lián)網(wǎng)化的臨界點(diǎn)，水表抄表工才能擺脫日復(fù)一日毫無意義的勞動(dòng)。

從技術(shù)演進(jìn)的角度來說，除了摩爾定律以外，我們還要遵循物理學(xué)最樸素的能量守恒定律。

這就是說，你發(fā)送越多的數(shù)據(jù)，需要的能量就越多，你消耗的能量越多，所發(fā)送的數(shù)據(jù)越小，浪費(fèi)也就越嚴(yán)重。

4G/5G等高速的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)就像剛才承運(yùn)一臺(tái)手機(jī)的集裝箱，對(duì)于這些小數(shù)據(jù)包來說，顯然是極為奢侈的浪費(fèi)。因此各種物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生，通過降低通信的速率、和實(shí)時(shí)性來控制物聯(lián)網(wǎng)終端的功耗和成本。

LTE CAT.1, CAT.M, NB-IoT, LoRaWAN, Sigfox是現(xiàn)在主流的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，他們之間的區(qū)別就在于通信速率和功耗。但是開發(fā)這些技術(shù)的目的也是不一樣的。

頻譜是運(yùn)營(yíng)商的最核心資源，運(yùn)營(yíng)商的天然壟斷就體現(xiàn)在對(duì)頻譜資源的占用上。運(yùn)營(yíng)商推廣LTE CAT.1和CAT.M的原因是想用他們來替代原有的3G和GPRS網(wǎng)絡(luò)，然后把3G和GPRS網(wǎng)絡(luò)關(guān)閉掉。GPRS就好比綠皮火車，3G就好比動(dòng)車組，4G LTE就好比高鐵。對(duì)于鐵道公司來說，他們當(dāng)然想把鐵軌全部換了全部上高鐵，因?yàn)樵俨恢匦抡鞯匦掼F路的情況下，他能解決創(chuàng)造更多的收入。一輛綠皮車從廣州跑到武漢需要跑1天，而高鐵運(yùn)作得好一天就能跑3回。綠皮車一個(gè)座位一天能創(chuàng)造200元的收入，高鐵票一張450快，一個(gè)座位就能創(chuàng)造1350元的收入。

你說運(yùn)營(yíng)商會(huì)選哪個(gè)？

但是市場(chǎng)上肯定還有區(qū)間交通對(duì)低速列車的要求，因此鐵路公司就用高鐵車組減配和降速去跑區(qū)間交通市場(chǎng)，因?yàn)樵瓉淼木G皮車和動(dòng)車組肯定不能在高鐵的軌道上跑了。

NB-IoT, LoRaWAN, Sigfox所能提供的速率更低，因此功耗更低。它們?cè)诠目刂?、速率和成本上并沒有根本性的區(qū)別，但是在商業(yè)模式上有很大的不同。

NB-IoT是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商用以替代部分低速的GPRS和新的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)，所以要使用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)就得向運(yùn)營(yíng)商繳納費(fèi)用。

而LoRaWAN則可以讓用戶自行建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，擺脫對(duì)運(yùn)營(yíng)商的依賴，但是你要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)。Sigfox則通過自行建網(wǎng)和運(yùn)營(yíng)，向用戶提供網(wǎng)絡(luò)并收取費(fèi)用，實(shí)際上就是一個(gè)廣域網(wǎng)低功耗網(wǎng)絡(luò)的電信運(yùn)營(yíng)商。

那么在實(shí)際的應(yīng)用中，又有什么區(qū)別呢？

假設(shè)潤(rùn)田桶裝水公司，想通過獲取你家桶裝水的水位信息來提前跟你預(yù)約送水，以提高他們的服務(wù)水平，獲得更多的市場(chǎng)份額和收入？這三種通信技術(shù)應(yīng)該選哪家呢？

Sigfox顯然不可能，因?yàn)橹袊鴽]有這種網(wǎng)絡(luò)。作為物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)商，想來中國砸中國電信、移動(dòng)聯(lián)通的飯碗，顯然是不可能的。

LoRaWAN呢？顯然潤(rùn)田桶裝水是不可能自己來建一個(gè)覆蓋全廣州的網(wǎng)絡(luò)的，因此潤(rùn)田桶裝水公司只能選擇運(yùn)營(yíng)商的無處不在的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。

但是如果潤(rùn)田桶裝水在它的生產(chǎn)基地想監(jiān)控水質(zhì)情況，而生產(chǎn)基地又在深山老林里面，沒有網(wǎng)絡(luò)怎么辦？那么自行或者找第三方協(xié)助，建設(shè)LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)來覆蓋整個(gè)園區(qū)，不失為一種很好的選擇。

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)充分碎片化的市場(chǎng)，客戶的需求是豐富多樣的，單一技術(shù)無法為所有客戶解決所有問題。雖然Sigfox、NB-IoT、LoRaWAN等等都是朝著一個(gè)方向演進(jìn)，盡管彼此有競(jìng)爭(zhēng)，但卻是互為補(bǔ)充的關(guān)系，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)的未來，沒有一種通信技術(shù)能夠一統(tǒng)天下。物聯(lián)網(wǎng)無線通訊模塊的世界，一定是五彩繽紛的。

隨著工信部宣布150萬個(gè)NB-IoT基站部署的計(jì)劃，物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施正在以前所未有的速度加快落地，面向未來的連接已經(jīng)來到我們的面前，未來已來！