低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)RPMA進(jìn)入中國
作為物聯(lián)網(wǎng)低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域最大的黑馬——RPMA技術(shù)已經(jīng)來到中國了,早在今年1月份,RPMA技術(shù)的擁有者美國Ingenu公司CEO John Horn就親自到無錫拜訪,計劃以無錫為基地,逐步將以RPMA為核心技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施擴(kuò)大到全中國范圍。目前,Ingenu已經(jīng)與無錫軍工智能電氣股份有限公司展開合作,成立無錫九洲通訊作為Ingenu唯一授權(quán)公司在中國大陸推廣其RPMA技術(shù)及應(yīng)用。
RPMA技術(shù)介紹
RPMA,全稱Random Phase Multiple Access,官方中文翻譯為“隨機(jī)相位多址接入”,是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域一種低功耗廣域網(wǎng)(LPWA)技術(shù)。
那LPWA又是什么呢?
LPWA,全稱Low Power Wide Area,即低功耗廣域網(wǎng)絡(luò),低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)是面向物聯(lián)網(wǎng)中遠(yuǎn)距離和低功耗的通信需求,近年出現(xiàn)的一種物聯(lián)網(wǎng)無線連結(jié)技術(shù),具有傳輸距離遠(yuǎn)、節(jié)點(diǎn)功耗低、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行維護(hù)成本低的技術(shù)特點(diǎn)。低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn),填補(bǔ)了現(xiàn)有通訊技術(shù)的空白,為物聯(lián)網(wǎng)的更大規(guī)模發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
圖1:主要通訊技術(shù)的覆蓋范圍及連接成本
對于消費(fèi)類的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用來說,Wi-Fi、ZigBee和Bluetooth等是非常理想的近距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),但對于更廣泛的民用、工業(yè)和其他物聯(lián)網(wǎng)的長距離應(yīng)用,蜂巢網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星能夠滿足要求,但這些技術(shù)在成本、功耗和可擴(kuò)展性等方面缺乏競爭力。因此,在發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的背景下,低功耗廣域網(wǎng)(LPWA)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
低功耗廣域網(wǎng)(LPWA)技術(shù)的用途非常廣泛,諸如停車場資源、交通流量控制、公用設(shè)施監(jiān)視、配電控制,以及環(huán)境監(jiān)視等民用基礎(chǔ)設(shè)施只是開始,而諸如農(nóng)作物生長情況監(jiān)視和牲畜遷移等農(nóng)業(yè)應(yīng)用也需要廣域網(wǎng)覆蓋;從出租車到冷凍貨運(yùn)等資產(chǎn)監(jiān)視和追蹤,則需要地區(qū)性、全國性甚至全球性的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。鐵、公路等交通基礎(chǔ)設(shè)施也需要廣域監(jiān)視;即使是醫(yī)療保健等消費(fèi)性應(yīng)用,也能從替代蜂巢式電話的廣域網(wǎng)鏈接中受益。
LPWA具有覆蓋范圍廣、服務(wù)成本低、能耗低的特點(diǎn),能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)社會環(huán)境下,廣域范圍內(nèi)數(shù)據(jù)交換頻率低、連接成本低、漫游網(wǎng)點(diǎn)切換方便、適用復(fù)雜環(huán)境的連接需求,是理想的物聯(lián)方式。
圖2:幾種廣域聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的主要指標(biāo)對比
RPMA正式在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展背景下應(yīng)運(yùn)而生的一種低功耗廣域網(wǎng)接入技術(shù),RPMA由美國Ingenu公司開發(fā),Ingenu在2008年成立,公司在2015年9月前的名稱是ONRAMP。Ingenu為開發(fā)人員提供了收發(fā)器模組以連接到該公司及其合作伙伴在全球范圍內(nèi)建立的RPMA網(wǎng)絡(luò);這些網(wǎng)絡(luò)將來自終端節(jié)點(diǎn)的信息轉(zhuǎn)發(fā)至使用者的IT系統(tǒng)。同時,RPMA也可適用于想要搭建私有網(wǎng)絡(luò)的客戶人群。
在RPMA終端和基站的共同運(yùn)作下,用戶可以管理他們通信的容量、數(shù)據(jù)速率和范圍;基站與在預(yù)定義時間框架內(nèi)發(fā)送信號的終端節(jié)點(diǎn)保持同步,從時間框架起點(diǎn)采取隨機(jī)延時,終端節(jié)點(diǎn)也根據(jù)接收到的信號強(qiáng)度選擇發(fā)送的展頻因子。
接取點(diǎn)在接收數(shù)據(jù)之后會對接收信號進(jìn)行解展頻、解交錯、維特比譯碼,然后執(zhí)行CRC檢查。隨著網(wǎng)絡(luò)使用率的提高,接取點(diǎn)可以命令終端節(jié)點(diǎn)降低他們的發(fā)送信號強(qiáng)度,以便減少它必須處理的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。
Ingenu RPMA的安全性包括雙向認(rèn)證、256位元加密和16Bytes的哈希函數(shù),因而能夠有效地保護(hù)信號流量;這種方案允許網(wǎng)絡(luò)向終端節(jié)點(diǎn)提供授權(quán)的軟件升級,并能確保信息的完整性和重送保護(hù)。
RPMA的優(yōu)勢
和市場同類產(chǎn)品相比,RPMA技術(shù)競爭力明顯,通過與競爭對手相似的LPWA技術(shù)的對比,RPMA技術(shù)有五個主要特點(diǎn):
一、網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力強(qiáng)。RPMA基站的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍極廣,覆蓋整個美國和歐洲大陸分別只需要619個基站和1866個基站,而對應(yīng)采用LoRa技術(shù)則分別需要10830個基站和43319個基站;采用Sigfox技術(shù)則分別需要6840個基站和24837個基站?;緮?shù)目的減少大大降低了物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)及運(yùn)營成本,因而從長期來看其經(jīng)濟(jì)效益更高。
二、系統(tǒng)容量大。以美國大陸為例,如果物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備每小時傳輸一百個字節(jié)的信息,那么采用RPMA技術(shù)可以接入249232個設(shè)備,而采用LoRa技術(shù)和Sigfox技術(shù)則分別只能接入2673個設(shè)備和9706個設(shè)備。
三、能夠充分降低設(shè)備能耗,進(jìn)而盡可能地延長電池的使用壽命。RPMA采用功率控制和信息傳輸確認(rèn)的辦法來減少重新傳輸?shù)拇螖?shù),終端在數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈g隔進(jìn)入深度睡眠狀態(tài)來減少功耗,延長電池壽命。
四、采用統(tǒng)一頻率,方便漫游。RPMA技術(shù)采用的是2.4G頻段,該頻段在全球都屬于免費(fèi)頻段,這樣RPMA的設(shè)備可以在全球?qū)崿F(xiàn)漫游。Sigfox在歐洲使用的是868MHz的頻率,在美國使用的是915MHz的頻率,而868和915這兩個頻率在中國已被占用,實(shí)現(xiàn)漫游比較困難。
五、雙向通訊,可以廣播。RPMA采用的是雙向通訊的方式,可以通過廣播的方式對終端設(shè)備進(jìn)行控制或升級。Sigfox采用的是單向傳輸,Lora采用的是半雙工的通訊方式。
RPMA技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面處于遙遙領(lǐng)先的水平,對提升我國在物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)必將產(chǎn)生積極的推進(jìn)作用。
圖3:RPMA技術(shù)規(guī)格與同類競爭對手的對比
RPMA在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域范圍內(nèi)的應(yīng)用案例
以GE公司為例,GE宣布推出自己的AMI智能電表通信解決方案,而該解決方案正是使用RPMA作為它的接入網(wǎng)絡(luò)。通過本次合作證明在僅有34個接入點(diǎn)的前提下網(wǎng)絡(luò)覆蓋的領(lǐng)土面積達(dá)4800平英里,然而一個傳統(tǒng)的AMI網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可能需要幾千個節(jié)點(diǎn)設(shè)備才能管理達(dá)到同樣的效果。
節(jié)能路燈也是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在智慧城市建設(shè)中的一個重要方面,在加勒比海的阿魯巴島,開發(fā)了物聯(lián)網(wǎng)路燈,通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時監(jiān)控路燈狀態(tài)。因?yàn)長ED的發(fā)光特性由燈管壽命及通電電流決定,對于一定的發(fā)光強(qiáng)度,需要的電流大小與燈的使用時間成反比,傳統(tǒng)的路燈無法調(diào)節(jié)電流大小,這樣既導(dǎo)致了電能的浪費(fèi)又縮短了燈的使用壽命,采用物聯(lián)網(wǎng)路燈后可以通過對燈的特性進(jìn)行分析來調(diào)節(jié)電流大小,以達(dá)到節(jié)能與延長路燈使用壽命的目的。經(jīng)過一段時期的運(yùn)營后發(fā)現(xiàn),采用RPMA技術(shù)后的物聯(lián)網(wǎng)路燈比傳統(tǒng)路燈節(jié)約了63%的能耗,大大節(jié)省了政府部門對于公用設(shè)施的投入。
用于油氣管網(wǎng)間的調(diào)度也是RPMA技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域之一,在尼日利亞為殼牌制定了一套油氣調(diào)度裝置,節(jié)省了將近92%的成本。
智能抄表也是一種非常重要的應(yīng)用,在智能水(電)表中嵌入RPMA無線芯片可以使其定期自動上報計量數(shù)據(jù),無需人工抄表,這將極大的提升運(yùn)營效率并降低成本。但由于水表的放置環(huán)境通常在壁櫥等隱蔽環(huán)境,而且無法外接電源,傳統(tǒng)的無線技術(shù)在覆蓋能力和功耗方面不能很好的滿足水表遠(yuǎn)程抄表的需求。因?yàn)檫h(yuǎn)程抄表無需實(shí)時連接,其數(shù)據(jù)傳輸頻率非常低,而保持3G實(shí)時通訊會浪費(fèi)很多能源。RPMA的設(shè)計是每天抄表的時候建立連接,傳輸數(shù)據(jù),之后就把通訊功能停掉,這便大大降低了功耗。
發(fā)展前景
RPMA技術(shù)是Ingenu公司在全球大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的背景下,為了解決低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)連接難題而開發(fā)的一種LPWA技術(shù)??梢灶A(yù)期,在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模飛速擴(kuò)張的條件下,作為廣域網(wǎng)連接的一項(xiàng)重要技術(shù),RPMA技術(shù)將在市場迅速推廣。
圖4:中國物聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模
以中國為例, 2015年中國物聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模約為7500億,2018年預(yù)計可以突破15000億,未來三年,中國物聯(lián)網(wǎng)市場復(fù)合年增長率達(dá)25%。
隨著國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)市場的不斷發(fā)展,我國已經(jīng)初步形成了覆蓋芯片和元器件、設(shè)備、軟件、系統(tǒng)集成、電信運(yùn)營、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)在內(nèi)的較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈,市場應(yīng)用廣泛分布在智能制造、物流、安防、車聯(lián)網(wǎng)、電力、交通等領(lǐng)域。
圖5:中國物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場結(jié)構(gòu)
為迅速占領(lǐng)低功耗廣域網(wǎng)市場,Ingenu表示,該公司已經(jīng)在全球超過45個國家和地區(qū)部署其2.4GHz網(wǎng)絡(luò)RPMA,該公司目標(biāo)在2016年底于美國30個城市建立600個通訊塔,覆蓋七成的美國國土。此外Ingenu也打算與更多晶片、模組及系統(tǒng)供應(yīng)商建立伙伴關(guān)系,圍繞RPMA技術(shù)打造健康的生態(tài)系統(tǒng),進(jìn)一步推進(jìn)RPMA的市場應(yīng)用。