RPMA來(lái)中國(guó)了——美國(guó)都在用的低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)

　　低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)RPMA進(jìn)入中國(guó)

　　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(lái)到中國(guó)了，早在今年1月份，RPMA技術(shù)的擁有者美國(guó)Ingenu公司CEO John Horn就親自到無(wú)錫拜訪，計(jì)劃以無(wú)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(guó)范圍。目前，Ingenu已經(jīng)與無(wú)錫軍工智能電氣股份有限公司展開(kāi)合作，成立無(wú)錫九洲通訊作為Ingenu唯一授權(quán)公司在中國(guó)大陸推廣其RPMA技術(shù)及應(yīng)用。

　　RPMA技術(shù)介紹

　　RPMA，全稱(chēng)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(chēng)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(wú)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(jiǎn)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(duì)于消費(fèi)類(lèi)的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，Wi-Fi、ZigBee和Bluetooth等是非常理想的近距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但對(duì)于更廣泛的民用、工業(yè)和其他物聯(lián)網(wǎng)的長(zhǎng)距離應(yīng)用，蜂巢網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星能夠滿(mǎn)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(jìng)爭(zhēng)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(chē)場(chǎng)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(kāi)始，而諸如農(nóng)作物生長(zhǎng)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(chē)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(guó)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(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)社會(huì)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(duì)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(guó)Ingenu公司開(kāi)發(fā)，Ingenu在2008年成立，公司在2015年9月前的名稱(chēng)是ONRAMP。Ingenu為開(kāi)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(lái)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(shí)，RPMA也可適用于想要搭建私有網(wǎng)絡(luò)的客戶(hù)人群。

　　在RPMA終端和基站的共同運(yùn)作下，用戶(hù)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(shí)間框架內(nèi)發(fā)送信號(hào)的終端節(jié)點(diǎn)保持同步，從時(shí)間框架起點(diǎn)采取隨機(jī)延時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)也根據(jù)接收到的信號(hào)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(huì)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解展頻、解交錯(cuò)、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(hào)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(hào)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(jí)，并能確保信息的完整性和重送保護(hù)。

　　RPMA的優(yōu)勢(shì)

　　和市場(chǎng)同類(lèi)產(chǎn)品相比，RPMA技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力明顯，通過(guò)與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相似的LPWA技術(shù)的對(duì)比，RPMA技術(shù)有五個(gè)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(gè)美國(guó)和歐洲大陸分別只需要619個(gè)基站和1866個(gè)基站，而對(duì)應(yīng)采用LoRa技術(shù)則分別需要10830個(gè)基站和43319個(gè)基站;采用Sigfox技術(shù)則分別需要6840個(gè)基站和24837個(gè)基站。基站數(shù)目的減少大大降低了物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)及運(yùn)營(yíng)成本，因而從長(zhǎng)期來(lái)看其經(jīng)濟(jì)效益更高。

　　二、系統(tǒng)容量大。以美國(guó)大陸為例，如果物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備每小時(shí)傳輸一百個(gè)字節(jié)的信息，那么采用RPMA技術(shù)可以接入249232個(gè)設(shè)備，而采用LoRa技術(shù)和Sigfox技術(shù)則分別只能接入2673個(gè)設(shè)備和9706個(gè)設(shè)備。

　　三、能夠充分降低設(shè)備能耗，進(jìn)而盡可能地延長(zhǎng)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(lái)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(lái)減少功耗，延長(zhǎng)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(guó)使用的是915MHz的頻率，而868和915這兩個(gè)頻率在中國(guó)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(guò)廣播的方式對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行控制或升級(jí)。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(duì)提升我國(guó)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(lèi)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的對(duì)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(guò)本次合作證明在僅有34個(gè)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(gè)傳統(tǒng)的AMI網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可能需要幾千個(gè)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(gè)重要方面，在加勒比海的阿魯巴島，開(kāi)發(fā)了物聯(lián)網(wǎng)路燈，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控路燈狀態(tài)。因?yàn)長(zhǎng)ED的發(fā)光特性由燈管壽命及通電電流決定，對(duì)于一定的發(fā)光強(qiáng)度，需要的電流大小與燈的使用時(shí)間成反比，傳統(tǒng)的路燈無(wú)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(guò)對(duì)燈的特性進(jìn)行分析來(lái)調(diào)節(jié)電流大小，以達(dá)到節(jié)能與延長(zhǎng)路燈使用壽命的目的。經(jīng)過(guò)一段時(shí)期的運(yùn)營(yíng)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(mén)對(duì)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(wú)線芯片可以使其定期自動(dòng)上報(bào)計(jì)量數(shù)據(jù)，無(wú)需人工抄表，這將極大的提升運(yùn)營(yíng)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(wú)法外接電源，傳統(tǒng)的無(wú)線技術(shù)在覆蓋能力和功耗方面不能很好的滿(mǎn)足水表遠(yuǎn)程抄表的需求。因?yàn)檫h(yuǎn)程抄表無(wú)需實(shí)時(shí)連接，其數(shù)據(jù)傳輸頻率非常低，而保持3G實(shí)時(shí)通訊會(huì)浪費(fèi)很多能源。RPMA的設(shè)計(jì)是每天抄表的時(shí)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(kāi)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(chǎng)迅速推廣。

　　

　　圖4：中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模

　　以中國(guó)為例， 2015年中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模約為7500億，2018年預(yù)計(jì)可以突破15000億，未來(lái)三年，中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)復(fù)合年增長(zhǎng)率達(dá)25%。

　　隨著國(guó)內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的不斷發(fā)展，我國(guó)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(yíng)、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)在內(nèi)的較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈，市場(chǎng)應(yīng)用廣泛分布在智能制造、物流、安防、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、電力、交通等領(lǐng)域。

　　

　　圖5：中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場(chǎng)結(jié)構(gòu)

　　為迅速占領(lǐng)低功耗廣域網(wǎng)市場(chǎng)，Ingenu表示，該公司已經(jīng)在全球超過(guò)45個(gè)國(guó)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(guó)30個(gè)城市建立600個(gè)通訊塔，覆蓋七成的美國(guó)國(guó)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(chǎng)應(yīng)用。