RPMA來中國了——美國都在用的低功耗廣域網(wǎng)通信技術

　　低功耗廣域網(wǎng)技術RPMA進入中國

　　作為物聯(lián)網(wǎng)低功耗廣域網(wǎng)技術領域最大的黑馬——RPMA技術已經來到中國了，早在今年1月份，RPMA技術的擁有者美國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為核心技術的物聯(lián)網(wǎng)基礎設施擴大到全中國范圍。目前，Ingenu已經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唯一授權公司在中國大陸推廣其RPMA技術及應用。

　　RPMA技術介紹

　　RPMA，全稱Random Phase Multiple Access，官方中文翻譯為“隨機相位多址接入”，是物聯(lián)網(wǎng)領域一種低功耗廣域網(wǎng)(LPWA)技術。

　　那LPWA又是什么呢?

　　LPWA，全稱Low Power Wide Area，即低功耗廣域網(wǎng)絡，低功耗廣域網(wǎng)絡是面向物聯(lián)網(wǎng)中遠距離和低功耗的通信需求，近年出現(xiàn)的一種物聯(lián)網(wǎng)無線連結技術，具有傳輸距離遠、節(jié)點功耗低、網(wǎng)絡結構簡單、運行維護成本低的技術特點。低功耗廣域網(wǎng)絡技術的出現(xiàn)，填補了現(xiàn)有通訊技術的空白，為物聯(lián)網(wǎng)的更大規(guī)模發(fā)展奠定了基礎。

　　圖1：主要通訊技術的覆蓋范圍及連接成本

　　對于消費類的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應用來說，Wi-Fi、ZigBee和Bluetooth等是非常理想的近距離無線網(wǎng)絡技術，但對于更廣泛的民用、工業(yè)和其他物聯(lián)網(wǎng)的長距離應用，蜂巢網(wǎng)絡或衛(wèi)星能夠滿足要求，但這些技術在成本、功耗和可擴展性等方面缺乏競爭力。因此，在發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術的背景下，低功耗廣域網(wǎng)(LPWA)技術應運而生。

　　低功耗廣域網(wǎng)(LPWA)技術的用途非常廣泛，諸如停車場資源、交通流量控制、公用設施監(jiān)視、配電控制，以及環(huán)境監(jiān)視等民用基礎設施只是開始，而諸如農作物生長情況監(jiān)視和牲畜遷移等農業(yè)應用也需要廣域網(wǎng)覆蓋;從出租車到冷凍貨運等資產監(jiān)視和追蹤，則需要地區(qū)性、全國性甚至全球性的網(wǎng)絡覆蓋。鐵、公路等交通基礎設施也需要廣域監(jiān)視;即使是醫(yī)療保健等消費性應用，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、服務成本低、能耗低的特點，能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)社會環(huán)境下，廣域范圍內數(shù)據(jù)交換頻率低、連接成本低、漫游網(wǎng)點切換方便、適用復雜環(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)技術的主要指標對比

　　RPMA正式在物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展背景下應運而生的一種低功耗廣域網(wǎng)接入技術，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建立的RPMA網(wǎng)絡;這些網(wǎng)絡將來自終端節(jié)點的信息轉發(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)絡的客戶人群。

　　在RPMA終端和基站的共同運作下，用戶可以管理他們通信的容量、數(shù)據(jù)速率和范圍;基站與在預定義時間框架內發(fā)送信號的終端節(jié)點保持同步，從時間框架起點采取隨機延時，終端節(jié)點也根據(jù)接收到的信號強度選擇發(fā)送的展頻因子。

　　接取點在接收數(shù)據(jù)之后會對接收信號進行解展頻、解交錯、維特比譯碼，然后執(zhí)行CRC檢查。隨著網(wǎng)絡使用率的提高，接取點可以命令終端節(jié)點降低他們的發(fā)送信號強度，以便減少它必須處理的節(jié)點數(shù)量。

　　Ingenu RPMA的安全性包括雙向認證、256位元加密和16Bytes的哈希函數(shù)，因而能夠有效地保護信號流量;這種方案允許網(wǎng)絡向終端節(jié)點提供授權的軟件升級，并能確保信息的完整性和重送保護。

　　RPMA的優(yōu)勢

　　和市場同類產品相比，RPMA技術競爭力明顯，通過與競爭對手相似的LPWA技術的對比，RPMA技術有五個主要特點：

　　一、網(wǎng)絡覆蓋能力強。RPMA基站的網(wǎng)絡覆蓋范圍極廣，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，而對應采用LoRa技術則分別需要10830個基站和43319個基站;采用Sigfox技術則分別需要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)的建設及運營成本，因而從長期來看其經濟效益更高。

　　二、系統(tǒng)容量大。以美國大陸為例，如果物聯(lián)網(wǎng)中的設備每小時傳輸一百個字節(jié)的信息，那么采用RPMA技術可以接入249232個設備，而采用LoRa技術和Sigfox技術則分別只能接入2673個設備和9706個設備。

　　三、能夠充分降低設備能耗，進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技術采用的是2.4G頻段，該頻段在全球都屬于免費頻段，這樣RPMA的設備可以在全球實現(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備進行控制或升級。Sigfox采用的是單向傳輸，Lora采用的是半雙工的通訊方式。

　　RPMA技術在物聯(lián)網(wǎng)應用方面處于遙遙領先的水平，對提升我國在物聯(lián)網(wǎng)的建設必將產生積極的推進作用。

　　圖3：RPMA技術規(guī)格與同類競爭對手的對比

　　RPMA在物聯(lián)網(wǎng)領域范圍內的應用案例

　　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。通過本次合作證明在僅有34個接入點的前提下網(wǎng)絡覆蓋的領土面積達4800平英里，然而一個傳統(tǒng)的AMI網(wǎng)狀網(wǎng)絡可能需要幾千個節(jié)點設備才能管理達到同樣的效果。

　　節(jié)能路燈也是物聯(lián)網(wǎng)應用在智慧城市建設中的一個重要方面，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)絡實時監(jiān)控路燈狀態(tài)。因為LED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)的路燈無法調節(jié)電流大小，這樣既導致了電能的浪費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行分析來調節(jié)電流大小，以達到節(jié)能與延長路燈使用壽命的目的。經過一段時期的運營后發(fā)現(xiàn)，采用RPMA技術后的物聯(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施的投入。

　　用于油氣管網(wǎng)間的調度也是RPMA技術的應用領域之一，在尼日利亞為殼牌制定了一套油氣調度裝置，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)的無線技術在覆蓋能力和功耗方面不能很好的滿足水表遠程抄表的需求。因為遠程抄表無需實時連接，其數(shù)據(jù)傳輸頻率非常低，而保持3G實時通訊會浪費很多能源。RPMA的設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技術是Ingenu公司在全球大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)的背景下，為了解決低功耗廣域網(wǎng)絡連接難題而開發(fā)的一種LPWA技術?？梢灶A期，在物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)規(guī)模飛速擴張的條件下，作為廣域網(wǎng)連接的一項重要技術，RPMA技術將在市場迅速推廣。

　　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年預計可以突破15000億，未來三年，中國物聯(lián)網(wǎng)市場復合年增長率達25%。

　　隨著國內物聯(lián)網(wǎng)市場的不斷發(fā)展，我國已經初步形成了覆蓋芯片和元器件、設備、軟件、系統(tǒng)集成、電信運營、物聯(lián)網(wǎng)服務在內的較為完整的產業(yè)鏈，市場應用廣泛分布在智能制造、物流、安防、車聯(lián)網(wǎng)、電力、交通等領域。

　　圖5：中國物聯(lián)網(wǎng)應用市場結構

　　為迅速占領低功耗廣域網(wǎng)市場，Ingenu表示，該公司已經在全球超過45個國家和地區(qū)部署其2.4GHz網(wǎng)絡RPMA，該公司目標在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)供應商建立伙伴關系，圍繞RPMA技術打造健康的生態(tài)系統(tǒng)，進一步推進RPMA的市場應用。