物联网战火起，LPWAN多方争霸“芯”机遇

5G带动下，物联网产业链初具规模

受疫情影响，2020年以来，全球5G技术的推进喜忧参半。在印度和西班牙，5G频谱拍卖因疫情而延迟；而在南非、瑞典等国，面对需求的激增，运营商在获得新增频谱以扩充容量后，比计划提前推出了5G服务。

截至2021年1月，全球57个国家已建成144个5G商用网络，5G连接数量达到2.35亿左右。其中，中国在5G市场的贡献量非常显著。根据全球移动通信系统协会（GSMA）今年2月发布的《2021中国移动经济发展报告》显示，到2020年底，中国5G终端连接数超过2亿，占全球5G连接总数的87%，预计到2025年，中国5G连接数有望达到8.22亿。报告中还指出，在中国，每5家企业中就有2家打算在12个月内部署一个新的物联网项目，其迫切性仅次于美国。

Semtech中国区销售副总裁黄旭东直言：“5G技术的推广对于物联网有很大的促进作用，首先增加了物联网设备接入互联网的速度和带宽；其次5G本身也有物联网属性，自带了不少物联网的项目。”

图源：i-scoop

在这样的大背景下，物联网产业链开始初具规模。根据Statista 发布的数据显示，2020年全球物联网市场规模达到2480亿美元，到2025年预计市场规模将超过1.5万亿美元，复合增长率达到44.59%。另根据中国产业信息网的数据及预测，2019年全球物联网设备数量已达到107亿台，预计2025年物联网连接数将达到251亿台，保持12%以上的增长。

而低功耗广域网（LPWAN）作为物联网的重要分支，得到了社会各界的关注。同样用一组数据来阐述LPWAN这几年的进展情况。截至2021年4月，全球已经有71个国家投资建设了129张移动物联网，其中NB-IoT网络达到93张。另根据IoT Analytics的预测，2017- 2023年间，低功耗广域网络连接数年复合增长率将达到109%，到2023年低功耗广域网络连接数总数超过11亿，用户在此类连接上的支出超过47亿美元。

图 | LPWAN连接市场规模2017-2023，图源：IoT Analytics

聚焦LPWAN，谁在主导多方争霸新战局？

从市场总量来看，这几年LPWAN发展较为迅速。但在技术领域，我们常常只看到NB-IoT和LoRa的较量报道，却对其他技术鲜少提及。

事实上，NB-IoT、LoRa、eMTC、Sigfox、Wi-SUN、Weightless-P、RPMA、ZETA等都属于低功耗广域网（LPWAN）技术，这些技术的市场价值体量是怎样的排列关系？是谁在主导LPWAN的市场发展？这些技术又分别在哪些细分应用领域占据优势呢？

图源：ABI Research

芯翼信息市场高级总监祁卫给出了他的排序：NB-IoT、LoRa/ZETA、eMTC、RPMA/Weightless-P/Sigfox，他认为ZETA比较靠前是因为在当前的大环境下，背靠国内巨大的市场，ZETA发展起来的机会比较大，RPMA/Weightless-P/Sigfox并列则是因为这几个技术目前看发展得都很一般，未来前景不看好。

至于应用侧，祁卫表示：“除了eMTC以外，另外几个技术比较类似，都比较追求低功耗、低成本，所以相对来说，比较适合得应用领域比较类似：如智能表计、智能烟感、共享经济（静态类）等；eMTC可以支持语音，所以应用领域范围再宽一些：公网对讲，智能穿戴等。”

Silicon Labs物联网无线技术经理Cristian Cotiga则持不同的观点，他认为随着时间的推移，在智能表计和智慧城市市场中，Wi-SUN技术将拥有最高的市场价值。

至于应用侧，Cristian Cotiga表示：“上述每项技术都是为了应对某些特定的细分市场和应用场景而开发的。每项技术在其目标市场上都具备一定的优势。NB-IoT非常适合需要移动性和全国/国际覆盖范围的应用，例如跟踪集装箱运输；eMTC是NB-IoT和LTE-M的5G版本，因此上述关于NB-IoT的说明也适用于此；LoRa适用于距离很远、数据很少/数据速率很低、发送频率也很低的应用场景，例如森林土壤传感器每天只报告一次土壤湿度；SigFox的目标应用场景与LoRa相同，主要区别在于SigFox的数据速率更低，有效负载也非常低，因此SigFox适合的应用就更加有限，此外SigFox是完全专有的，而LoRaWAN（上层）则是开放规范；Wi-SUN是面向智能表计和智慧城市应用，该技术足够灵活，可以应对一些LoRa和SigFox的应用场景，但反之则不然。”

而移远通信和Nordic Semiconductor则站队NB-IoT和LTE-M，移远通信副总经理孙延明从模组商的角度表示：“目前无论从政策、技术还是产业链层面来看，NB-IoT和LTE-M这两项授权频谱技术都更具备优势，行业参与者众多，包括运营商网络覆盖、芯片、模组、终端等持续发展，已挖掘出百万乃至千万级别的规模应用，且不断开拓出创新的物联网应用。”

图源：IOT Factory

前面是从技术本身和细分市场的角度来剖析LPWAN展现出的各家争鸣的态势，事实上，在地域分布方面，同样呈现出了分化的趋势。

前Sigfox全球战略伙伴高级总监严更真表示：“这几种物联网通信技术，虽然在很多场合被业界划分为同一类技术进行技术参数的对比，但这种比较方法有很大的局限性。各种通信技术，具体到某个客户、某个区域、某个国家、某个应用场景，则可体现出很大的差异化和价值。对他们进行笼统地来比较没有特别大的意义。比如在美洲市场，基本没有NB-IOT网络；在拉美大部分国家, Sigfox覆盖最好；LoRa主要以局域网或城域网为主，没有全球性互通的网络，很难实现漫游；Sigfox可以在许多国家可以无缝互通。同时，根据所在地区可获得的网络的情况，多种通信技术又可以互补。因此，Sigfox在日本的燃气表市场、海外国家的车辆防丢失追踪市场、大范围资产追踪、物流供应链市场等，占有很大的优势。”

“此外，海外市场的大型物联网项目落地进程受到疫情的影响较大，同时在中美经济摩擦、政治与国际关系等因素的影响下，部分具有跨国业务的大型物联网产业链企业的业绩在中国及国外市场的比重呈现出变化和调整的趋势。” 严更真补充道。

对于LoRa更适合局域网这一点，磐启微电子的创始人及CEO李宝骐给出了相同的答复，但他的理由更偏技术层次。李宝骐表示：“LoRa采用扩频技术，工作在非授权频段，人人能用的这些信道异常拥挤，在中国又受到工信部政策《微功率短距离无线电发射设备管理要求》的限制，因此LoRa不论是从漫游问题、发射功率还是持续发射时间的角度出发，都是不具备广域网条件，更适合较远距离的局域网场景。”

综上表述，除了李宝骐认为LoRa更具局域网基因，以及祁卫认为ZETA的发展将相对靠前外，其他观点都相对一致，那就是NB-IoT、LoRa、eMTC、Sigfox、Wi-SUN会是LPWAN的主流。

而市场面的反馈也在一定程度上证实了一点——NB-IoT和LoRa正在主导目前的LPWAN市场。根据IoT Analytics的统计，2018年，NB-IoT和LoRa已经占据了低功耗广域网络70%的市场份额，紧随其后的是Sigfox和eMTC。IHS在《按照技术划分的LPWAN连接市场规模2017-2023》中预估，LoRaWan和NB-IoT技术将在2023年以超过80%的份额主导LPWAN市场。

“多模芯”和“单芯片解决方案”成趋势的背后

除了市场层面的变化，我们发现LPWAN技术层面也在不断演进，并呈现出“多模芯”和“单芯片解决方案”的趋势。对于这两种技术趋势，业内存在三种声音——支持、反对和中立，下面是三方battle的一种记录：

多模芯是“真需求”吗？

正方观点：真需求

祁卫（芯翼信息）：“多模芯”相对传统的分立方案而言，不论是在成本、布板面积、外围器件数量、功耗都有相当大的优势。唯一的劣势在于客户一旦选用高集成度的多模芯，则在供应链层面选择面变窄了。NB-IoT+BLE将会是一个热门组合，其中有龙头厂商（海思）的市场教育能力，还有BLE给终端厂家实实在在带来的一些好处：

1）替代红外作为近场测试维护的无线通信手段，大大方便了终端设备的选择（普通智能手机即可，而不需要支持红外的专用机）；
2）在蜂窝信号不好的区域，终端设备可以采取Mesh组网，将信号不好的设备所需通信的数据通过BLE传递给信号较好的设备，从而实现了信号的补强；
3）鉴于NB-IoT的通信带宽较窄，一直以来软件升级是个难题，有了BLE以后，至少可以实现近场的软件升级，大大提高了终端设备的可维护性。

Cristian Cotiga（Silicon Labs）：由于更多的物联网产品开始需要第二种协议（如蓝牙）在系统中可用，因此对多模片上系统（SoC）的需求开始变得更加旺盛。第二种协议可以简化这些设备的调试，并通过直接连接至移动设备增强了用户体验。除此之外，在多个协议之上运行的各种应用层更令人感兴趣，例如使用 Wi-Fi、蓝牙或Thread的Matter，它需要单个SoC通过并发或时间切片的方式同时支持多种协议。

反方观点：伪需求

黄旭东（Semtech）：在电子信息技术领域，绝大多数解决方案都要在考虑系统性能的同时，也要考虑成本、功耗和体积等制约因素，把单一功能优化到极致和在同一颗芯片中做更多集成都是实现系统设计最优化的方式。但是在物联网行业中，一般情况下一个物联网终端或传感器主要完成单一的功能，且无线通信的方式也是单一的，这样可以大大降低成本；因此在现今我们涉及的物联网市场中，暂时尚未发现这种“多模芯”趋势。

中立观点：真伪参半

李宝骐（磐启微电子）：就像手机芯片一样，由于每个运营商的基站和通信频率不同，就从原来的5模13频发展到了现在的十几种模式，支持2G、3G、4G、5G的各种频率。但在物联网领域，“多模芯”还是看市场需求，比如有些NB-IoT基站信号不好，就将Cat.1和NB-IoT放在一起，但是会增加方案的成本和复杂性，多方平衡。

严更真（现Panthronics，前Sigfox）：有些应用场景，特别追求最低物联网通信的总投资成本；有些应用确实需要结合多种通信技术。但海外市场，多种LPWAN技术集成的多模芯不是特别成功。

孙延明（移远通信）：在物联网行业，没有万能的通信技术，客户需要根据其应用场景、市场定位去选择更贴近其需求的模组产品。站在模组商的角度，尽力去丰富产品线，不断为客户提供质量好、功能完善、性价比高的解决方案才是王道。目前，移远的LPWA系列产品组合除了NB-IoT和LTE-M单模模组，还有NB-IoT+GSM、NB-IoT+GNSS、NB-IoT+LTE-M+GNSS等。

图源：LoRa Alliance

单芯片解决方案会蚕食模组厂商的市场份额吗？

统一观点：单芯片解决方案是行业趋势，但不会蚕食模组厂商的市场份额

Oyvind Borgan（Nordic）：单芯片解决方案是加速研发和节省成本的良药
并非所有的IoT应用都是复杂的，但所有的应用都需要安全和可靠的连接。从我们的角度来看，系统级封装(SiP)和系统级芯片(SoC)产品比较集成度较低的解决方案更有优势。我们的客户可以通过集成解决方案减省整体物料清单成本和 PCB 尺寸，但如果采购部门只是直接比较MCU和SiP器件，便可能会忽略这一点。如果将所有分立元件加起来并计算开发成本，无线SiP和模块可为用户节省开发时间和费用。客户可以提前竞争对手6到12个月时间销售无线物联网解决方案，从而增加总销售额。这可以提供宝贵的市场反馈，用于新的修订或更新，从而在市场竞争中保持领先。

Cristian Cotiga（Silicon Labs）：模块化可简化认证过程
集成一直是行业的趋势，而Silicon Labs一直是这方面的开拓者。然而，传统的解决方案将继续存在，并且不会完全消失，因为合规性要求会产生对模块化的需求。模块化简化了认证过程，允许独立的子系统单独进行认证，然后再用于更大的产品中（例如，经过认证的射频模块）。此外，鉴于天线类型、尺寸和位置方面的挑战以及辐射能量相关的限制，开发高性能的无线产品会比较棘手。因此，许多并非专门研究无线技术的产品厂商更喜欢使用现成的模块，这些模块可以简单地附加到他们现有的非无线产品上。

黄旭东（Semtech）：独立射频前端加MCU的方案仍具较大活力
高集成度的无线SoC的确有诸多优点，如体积小，开发难度小等，适用于许多应用场景。但是传统的独立射频前端加MCU方案依然有很大活力。这是因为高集成度的无线SoC中的MCU资源种类较少，这是开发商由于市场和成本被迫做出的决策。如果MCU配置太高则芯片面积大成本太高，如果配置太低则无法满足客户需求，再或者一些特殊的需求无法集成在SoC中，这就导致依然有大量的客户使用MCU+射频前端的方式。

在目前的市场上，一类无线SoC中MCU资源配置往往只有几种；而在今天的实际应用中，针对各种应用可选的MCU的型号可以有几百上千种。模组厂商现在销售的模组包含两种模式，即只有射频前端的模组和基于SoC的模组，而且越来越多的模组厂商会提供一些简单的解决方案来提高自身附加值。

祁卫（芯翼信息）：万物皆可模组化，方案商和模组商聚焦维度不同

站在模组厂商的角度来看问题，可以说“万物皆可模组化”。什么意思？让我们来看一个例子，哪个行业的芯片的集成度最高？毫无疑问是手机SoC，我们都知道当下智能手机的AP芯片集成度非常高，在小小的一颗芯片里集成的CPU、GPU、NPU、ISP、Memory、丰富的外设接口等，手机行业本身看着似乎也没有模组厂家什么事儿。但手机芯片强大的功能，相对便宜的价格（由于手机行业激烈的竞争，不断更新迭代的产品压力），吸引模组厂家做了一件什么事儿呢？做智能模组！啥是智能模组？说白了就是把手机AP芯片拿来，做成一个相对标准的模组，应用于很多行业，如智慧门禁、扫码支付、扫地机器人等。所以，芯片本身的高集成度跟模组厂商、甚至传统方案商的生存并不是一个此消彼长的关系，模组厂商的核心价值在于渠道和售后的技术支持能力，方案商则更多聚焦于产品本身的功能和性能，特别是软件部分。

“硝烟”下，LPWAN各方共同面临安全问题的挑战

“在通往万物智联的道路上也同样面临着诸多挑战，比如物联网场景多样化、需求碎片化，不同场景对于智能连接的要求千差万别；再比如工业应用所需的工规级标准要求，对于软硬件系统的安全、质量、服务都有着更高的要求。因此，多样性终端+数据安全，是物联网发展的两大基石。” 展锐广域物联网副总裁樊陈如是说。

图 | Structural architecture of a LoRaWAN，图源：mdpi

的确，物联网时代下的数据爆发带来了数据安全问题，包括LPWAN领域，并且物联网术语中的“安全性”是多方面和多层次的。

祁卫表示：“理论上，为了让设备具备基础的安全能力，需要有一个可信的安全单元（SE，Secure Element），这个安全单元既有硬件部分，也有相应的软件，形成了设备侧的安全基础。其硬件部分包括基本的安全运行环境、密码算法、安全存储、设备ID等；软件部分保证接口安全、与另一端的通信安全、数据安全等。参照智能手机的发展历程，初期的智能手机没有安全单元，完全靠手机操作系统的安全性来保证智能手机的安全，整个移动互联网产业面临了很大的安全挑战。通过芯片厂商、操作系统厂商、手机厂商，以及移动应用开发商的持续努力，结合移动安全研究成果，智能手机的整体安全方案趋向成熟与稳定，建立起TEE（可信任执行环境）,保障了移动互联网的繁荣与发展。”

“但在讨论物联网安全时，物联网平台或云服务是一个容易被忽略的点，但事实上，很多针对物联网设备的攻击都是从物联网平台或云服务入手的。譬如，特斯拉早期被攻击正是从它的云服务作为入口进去的。攻击者并没有破解汽车中的软件系统，而是找到云服务的漏洞来远程控制特斯拉汽车。在这样的模型中，如果客户端软件专门针对某一类物联网设备，那么，攻击者通过逆向技术或者搭建完全可控的客户端环境，就可以看到客户端发出或接收到的每一个请求或应答。在这种情况下，客户端与平台或云服务之间的通信是完全可分析的，敏感信息不能以明文形式留在客户端。因此，平台或云服务的设计者必须假定客户端的环境是不安全的，并利用密码学或网络安全的技术来保证通信过程的安全可靠。这样的技术是比较成熟的，很多移动服务的发展已经充分证实了这一点。”

而Cristian Cotiga则从数据状态的角度出发，为我们剖析了物联网领域的数据安全问题，他表示：“考虑数据安全主要在于考虑如何保护静态数据、传输中的数据和使用中的数据。对于静态数据，主要的技术是使用对称密钥简单地对数据进行加密，并安全地存储该对称密钥。对于传输中的数据，你可以使用非对称加密方法来共享公钥，然后使用公钥安全地传输对称会话密钥。对于使用中的数据，你确实必须考虑将在安全区域以明文形式操作数据的代码库与其他不受信任的代码分开。这通常是通过在Arm内核中创建类似TruztZone的可信执行环境（Trusted Execution Environment）来实现的。以上这些很大程度上依赖于对基本密码算法的对称密钥的保护。”