RPMA来中国了——美国都在用的低功耗广域网通信技术

低功耗广域网技术RPMA进入中国

作为物联网低功耗广域网技术领域最大的黑马——RPMA技术已经来到中国了，早在今年1月份，RPMA技术的拥有者美国Ingenu公司CEO John Horn就亲自到无锡拜访，计划以无锡为基地，逐步将以RPMA为核心技术的物联网基础设施扩大到全中国范围。目前，Ingenu已经与无锡军工智能电气股份有限公司展开合作，成立无锡九洲通讯作为Ingenu唯一授权公司在中国大陆推广其RPMA技术及应用。

RPMA技术介绍

RPMA，全称Random Phase Multiple Access，官方中文翻译为“随机相位多址接入”，是物联网领域一种低功耗广域网(LPWA)技术。

那LPWA又是什么呢?

LPWA，全称Low Power Wide Area，即低功耗广域网络，低功耗广域网络是面向物联网中远距离和低功耗的通信需求，近年出现的一种物联网无线连结技术，具有传输距离远、节点功耗低、网络结构简单、运行维护成本低的技术特点。低功耗广域网络技术的出现，填补了现有通讯技术的空白，为物联网的更大规模发展奠定了基础。

图1：主要通讯技术的覆盖范围及连接成本

对于消费类的物联网(IoT)应用来说，Wi-Fi、ZigBee和Bluetooth等是非常理想的近距离无线网络技术，但对于更广泛的民用、工业和其他物联网的长距离应用，蜂巢网络或卫星能够满足要求，但这些技术在成本、功耗和可扩展性等方面缺乏竞争力。因此，在发展物联网技术的背景下，低功耗广域网(LPWA)技术应运而生。

低功耗广域网(LPWA)技术的用途非常广泛，诸如停车场资源、交通流量控制、公用设施监视、配电控制，以及环境监视等民用基础设施只是开始，而诸如农作物生长情况监视和牲畜迁移等农业应用也需要广域网覆盖;从出租车到冷冻货运等资产监视和追踪，则需要地区性、全国性甚至全球性的网络覆盖。铁、公路等交通基础设施也需要广域监视;即使是医疗保健等消费性应用，也能从替代蜂巢式电话的广域网链接中受益。

LPWA具有覆盖范围广、服务成本低、能耗低的特点，能够满足物联网社会环境下，广域范围内数据交换频率低、连接成本低、漫游网点切换方便、适用复杂环境的连接需求，是理想的物联方式。

图2：几种广域联网技术的主要指标对比

RPMA正式在物联网技术发展背景下应运而生的一种低功耗广域网接入技术，RPMA由美国Ingenu公司开发，Ingenu在2008年成立，公司在2015年9月前的名称是ONRAMP。Ingenu为开发人员提供了收发器模组以连接到该公司及其合作伙伴在全球范围内建立的RPMA网络;这些网络将来自终端节点的信息转发至使用者的IT系统。同时，RPMA也可适用于想要搭建私有网络的客户人群。

在RPMA终端和基站的共同运作下，用户可以管理他们通信的容量、数据速率和范围;基站与在预定义时间框架内发送信号的终端节点保持同步，从时间框架起点采取随机延时，终端节点也根据接收到的信号强度选择发送的展频因子。

接取点在接收数据之后会对接收信号进行解展频、解交错、维特比译码，然后执行CRC检查。随着网络使用率的提高，接取点可以命令终端节点降低他们的发送信号强度，以便减少它必须处理的节点数量。

Ingenu RPMA的安全性包括双向认证、256位元加密和16Bytes的哈希函数，因而能够有效地保护信号流量;这种方案允许网络向终端节点提供授权的软件升级，并能确保信息的完整性和重送保护。

RPMA的优势

和市场同类产品相比，RPMA技术竞争力明显，通过与竞争对手相似的LPWA技术的对比，RPMA技术有五个主要特点：

一、网络覆盖能力强。RPMA基站的网络覆盖范围极广，覆盖整个美国和欧洲大陆分别只需要619个基站和1866个基站，而对应采用LoRa技术则分别需要10830个基站和43319个基站;采用Sigfox技术则分别需要6840个基站和24837个基站。基站数目的减少大大降低了物联网的建设及运营成本，因而从长期来看其经济效益更高。

二、系统容量大。以美国大陆为例，如果物联网中的设备每小时传输一百个字节的信息，那么采用RPMA技术可以接入249232个设备，而采用LoRa技术和Sigfox技术则分别只能接入2673个设备和9706个设备。

三、能够充分降低设备能耗，进而尽可能地延长电池的使用寿命。RPMA采用功率控制和信息传输确认的办法来减少重新传输的次数，终端在数据传输的间隔进入 睡眠状态来减少功耗，延长电池寿命。

四、采用统一频率，方便漫游。RPMA技术采用的是2.4G频段，该频段在全球都属于免费频段，这样RPMA的设备可以在全球实现漫游。Sigfox在欧洲使用的是868MHz的频率，在美国使用的是915MHz的频率，而868和915这两个频率在中国已被占用，实现漫游比较困难。

五、双向通讯，可以广播。RPMA采用的是双向通讯的方式，可以通过广播的方式对终端设备进行控制或升级。Sigfox采用的是单向传输，Lora采用的是半双工的通讯方式。

RPMA技术在物联网应用方面处于遥遥领先的水平，对提升我国在物联网的建设必将产生积极的推进作用。

图3：RPMA技术规格与同类竞争对手的对比

RPMA在物联网领域范围内的应用案例

以GE公司为例，GE宣布推出自己的AMI智能电表通信解决方案，而该解决方案正是使用RPMA作为它的接入网络。通过本次合作证明在仅有34个接入点的前提下网络覆盖的领土面积达4800平英里，然而一个传统的AMI网状网络可能需要几千个节点设备才能管理达到同样的效果。

节能路灯也是物联网应用在智慧城市建设中的一个重要方面，在加勒比海的阿鲁巴岛，开发了物联网路灯，通过网络实时监控路灯状态。因为LED的发光特性由灯管寿命及通电电流决定，对于一定的发光强度，需要的电流大小与灯的使用时间成反比，传统的路灯无法调节电流大小，这样既导致了电能的浪费又缩短了灯的使用寿命，采用物联网路灯后可以通过对灯的特性进行分析来调节电流大小，以达到节能与延长路灯使用寿命的目的。经过一段时期的运营后发现，采用RPMA技术后的物联网路灯比传统路灯节约了63%的能耗，大大节省了政府部门对于公用设施的投入。

用于油气管网间的调度也是RPMA技术的应用领域之一，在尼日利亚为壳牌制定了一套油气调度装置，节省了将近92%的成本。

智能抄表也是一种非常重要的应用，在智能水(电)表中嵌入RPMA无线芯片可以使其定期自动上报计量数据，无需人工抄表，这将极大的提升运营效率并降低成本。但由于水表的放置环境通常在壁橱等隐蔽环境，而且无法外接电源，传统的无线技术在覆盖能力和功耗方面不能很好的满足水表远程抄表的需求。因为远程抄表无需实时连接，其数据传输频率非常低，而保持3G实时通讯会浪费很多能源。RPMA的设计是每天抄表的时候建立连接，传输数据，之后就把通讯功能停掉，这便大大降低了功耗。

发展前景

RPMA技术是Ingenu公司在全球大力发展物联网产业的背景下，为了解决低功耗广域网络连接难题而开发的一种LPWA技术。可以预期，在物联网产业规模飞速扩张的条件下，作为广域网连接的一项重要技术，RPMA技术将在市场迅速推广。

图4：中国物联网市场规模

以中国为例， 2015年中国物联网市场规模约为7500亿，2018年预计可以突破15000亿，未来三年，中国物联网市场复合年增长率达25%。

随着国内物联网市场的不断发展，我国已经初步形成了覆盖芯片和元器件、设备、软件、系统集成、电信运营、物联网服务在内的较为完整的产业链，市场应用广泛分布在智能制造、物流、安防、车联网、电力、交通等领域。

图5：中国物联网应用市场结构

为迅速占领低功耗广域网市场，Ingenu表示，该公司已经在全球超过45个国家和地区部署其2.4GHz网络RPMA，该公司目标在2016年底于美国30个城市建立600个通讯塔，覆盖七成的美国国土。此外Ingenu也打算与更多晶片、模组及系统供应商建立伙伴关系，围绕RPMA技术打造健康的生态系统，进一步推进RPMA的市场应用。

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