大规模物联网如何改变世界

世界上最大的生物既不是大象也不是鲸鱼，是一种位于俄勒冈州蓝山的真菌。这种真菌有巨大的地下卷须，分布在3.4平方英里(8.8平方公里)的范围内，据估计已有8500年的历史。每年有几个星期，它会长出从土壤中探出的蘑菇。

俄勒冈州的“巨大真菌”是一个连接的网络，将信息传输到一个巨大的、几乎看不见的地形上的许多节点。这让你想起什么了?是的，它就像大自然自己的物联网。更准确地说，它就像大自然的大规模物联网。

那么，大规模物联网究竟是什么?它与其他类型的物联网有何不同?

区别在于数据量、延迟、能耗和处理能力。大规模物联网描述了一个拥有大量连接设备的网络。这些机器通常收集数据并将信息传输回中央服务器/云。由于它们的能力有限(通常位于偏远地区)，这些“事物”通常成本低、功耗低且相对“笨拙”。想想在田野、河流和林地收集信息的农业传感器。

现在将其与关键物联网进行比较。

事实恰恰相反。它描述了由执行高度战略功能的超级先进机器组成的物联网。关键物联网应用消耗大量数据和电力，要求低延迟，并且在许多情况下必须始终可用。想想自动驾驶汽车和远程手术。

得益于蜂窝连接技术的进步，大规模物联网正处于急剧增长阶段。Juniper估计，到2024年，物联网连接总数将从2020年的350亿上升到830亿。专家认为，其中约有一半可能是大规模物联网。

与此同时，在价值方面，IndustryARC预测，到2026年，大规模物联网市场的复合年增长率将达到7.1%，到2026年将达到1214亿美元。

大规模物联网:蜂窝网络的关键作用

大规模物联网市场的一个关键驱动力是蜂窝通信的进步。为什么?因为任何大规模物联网都依赖于可靠的低功耗广域网(LP-WAN)技术。这与要求集中位置的高功率和高速度的关键物联网不同。

那么，一个“好的”LP-WAN的属性是什么呢?有三种:

• 可以经济高效地远距离连接大量设备。
• 可以在较长的生命周期内连接和管理设备。
• 可以建立安全和信任，让用户确信设备和数据不会被不良行为者截获。

显然，Wi-Fi、蓝牙和其他“短距离”协议无法满足其中许多要求。因此，蜂窝网络非常重要，且其覆盖范围非常广泛。

但这里有个转折。从历史上看，蜂窝网络的构建是考虑到人和手机，而不是“事物”。

为了说明这个问题，以土壤传感器为例。假设一家农业企业想要在数百平方英里的土地上安装5000个这样的小型设备。传感器的复杂性很低，只会传递湿度和酸度的读数，且大多数时间将处于睡眠模式。它们也会存在于环境恶劣的地方，但对人类工程师而言太偏远，无法定期访问。

显然，对于这家农业企业而言，为了这个目的在其土地上安装5000个高性能和昂贵的手机类型的设备是没有意义的。

大规模物联网的网络技术:LTE-M和NB-IoT

到2010年代，移动行业的技术标准机构3GPP已经认识到需要支持低维护低功耗设备的互联网。2016年，该企业确认了两项新的网络技术:LTE-M和NB-IoT。

这两个标准有很大的不同。LTE-M(也被称为LTE Cat M1)使用与4G/LTE相同的频谱和基站，但被精简了。其支持高达1Mbps的下行和上行速度，延迟为50到100毫秒。这使得它对实时通信非常有用。

LTE-M已在现有LTE网络上广泛推广。据GSMA称，截至2022年5月，有60家运营商提供LTE-M服务。

然而，许多机器甚至不需要这样的带宽。对其而言，有NB-IoT(也称为LTE Cat M2)。NB-IoT使用更简单的芯片，功耗更低。它最大支持62.5 kbps，时延1.5~10秒。显然，这不适用于实时通信，但对于间歇性数据传输来说很合适。因此，NB-IOT传感器可以支持长达10年的电池寿命。

据GSMA称，截至2022年5月，已有110家运营商推出了NB-IoT网络。

大规模物联网:5G的作用

现在，我们正在进入5G时代。很明显，5G的超高速和低延迟特性将加速关键物联网的部署。远程手术和自主运输的应用案例已经开始推出。

但5G将对大规模物联网产生什么影响?

首先需要说明的是，3GPP已同意其NB-IoT和LTE-M技术将作为5G规范的一部分继续发展。换句话说，NB-IoT和LTE-M将与其他5G组件，如增强型移动宽带和关键通信，在同一网络中共存。所有这些都意味着移动运营商的投资得到了保护，同时NB-IoT和LTE-M模块也将面向未来。

在5G时代，NB-IoT和LTE-M网络将比以往任何时候都更广泛，支持更多的设备。这得益于5G前所未有的容量，其拥有以下能力。

• 每单位面积的连接设备数量高达100倍（(与4G LTE相比)
• 支持在0.386平方英里或1平方公里内安装100万台设备。
• 99.999%的可用性
• 100%的覆盖率
• 网络能源使用减少90%，这意味着连接对象可以在不需要人工协助的情况下运行数月或数年。
• 低功耗物联网设备的电池寿命长达10年

一种用于新型连接设备的新型SIM卡

不用说，如果不改变SIM技术，大规模物联网就不可能存在。智能手机用户所熟悉的塑料SIM卡并不适合物联网的世界——太笨重，无法插入数百万台小型机器，也不够坚固，无法承受极端的温度、湿度和振动。

为了满足这些条件，业界开发了专用的eSIM。它可以焊接到位，并在整个设备生命周期内远程激活。科技企业一直在改进eSIM技术。例如，现在有更小的外形尺寸，如Thales的超紧凑型MFFXS，适合空间有限的设计。

还有将于今年上市的iSIM(一种集成的eSIM)。这种新形式得到了整个行业的支持——已获得GSMA、可信连接联盟和欧洲电信标准协会的认证。iSIM嵌入在设备片上系统(SoC)的防篡改元件上。它消除了对离散SIM硬件的依赖，可以使用行业范围内的安全协议进行无线激活。最重要的是，它的尺寸小于一平方毫米。

GSMA相信，新的SIM卡外形尺寸将加速大规模物联网的推出。该企业自己的研究发现，83%的企业认为eSIM对其物联网部署的成功至关重要。

Kaleido Intelligence支持这种信心。据估计，到2027年，将有超过6.3亿台设备与eSIM兼容，占所有eSIM出货量的19%。

大规模物联网:应用和用例

随着5G继续在全球普及，将为成千上万的企业提供数字化转型的机会。企业将能够通过将哑巴机器变成智能网络上的智能节点来节省成本、提高效率并产生新的收入。

这些好处将在广泛的垂直领域得到体现，例如:

• 运输及物流

车队管理
产品跟踪

• 农业

家畜跟踪
土壤传感器
气候监测

• 环境

洪水警报
灾害规划
大气监测

• 工业/制造业

预测性维护
流程监控

• 公用事业

智能计量/电网

• 智慧城市

停车
交通管制
照明
废物管理
自行车/滑板车车队管理
摄像头

• 智能建筑

报警系统
温度控制
照明
门禁

• 可穿戴设备

健康监测
儿童/老年人
医学跟踪

这就是大规模物联网的承诺。但这不仅仅是对未来的希望。大规模物联网的例子已经在一系列领域爆发。如：

• 货运列车跟踪:Lineas

Lineas是欧洲最大的私营铁路货运运营商。每天都有成千上万的火车和马车穿越欧洲大陆。它为钢铁、化工、汽车等各个行业的客户提供服务。

2017年，Lineas与Bosch合作，为2600辆货车配备了跟踪和跟踪传感器。这个想法是收集和传递数据，可以描述车辆的位置和功能。Lineas工程师现在使用这些信息来评估车队的“健康状况”，并减少维护工作。该企业表示，这使车辆的可用容量提高了40%以上。

• 智能集装箱:CIMC

全球大约有6500万个集装箱在使用。这些船只极其重要:它们为全球经济提供动力。但一旦离开港口，几乎不可能知道它们在哪里。

新的蜂窝技术正在改变这一点。随着低轨道卫星的出现，可以安装物联网传感器来跟踪从容器的位置和温度到流经容器的空气量和冷凝速率的一切信息。

航运企业是最先充分利用这些进步的企业。例如，2018年，CIMC与Telenor合作推出了首款航运智能集装箱。在航行过程中，船只向集装箱和货物的所有者提供准确的信息。以前，所有这些信息都必须从许多不同的系统和位置检索。

• 精准农业:CropX

大规模物联网的前景非常适合农业部门，农民需要了解在广阔而偏远的足迹中正在发生的事情。在互联时代，农民可以使用一组低功耗、低维护的传感器来收集有关土壤质量、害虫、水、大气湿度等信息。

且有大量的技术专家可以提供帮助。一个是以色列的CropX。它提供了一种由连接的传感器和软件平台组成的解决方案，该软件平台可以合成数据以提供洞察力，以便更好地管理和规划。CropX的解决方案目前已在50多个国家得到应用。

• 智能建筑:The Edge

在现代建筑中，维护工作的要求非常高。需要考虑的因素很多，从能源消耗到空调再到访问控制。现在，物联网传感器正在帮助物业管理人员控制这一过程，并节省大量资金。

阿姆斯特丹的The Edge就是一个很好的例子。它号称是世界上最智能的建筑。拥有超过28000个传感器和执行器，用于跟踪能源、数据、供暖甚至人员的流动。该平台还链接到一个应用程序，员工可以使用该应用程序查找停车位、办公桌和会议空间。由于其智能属性，The Edge产生的能量大于消耗的能量，因为它有太阳能电池板。并节省大量资金。

阿姆斯特丹的The Edge就是一个很好的例子。它号称是世界上最智能的建筑。拥有超过28000个传感器和执行器，用于跟踪能源、数据、供暖甚至人员的流动。该平台还链接到一个应用程序，员工可以使用该应用程序查找停车位、办公桌和会议空间。由于其智能属性，The Edge产生的能量大于消耗的能量，因为它有太阳能电池板。