一文詳述分布式物聯網絡：Helium

發表於 2022-06-15 15:38 作者： 達瓴智庫

站在世界前沿的物聯網，也成爲中國下一個5年將要大力發展的基礎設施建設战略。但是，未來真正意義上的物聯網，並不是在互聯網基礎上的物物相連。也不是建立在通訊運營網絡上的互聯，而是實現真正意義上的物物相連。物物到底怎么相連？或許Helium具備我們創新研究的技術類雛形。

物聯網行業的幾大痛點

當前物聯網始終未迎來大爆發的主要原因是缺乏一個統一標准的廣域網的支撐。目前，全世界共有100多億活躍的物聯網設備，分別綁定在Wi-Fi、Zigbee、低功耗藍牙、LoraWAN和Sigfox等不同的無线網絡中，互操作性很低。

極需一種類似WiFi或藍牙等價物，代表一種基於开放硬件的標准。使各種設備間具有可編程和可配置性，實現相互連接和協作。

Figure 1：分散的物聯網協議/技術現狀

圖源：https://web3caff.com/zh/archives/3845

Helium的前景展望

作爲區塊鏈生態中目前唯一一個提供低功耗、廣覆蓋無线網絡接入的產品，在2021年4月，Helium與开源的5G服務提供商FreedomFi相合作，將HNT熱點服務器和5G技術相結合，推出了Helium第一代兼容5G熱點。這意味着Helium开始進軍2C市場。在开通預訂通道的幾天內，FreedomFi售出了4萬台5G網關，和Verizon的銷量不相上下。

與此同時，更多的網絡運營商希望通過漫遊的方式和Helium進行合作，例如GagSky就推出了收個基於Helium 5G的蜂窩移動計劃。而在去年10月底，Dish Network成爲了電信行業中首個加入Helium生態的頭部運營商。

但我們不得不警惕與PoC共識下的一個硬傷，即馬太效應的出現。在當前，擺在Helium團隊的一個重大任務即是如何調控各個區域的Helium Hotspots密度，借以解決馬太效應的隱憂是至關重要的。

No.01

Helium: “人人供網”的分布式網絡經濟體

Helium是一個建立在“人人供網”思想中的分布式物聯網網絡經濟體。其通過用戶設置由Helium官方授權的硬件設施（類似於路由器）形成的熱點集群來構成無线網絡以供任何物聯網設備的探尋和造訪，借此形成完整的分布式物聯網生態系統。

Helium網絡在當前全球已經有近50萬個熱點，覆蓋了將近4萬座城市。與此同時，它還在以平均每月9萬個新熱點的速度在不斷的擴張。

Helium的網絡服務商則只需要向官方認可的Helium Hotspot購买熱點服務器即可，入場門檻低。

隨着3G網絡技術的退出市場，物聯網設備除了轉往成本更高的4G網絡和私用網之外，基於區塊鏈技術的分布式網絡系統Helium毫無疑問是一個成本更低廉、通信更加暢通的選擇。

No.02

HNT的投資回報測算

在當前，Helium的投資正在面臨着一些利好。首先是Helium的節點正處在一種爆發式的增長中。根據白皮書，今年（2022年），分配給服務提供商的HNT通證數量將進一步上升。

但我們要同時看到另外一個風險，即當前Helium熱點的反常高價格。毫無疑問，高熱點硬件價格意味着高成本和更長的回本周期。

除此之外的一個風險是在近三個月中，盡管HNT價格不斷震蕩，但總體趨勢是一路走弱。而低通證價格所換來的必然是回本周期的延長。當我們假設Helium均價爲850USD，Helium的服務商日均獲得大約0.26HNT，則我們測算的在近一周內的幾個特定價格點中的回本情況如下：

Figure 2：HNT在不同價位點上的回本周期比較（橫坐標單位：USD，縱坐標單位：天）

No.03

Helium的區塊鏈經濟設計

HNT/Data Credit的雙通證經濟模式

Helium是一個採用了雙通證的經濟模型。

HNT通證的實際總量約爲2.23億個，第一年發行量爲4300萬個，每兩年進行一次減半。HNT的價格波動，代表項目收益權和治理權，同時滿足通證持有者的投機需求。

HNT可以通過成爲挑战者、被挑战人、見證人、加入共識小組、參與網絡傳輸等方式獲得。其具體的分配方式見右側的圖表。

Data Credits通過銷毀HNT通證獲得，其作用是支付Helium網絡所產生的的gas費用，以保證整個分布式系統的穩定運營。每一個Data Credit的價格固定爲0.00001美元，因此用戶在銷毀HNT時獲得的Data Credits數量是根據HNT的當前市場價格而浮動的。

Table 1：HNT通證的分配情況，數據來源：https://www.hongruimy.com/a/17615

覆蓋證明（Proof of Coverage）

覆蓋證明（Proof of Coverage，PoC）是Helium所獨創的共識機制。該機制旨在使用HNT通證作爲獎勵激勵服務器提供商穩定運行和維護網關以提供穩定的網絡覆蓋。在PoC機制中，參與者分爲以下三個角色：

挑战者（Challenger）：每240個區塊可以對網絡中的隨機熱點發起挑战，發起挑战的行爲將獲得HNT通證獎勵。

被挑战人（Challengee）：當被挑战的熱點收到挑战信息之後，會立刻基於挑战的信息發起一次無差別的無线電廣播。當周圍其他熱點收到廣播並判定該廣播有效，被挑战人可以獲得HNT通證作爲獎勵。

見證人（Witness）：被挑战者周圍的熱點收到廣播之後，將該信息回傳至Helium網絡。當Helium共識組判定根據見證人和被挑战者的位置、密碼學證據和信號強度等判定見證有效，則見證人獲得HNT通證作爲獎勵。

由此可見，在PoC中，區塊鏈可以不斷詢問熱點，並且通過該熱點的反饋來證明該熱點在整個物聯網網絡中處於連接並能夠發揮作用的狀態。

Figure 3: 覆蓋證明的工作流

圖源：Helium, A Decentralized Wireless Network

序列化證明(Proof of Serialization)

序列化證明（Proof of Serialization）旨在不依靠特定的時間和服務器在兩名用戶之間進行時間同步。

序列化證明的基本邏輯是用戶M將兩個生成的nonce分別發給兩台臨近的服務器M1和M2，並分別獲得其籤名信息以及時間戳T1和T2。用戶M則通過比較時間戳T1和T2來確認在非信任條件下的兩個節點的同步性。

在序列化證明的實踐中，爲了獲得正確的時間戳共識，節點M往往將nonce發給盡可能多的見證節點T，以期獲得更加准確的時間同步性。

在序列化證明中，通過給盡可能多的節點發送nonce並獲得其時間戳，可以得到一個正確的同步區塊創建時間戳Tt.而當我們確認有一些交易數據是在上一個區塊和同步時間戳Tt之間所完成的，我們也就證明了所有的這些交易數據本身完成了覆蓋證明。這也是如何避免節點使用提前計算的方式在覆蓋證明中作弊的原理。

Figure 4: 創建一個序列化證明

圖源：Helium, A Decentralized Wireless Network

Figure 5: 驗證一個序列化證明

圖源：Helium, A Decentralized Wireless Network

No.04

Helium和它的生態競爭者

IOTA:吹響向物聯網進軍的號角

當提及物聯網方向項目時，我們不得不提最早進軍物聯網的分布式項目——IOTA。盡管IOTA在分布式物聯網項目中的地位實在特殊，嚴格意義上講，IOTA不屬於區塊鏈範疇，而是使用一種被稱爲Tangle的分布式账本來完成機器與機器之間產生的免費微交易的愿景。

IOTA獨有的分布式账本帶來了新的驗證方式——當你希望你的交易得到驗證，則只需要驗證兩個臨近的交易即可。這種驗證方式會在連續不斷堆疊的過程中增加驗證速度：加入網絡的用戶越多，則整個IOTA網絡就運行得越快。

Figure6: Tangle分布式架構與傳統區塊鏈的區別

圖源：http://www.360doc.com/content/20/0923/22/71390595_937272939.shtml

IoTeX：物聯網賽道的競爭者

IoTeX（艾坦星）同樣是物聯網賽道的重要成員之一，IoTeX允許服務提供商使用其定制化的硬件Pebble，通過提供各種網絡服務來賺取通證。

IoTeX的服務提供商使用Pebble硬件記錄並收集多種由用戶本身所有的數據（例如GPS信息、當地的天氣、光照等）並將它們上傳給鏈上的DApp來獲取數字資產收益。

在物聯網的範疇中，IoTeX是和Helium一樣引人注目的項目之一。基本面看，它們並非屬於同一個細分賽道，但是區塊鏈物聯網方向的參與者大多會同時關注這兩個項目，因此也會同時考察IOTX與HNT這兩種分別屬於它們的原生通證。

Figure 7: Helium（深色）與IoTeX（淺色）的各項數據比較

圖源：https://coinexams.com/compare/iotex-vs-heliummparison | CoinExams

Helium與IoTeX：不同細分賽道的領跑者

盡管Helium和IoTeX在不同的細分賽道上。但是由於這兩個項目的主攻方向大體一致，都是物聯網方向，因此，對其進行直觀的比較很有必要。對此，CoinExam提供了一個比較好的對比圖，我們可以從中一窺這兩個項目在各種評判標准上的異同。

Figure 8: Helium（右側）與IoTeX（左側）的各項經濟數據比較

圖源：https://coinexams.com/compare/iotex-vs-heliummparison | CoinExams

從這兩張表的比較中，我們看出IoTeX在許多方面，例如是否允許智能合約、網絡延遲，以及我們之前分析過的服務提供商回本周期等方面較Helium爲優異。但從Helium主網上线至今2年時間裏，其在全球超過50萬節點數的可喜成績，已經能夠說明這個項目本身的方興未艾及其擁有的廣闊前景。

Figure9: Helium（右側）與IoTeX（左側）的各項經濟數據比較

圖源：https://coinexams.com/compare/iotex-vs-heliummparison | CoinExams

No.05

Helium的估值與風投

Multicoin Capital爲何會對Helium有高估值？

在2019年，風險投資公司Multicoin Capital與另一家風投Union Square Ventures在Helium項目的C輪融資中向其投入了1500萬美元。在Multicoin Capital成員看來，Helium的優勢有以下幾點：

• 網絡提供商僅僅只需要支付數百美元的價格購买Helium的路由，即可完成熱點網絡的布設。

• 網絡提供商購买Helium的路由是买斷制的。購买Helium路由之後，Helium的網絡提供商將免費爲設備提供接入。

• Helium的熱點路由可以在網絡提供商家中即插即用。

• Helium的熱點路由可以由網絡提供商自行維護，無需產生維護、修理等所需的人工費用。

• 區塊鏈技術的安全性可以令我們可以無成本地管理用戶的账戶和交易記錄。除此之外，用戶可以使用他們的設備連接到全球任何一個有Helium無线網絡的地方，而非像傳統的那樣必須某個運營商處注冊账號並且支付高昂的網絡費用以獲得其網絡服務。

除此之外，多個場景的適用性也是Multicoin Capital對Helium有高估值的原因之一：在它看來，Helium在諸如寵物追蹤、智能城市建設、微型移動設備管理和智能定時服藥提醒等方面有着廣闊的應用前景。

2月以來的新增風投所看重的是什么？

2022年，Helium完成了D輪融資，該輪融資由Tiger Global和Andreessen Horowitz領頭。作爲風投方之一的NGP Capital（諾基亞全球成長基金）基於其投資理由，NGP Capital給出了以下幾點：

• Helium的業務範疇處在物聯網、區塊鏈和5G的交匯處，這是一個巨大的風口。三者的全球市場價格超過3300億美元。Helium將可以解決包括有限的LoRaWAN和高昂的網絡費用等問題。

• Helium的網絡受到Web3.0的巨大加持和推動，NGP相信其基於區塊鏈的通證激勵模式對全球範圍內的無线網絡基礎設施的擴展極其有效。

• Helium的無线網絡分布式模式有可能成爲LoRaWAN和5G基礎設施建設的理想模式。背靠諾基亞的他們可以爲Helium向5G領域進軍提供良好的技術支持。

• Helium擁有一個穩定、堅持不懈且銳意進取的團隊。

其在分布式無线網絡方面的理解和分析令NGP Captial的成員印象深刻。

Table 2: Helium融資過程中的風投方一覽

圖源：https://app.dealroom.co/companies/helium_com

No.06

Helium的創新解決方案:HIP 51

HIP 51是什么？

爲了讓任何網絡協議都能加入Helium，社區提出了一個創新的解決方案--HIP51。

HIP 51 旨在讓 Helium 及其 Token HNT 成爲“網絡中的網絡(Network of Networks)”，爲生態系統中存在多種網絡協議和多種Token打开大門。對於Helium物聯網網絡，熱點(Hotspots)將开始獲得一個名爲 $IOT 的新 Token，而 5G熱點(5G Hotspots)將獲得一個名爲 $MOBILE 的新 Token。所有新Token 均由 HNT 支持，並且始終可以轉換爲 HNT。現有的 HNT 持股不受影響。該 HIP 爲加入新的網絡協議提供了一個通用結構，其中 HIP 52：LoRaWAN DAO 和 HIP 53：5G DAO 兩個subDAO作爲當前提案存在。

HIP 51 旨在創建一個經濟體，其中潛在HNT-Data Credit 銷毀和鑄造的平衡將繼續爲Helium前進的飛輪提供動力，並且覆蓋證明（Proof of Coverage）的規則和收益由每個相應的 subDAO(HIP 52：LoRaWAN DAO和HIP 53：5G DAO)決定。

HIP 51 的影響是什么？

HIP 51 通過允許新的網絡協議使用 Helium 生態系統，爲 HNT 帶來大量新的使用機會。HNT 的作用變得更加重要，因爲新 Token 將由 HNT 支持，所有網絡使用都需要 HNT 作爲數據信用（HNT-Data Credit），並且就像以前一樣，只能通過轉換和燃燒 HNT 來獲得，這會減少 HNT 的整體供應。

每個網絡協議或“subDAO”（如提案中所指:HIP 52 LoRaWAN DAO和HIP 53 5G subDAO）都有自己的Token 和治理。每個新 Token 都將由 HNT 支持，並可隨時兌換爲HNT。

每個網絡協議都根據該網絡的大小和效用接收 HNT。HIP 51 將此稱爲“協議分數（protocol score）”，這是一個新概念，將被實施用於適應多個網絡，所有網絡均由 HNT 支持。

隨着Helium的生態不斷壯大以及HIP 51對更多網絡協議的兼容，越來越多的設備以及網絡加入Helium，使用的網絡流量(network traffic)和數據信用(Data Credits)就越來越多，整體Helium網絡的價值也會越來越高。

HIP 51路线圖

HIP 51 將分三個階段實施，每個階段都取決於三個獨立投票程序的治理批准。

階段定義如下：

第一階段（2022 年第二季度）：根據 HIP 53：Helium 5G subDAO，MOBILE Token在現有的 Helium 區塊鏈上發行。這將立即允許任何在线 5G 網絡挖掘 MOBILE Token。

• 提案的經濟學概述部分中指定的預挖金額分配給 Helium 基金會持有的多重籤名錢包。就本 HIP 而言，我們建議 250B MOBILE 中的 50B 被預先开採並存入基金會。

• Helium 基金會隨後利用這一儲備的 MOBILE Token 立即執行對移動網絡運行至關重要的市場活動，包括對熱點和社區或業務發展工作的獎勵。

第二階段（2022 年 8 月 1 日）：在 Helium 網絡成立三周年之際，IOT Token根據 HIP 52：LoRaWAN  subDAO 在工作的 Helium 區塊鏈上發行。

• 將指定的排放曲线和金庫儲備贖回合約（做市曲线的單向實施）部署到網絡，以便核心 subDAO 經濟結構到位。如果 5G 和 LoRaWAN 持有者選擇或繼續持有 DNT，這將允許他們在各自的金庫中贖回 HNT。此時，所有 HNT 排放都存入 subDAO 金庫、現有的Helium驗證器和 HST 持有者。每個子網通過 DNT 獎勵熱點用於數據傳輸和覆蓋證明。

• HIP 52 和 HIP 53 規範中被 Helium Foundation 視爲範圍內的其余部分捆綁在一起。這可能包括對 5G subDAO 的覆蓋證明機制的更新。

第三階段（待定）：在對所有可用的作爲 Helium 網絡基礎層的L1區塊鏈進行完整評估後，將遷移在此之前構建的系統。

• Helium 網絡上的所有账戶和交易活動都在這個L1區塊鏈上進行結算。

• 從先前的鏈上遷移狀態的橋已經完全开發，爲把subDAO 鏈傳遞的任何重要狀態轉換消息轉移到指定的主網或測試網上。

• 精確定義了 subDAO 的 Oracle 機制，並提出了一個安全的轉換過程。

• veHNT 和 veDNT 治理機制已經到位。

No.07

Helium生態

Helium應用場景案例

一、AIRICA-空氣質量檢測

• AIRICA 測量室內空氣質量，如 CO2（NDIR 技術）、溫度、溼度、揮發性有機成分，並在室內空氣質量超過閾值（例如 900 ppm CO2）時提供實時反饋。

• 精確的測量和復雜的數據分析相結合，可以概覽每個房間的感染風險。

• Helium 提供了一個分散的、由區塊鏈支持的 LoRaWAN 網絡，該網絡正在全球範圍內迅速擴展。通過使用一個簡單的網關，任何人都可以爲周圍的物聯網設備提供網絡覆蓋，並在 Helium 的原生加密資產 HNT 中獲得獎勵。AIRICA 的物聯網服務可以通過Helium網絡發送數據，而無需管理自己的網絡基礎設施。

二、Nobel Systems-物聯網停車應用

Nobel Systems 將利用Helium Networking 的無线網絡協議來管理其 GeoViewer IoT 停車應用程序基於雲的數據。

Helium 的 LoRaWAN 連接物聯網設備並將數據傳輸到雲端。該網絡對於經濟高效地將大量傳感器連接到雲非常有用。設備不需要 SIM 卡即可使用網絡，這有助於節省費用。

將 Helium 的 LoraWAN 與 GeoViewer IoT 停車應用程序結合使用，可提供一個完整的雲管理數據庫，經濟高效，因爲各個傳感器不需要 SIM 卡或以太網連接。在 GeoViewer Parking 應用程序的 1,490 個傳感器中，網關只需要 18 個 SIM 卡。

LoraWAN 有助於擴大應用規模——每個網關最多可連接 700 個傳感器。由於 LoraWAN，GeoViewer 應用程序和網關之間的通信延遲大大減少。類似的停車應用程序需要更多的基礎設施，例如專用射頻網絡天线和布线，才能部署如此大型的應用程序。

Helium Networking 還提供超出其他無线服務提供商的擴展無线網絡範圍。典型的網狀網絡提供大約兩英裏的範圍，而不是提供十英裏範圍的 Helium 的 LoRaWAN。

更多應用場景:

https://www.helium.com/ecosystem

Helium公鏈

Helium 在過去一年中增長迅猛，最近一輪融資是在 2022 年 2 月。值得注意的是，Web3 Index 和 Token Terminal 對Helium收入的計算截然不同。

Token Terminal 顯示 Helium 在 2022 年第一季度的收入爲 1450 萬美元，但 Web3 Index 顯示同期的收入爲2.6萬美元。

考慮到 Helium 是通過銷毀 HNT 產生data credit來支付網絡費用，且Token Terminal是基於銷毀量計算需求，並且也顯示出不同的Token激勵措施，Token Terminal 的計算可能更准確。

Helium 在 2022 年第一季度產生的收入最多（1450 萬美元），比上一季度增長 4%。隨着 5G時代以及HIP 51提案的到來，Helium可能產生更多data credit消耗以及被更廣泛採用。

在Web3領域，Helium的公鏈盈利率排名第四，以太坊排名第一。

數據來源：Token Terminal

Helium合作夥伴

標題：一文詳述分布式物聯網絡：Helium

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