什么是LPWAN？低功耗廣域網(wǎng)技術簡介

如今，物聯(lián)網(wǎng)技術的飛速發(fā)展讓曾經(jīng)不可能實現(xiàn)的個人與設備之間的連接成為現(xiàn)實。LPWAN 已成為物聯(lián)網(wǎng)領域的熱門話題，它提供了以前無法實現(xiàn)的解決方案。對于短距離連接，我們有WiFi、藍牙、Zigbee等技術；而對于長距離，也有2G、3G、4G 蜂窩網(wǎng)絡等選擇。

但如果我們從這些無線技術的功率需求和覆蓋范圍來看待它們，就會發(fā)現(xiàn)在低功耗、長距離選項方面存在差距。LPWAN 技術非常適合這個細分市場。它填補了我們之前的無線通信選項陣容中缺少的短電池壽命、長距離的空白。

什么是LPWAN？

LPWAN，即低功耗廣域網(wǎng)（有時也稱為 LPWA），是一個相對較新的術語，它不是一種標準或單一技術。相反，它更像是一個通用術語，包括各種專有和開源協(xié)議。本質(zhì)上，LPWAN 是指專為設備之間的低功耗、長距離通信而設計的一系列無線網(wǎng)絡。

LPWAN 技術的通信距離從城市地區(qū)的幾公里到農(nóng)村地區(qū)的十多公里不等。這本質(zhì)上意味著通信變得更加高效和經(jīng)濟高效，即我們能夠以更少的功耗最大化連接范圍?？梢韵胂螅诓痪玫膶?，LPWAN 將以更具創(chuàng)新性的方式得到更廣泛的應用。

LPWAN 技術中的拓撲與架構(gòu)

從拓撲結(jié)構(gòu)上看，LPWAN 可分為星型和網(wǎng)狀兩大類。在這方面，蜂窩技術通常具有普遍性并支持移動性。由于成本效益，LPWAN 更傾向于采用星型或星對星型拓撲，而不是網(wǎng)狀網(wǎng)絡。

LPWAN 的核心是無線連接、互聯(lián)網(wǎng)和云?；?網(wǎng)關從眾多遠程分布式終端節(jié)點收集數(shù)據(jù)，并響應來自 LPWAN 的輸入?；?網(wǎng)關是接收和解調(diào)這些數(shù)據(jù)并通過標準 TCP/IP 回程鏈路（如以太網(wǎng)、蜂窩網(wǎng)絡等）將其發(fā)送到后端服務器的邊界設備。

對于公共 LPWAN 服務，數(shù)據(jù)會通過網(wǎng)絡運營商的服務器轉(zhuǎn)發(fā)，然后再發(fā)送到最終用戶應用程序。在私人管理的 LPWAN 中，數(shù)據(jù)可以直接路由到最終用戶的預定義后端。這可確保 LPWAN 設備數(shù)據(jù)的私密性和安全性。

LPWAN標準：蜂窩 LPWA 和非蜂窩 LPWA

在深入探討LPWAN 技術之前，了解它們的主要類別至關重要。LPWAN 大致可分為兩類：在未經(jīng)授權(quán)的頻段內(nèi)運行的技術（如 LoRa 和 SigFox）以及在授權(quán)頻段內(nèi)運行并遵守 3GPP 標準的蜂窩技術（如 LTE-M 和 NB-IoT）。

下面，我們將探討一些積極部署的 LPWAN 技術選項。

蜂窩 LPWAN（授權(quán)頻譜）

蜂窩 LPWAN 需要獲得政府或監(jiān)管機構(gòu)的授權(quán)，并且通常利用現(xiàn)有網(wǎng)絡運營商的基礎設施。但是，它們需要可靠的設備到基站連接，因此更適合人口密集的地區(qū)，例如城市中心、住宅區(qū)和工業(yè)園區(qū)。蜂窩 LPWAN 標準包括 EC-GSM-IoT、LTE Cat. M1 (LTE-M) 和 NB-IoT，在 LTE 頻譜（700MHz-3.5GHz）內(nèi)運行。

物聯(lián)網(wǎng)

EC-GSM-IoT 即擴展覆蓋 GSM IoT 最初由 3GPP 在第 13 版中引入。它是一種基于 eGPRS 的蜂窩 LPWAN 技術，旨在利用現(xiàn)有的移動網(wǎng)絡和基礎設施（主要是 2G/GSM）建立遠程物聯(lián)網(wǎng)通信。它使用授權(quán)頻譜來提供可靠和安全的通信。與其他蜂窩技術相比，GSM 提供更廣泛的覆蓋范圍。其改進版本 eGPRS/EDGE 保留了這一優(yōu)勢，同時支持更高的數(shù)據(jù)速率。

窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT)

NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）是 3GPP 為連接物聯(lián)網(wǎng)設備而開發(fā)的 LPWAN 無線電技術標準。作為 3GPP CIoT 技術，NB-IoT 與 EC-GSM-IoT 和 LTE-M 相比，進一步定義了物聯(lián)網(wǎng)通信的無線接口。它在授權(quán)頻譜帶內(nèi)運行，使用約 180kHz 的窄帶寬。NB-IoT 是通過 3GPP 與諾基亞、華為和愛立信等領先電信設備供應商之間的合作而標準化的。

LTE-M

LTE-M（LTE 機器對機器）也稱為 eMTC（增強型機器類型通信），是另一種源自 LTE 的 3GPP LPWAN IoT 技術。與 NB-IoT 相比，它支持更高的數(shù)據(jù)速率和移動性（高達 350 公里/小時）。LTE-M 在授權(quán)頻譜中運行，與 2G、3G、4G 和 5G 蜂窩網(wǎng)絡共存。

LTE-M 最初在 3GPP 版本 12 中被稱為低成本 MTC，后來在第 13 版中更名為 eMTC。3GPP 版本中的增強功能擴展了 LTE-M 的功能。版本 14 和 15 支持增強的移動覆蓋水平。版本 14 增加了 VoLTE（LTE 語音）功能。版本 15 在此基礎上構(gòu)建了更高移動性物聯(lián)網(wǎng)設備的新用例。版本 16 繼續(xù)發(fā)展，改進了與 5G 新無線電 (NR) 的共存。

非蜂窩 LPWAN（未經(jīng)授權(quán)頻譜）

非蜂窩 LPWAN 在未經(jīng)授權(quán)的 ISM 頻段內(nèi)運行，不依賴于網(wǎng)絡運營商基礎設施。設備直接或通過網(wǎng)關將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?網(wǎng)絡服務器。除了 LoRa，其他非蜂窩 LPWAN 包括 Sigfox、Weightless、RPMA、Symphony Link、Wize、DASH7 等，它們使用 Sub-GHz 頻段，通信速度范圍從 100bps 到 250kbps，距離從 2km 到 100km。非蜂窩 LPWAN 通常部署在蜂窩覆蓋有限的偏遠地區(qū)、山區(qū)、島嶼以及專用企業(yè)網(wǎng)絡實施中。

LoRa/LoRaWAN

LoRa是協(xié)議棧的 PHY 規(guī)范，具體是指 Semtech 開發(fā)的專有 Chirp 擴頻調(diào)制。LoRaWAN標準定義了在 LoRa PHY 層之上運行的 MAC 層協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)，由 LoRa 聯(lián)盟維護，該聯(lián)盟正在迅速發(fā)展，全球擁有近 500 家成員公司。

LoRa 主要用于從多個終端設備到網(wǎng)關的上行鏈路通信，使用跨不同通道和數(shù)據(jù)速率的編碼消息來減少沖突并增加網(wǎng)關容量。它非常適合需要小數(shù)據(jù)有效載荷和城市和農(nóng)村/偏遠地區(qū)不頻繁通信的應用。單個 LoRaWAN 網(wǎng)關可以處理來自眾多節(jié)點和終端設備的連接。

Sigfox

Sigfox 是廣泛采用的非 3GPP LPWAN 技術之一。它是一種專有的 LPWAN 技術，以首次推出它的公司 Sigfox 命名。它利用超窄帶無線電實現(xiàn)超長距離、低功耗無線物聯(lián)網(wǎng)連接。

然而，Sigfox 的窄帶寬嚴重限制了向設備傳輸數(shù)據(jù)的下行鏈路能力。超窄帶可能會導致潛在的干擾問題。盡管存在這些限制，Sigfox 仍然是 LPWAN 領域的佼佼者，并在歐洲獲得了成功。

Weightless

Weightless特別興趣小組（Weightless SIG）成立于2008年，旨在標準化LPWAN技術。發(fā)起組成員包括埃森哲、M2COMM、ARM、Telensa和索尼歐洲。

Weightless 包括三種針對不同應用場景的變體：Weightless-W、Weightless-N 和 Weightless-P。Weightless-W 在電視空白頻段 (TVWS) 中運行，部署更為復雜。Weightless-N 與 Sigfox 類似，是一種在 NWave 使用的 Sub-GHz 未授權(quán)頻段中運行的窄帶協(xié)議?？傮w而言，與 Weightless-W 相比，Weightless-N 和 Weightless-P 受到了更多的關注和部署。

Symphony Link

Symphony Link是由 LoRa 聯(lián)盟成員公司 Link Labs 開發(fā)的 LPWAN 協(xié)議。雖然 Link Labs 使用 Semtech 的 LoRa 物理層芯片組，但他們實施了自己的定制 MAC 層軟件堆棧 Symphony Link，而不是使用開放的 LoRaWAN 規(guī)范。

與 LoRaWAN 標準相比，Symphony Link 的主要區(qū)別在于一些增強的網(wǎng)絡功能，例如可靠的消息傳遞和通過添加網(wǎng)關實現(xiàn)的動態(tài)網(wǎng)絡擴展。

LPWAN 技術的應用

就范圍和功耗而言，LPWAN 是贏家。利用 LPWAN 可以從傳感器遠程收集數(shù)據(jù)并進行長距離跟蹤。接下來，我們將探討它的一些實際用例。

智能燃氣和水表

自動抄表系統(tǒng)利用 LPWAN 遠程無線收集公用事業(yè)消費數(shù)據(jù)，包括電力、天然氣和水。操作員手動檢查和記錄數(shù)據(jù)的日子已經(jīng)一去不復返了。用戶還可以了解他們每天使用的消費數(shù)據(jù)量。

智能建筑

在建筑內(nèi)部，住宅、商業(yè)和工業(yè)設施都利用 LPWAN 來提高其智能化程度。在家庭環(huán)境中，智能家居設備（如智能鎖、暖通空調(diào)系統(tǒng)和照明）可以通過 LPWAN 進行集成和集中管理。在辦公樓和商業(yè)建筑中，LPWAN 可以集中監(jiān)控空間占用情況和門傳感器等安全系統(tǒng)。

智能廢物管理

智能垃圾管理在智慧城市計劃中得到越來越廣泛的應用。安裝在垃圾桶內(nèi)的傳感器可以監(jiān)測填充水平，并通過 LPWAN 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胂到y(tǒng)。當達到預定的填充水平時，會生成警報以便及時收集和處理。此外，還可以通過為垃圾車配備 LPWAN 跟蹤器來獲取垃圾車的位置信息。

智能停車

在智能停車系統(tǒng)中，LPWAN技術可以實時監(jiān)控和管理停車位占用情況。安裝在停車位上的傳感器可以準確檢測占用情況。用戶可以通過移動應用程序查看可用停車位并遠程支付停車費。

智慧農(nóng)業(yè)

LPWAN 正在擴展到智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。農(nóng)民可以在田地中安裝各種傳感器（土壤水分、溫度、濕度、光照等）。然后，他們可以利用 LoRaWAN 或其他 LPWAN（如 NB-IoT）從這些傳感器遠程收集數(shù)據(jù)。

授權(quán)與非授權(quán) LPWAN 的常見比較

鑒于可用的 LPWAN 技術眾多，明智的選擇至關重要。根據(jù) IoT Analytics 的市場研究估計，到 2024 年，超過97%的 LPWAN 系統(tǒng)將使用 LTE-M、NB-IoT、Sigfox 或 LoRa 技術部署。因此，我們將比較前四種 LPWAN 技術：NB-IoT、LTE-M、Sigfox 和 LoRa。

NB-IoT、LTE-M、LoRaWAN 和 Sigfox 的比較表

做出正確的 LPWAN 選擇

NB-IoT 是一種 3GPP LPWAN 技術，利用現(xiàn)有的 LTE/GSM 網(wǎng)絡為物聯(lián)網(wǎng)設備提供低帶寬連接。它可提高設備功耗、系統(tǒng)容量、頻譜效率和深度覆蓋性能，適用于工業(yè)、樓宇自動化、智慧城市、健康監(jiān)測和災難響應物聯(lián)網(wǎng)用例。

LTE-M 的目標應用與 NB-IoT 類似，但帶寬更高，可實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率和更嚴格的安全性，但功耗更高。它適合需要更高吞吐量的應用，例如功率限制不那么嚴格的視頻監(jiān)控。

Sigfox 和 LoRaWAN 是非 3GPP 技術，在未授權(quán)頻譜中運行。它們的窄帶寬支持超低功耗運行，可從需要多年電池壽命但數(shù)據(jù)速率受限較低的端點進行不頻繁的小有效載荷傳輸。Sigfox 優(yōu)先考慮低功耗和簡單部署，但缺乏用于固件更新的下行鏈路。LoRaWAN 以低成本支持雙向設備管理。二者都可以服務于智能農(nóng)業(yè)、資產(chǎn)跟蹤和相關的低吞吐量物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控場景。

LPWAN 是未來

作為一項快速發(fā)展的新技術，目前LPWAN 領域處于發(fā)展階段，尚未成熟。由于市場參與者眾多，因此尚未明確誰是贏家，尤其是考慮到市場擴張速度的不確定性。每種 LPWAN 變體的長期性能也仍不確定，因為許多變體仍處于初始部署階段，缺乏全面、大規(guī)模的實際測試。

事實上，ABI Research 的研究顯示，物聯(lián)網(wǎng)設備的采用率預計將激增，預計到 2030 年將有53 億臺物聯(lián)網(wǎng)設備利用 LPWAN 技術。LPWAN 有望成為市場中增長最快的連接領域。推動這一增長的是遠程監(jiān)控等用例的需求，這些用例需要不頻繁的數(shù)據(jù)傳輸和電池供電操作，而 LPWAN 技術特別適合解決這些特性。

資料來源:MOKO SMART

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