物聯(lián)網(wǎng)低功耗廣域網(wǎng)絡(luò )（LPWAN）技術(shù)全面詳解

　　物聯(lián)網(wǎng)希望通過(guò)通信技術(shù)將人與物，物與物進(jìn)行連接。在智能家居、工業(yè)數據采集等局域網(wǎng)通信場(chǎng)景一般采用短距離通信技術(shù)，但對于廣范圍、遠距離的連接則需要遠距離通信技術(shù)。LPWAN技術(shù)正式為滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)需求應運而生的遠距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。

　　提到遠距離無(wú)線(xiàn)通信，你可能會(huì )有疑問(wèn)不是有移動(dòng)蜂窩通信技術(shù)嗎？的確，目前全球電信運營(yíng)商已經(jīng)構建了覆蓋全球的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò )，然而2G、3G、4G等蜂窩網(wǎng)絡(luò )雖然覆蓋距離廣，但基于移動(dòng)蜂窩通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設備有功耗大、成本高等劣勢。當初設計移動(dòng)蜂窩通信技術(shù)主要是用于人與人的通信。根據權威的分析報告，當前全球真正承載在移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò )上的物與物的連接僅占連接總數的6%。如此低的比重，主要原因在于當前移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò )的承載能力不足以支撐物與物的連接。想要了解蜂窩通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)，請查看《從技術(shù)角度看移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)》

　　LPWAN（Low Power Wide Area Network），低功耗廣域網(wǎng)絡(luò )，專(zhuān)為低帶寬、低功耗、遠距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應用而設計。

　　LPWA可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是工作于未授權頻譜的LoRa、SigFox等技術(shù)；另一類(lèi)是工作于授權頻譜下，3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術(shù)，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。

　　接下來(lái)電子發(fā)燒友小編為你帶來(lái)LPWA的兩類(lèi)技術(shù)詳解：

　　LoRa

　　LoRa并不是一個(gè)陌生的技術(shù)，它目前應用最為廣泛的LPWAN網(wǎng)絡(luò )技術(shù)之一，這一協(xié)議源于SemTech公司，該公司計劃將逐步授權其他源文件。

　　LoRa無(wú)線(xiàn)技術(shù)的主要特點(diǎn)：

　　長(cháng)距離：1 ~ 20 km

　　節點(diǎn)數：萬(wàn)級，甚至百萬(wàn)級

　　電池壽命：3~10年

　　數據速率0.3~50kbps

　　LoRa作為一種無(wú)線(xiàn)技術(shù)，基于Sub-GHz的頻段使其更易以較低功耗遠距離通信，可以使用電池供電或者其他能量收集的方式供電。較低的數據速率也延長(cháng)了電池壽命和增加了網(wǎng)絡(luò )的容量。LoRa信號對建筑的穿透力也很強。LoRa的這些技術(shù)特點(diǎn)更適合于低成本大規模的物聯(lián)網(wǎng)部署。

　　在城市里，一般無(wú)線(xiàn)距離范圍在1~2公里，郊區或空曠地區，無(wú)線(xiàn)距離會(huì )更遠些。網(wǎng)絡(luò )部署拓撲布局可以根據具體應用和和場(chǎng)景設計部署方案。LoRa適合于通信頻次低，數據量不大應用。一個(gè)網(wǎng)關(guān)可以連接多少個(gè)節點(diǎn)或終端設備，按照Semtech官方的解釋?zhuān)阂粋€(gè)SX1301有8個(gè)通道，使用LoRaWAN協(xié)議每天可以接受約150萬(wàn)包數據。如果你的應用每小時(shí)發(fā)送一個(gè)包，那么一個(gè)SX1301網(wǎng)關(guān)可以處理大約62500個(gè)終端設備。

　　LoRa應用

　　從目前的LoRa應用情況來(lái)看，主要有數據透傳和LoRaWAN協(xié)議應用。目前還是用LoRa作為數據透傳的多，由于網(wǎng)關(guān)技術(shù)和開(kāi)發(fā)的門(mén)檻比較高，使用LoRaWAN協(xié)議組網(wǎng)的應用還是比較少。

　　從LoRa網(wǎng)絡(luò )應用方面看，有大網(wǎng)和小網(wǎng)之分。小網(wǎng)是指用戶(hù)自設節點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器，自成一個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )；大網(wǎng)就是大范圍基礎性的網(wǎng)絡(luò )部署，就像中國移動(dòng)的通信網(wǎng)絡(luò )一樣。從LoRa行業(yè)從業(yè)者來(lái)看，有不少電信運營(yíng)商也參與其中。隨著(zhù)LoRa設備和網(wǎng)絡(luò )的增多，相互之間的頻譜干擾是存在的，這就對通信頻譜的分配和管理提出了要求，需要一個(gè)統一協(xié)調管理的機制，一個(gè)大網(wǎng)的管理。

　　LoRa應用需要考慮的幾個(gè)問(wèn)題：

　　距離或范圍

　　供電或功耗

　　節點(diǎn)數

　　應用場(chǎng)景

　　成本

　　相對于其他無(wú)線(xiàn)技術(shù)（如Sigfox、NB-IOT等），LoRa產(chǎn)業(yè)鏈較為成熟、商業(yè)化應用較早。此前，Microchip公司宣布推出支持LoRa的通信模組，法國B(niǎo)ouygues電信運營(yíng)商宣布將建設一張新的LoRa網(wǎng)絡(luò )。Semtech也與一些半導體公司（如ST，Microchip等）合作提供芯片級解決方案，有利于客戶(hù)獲得LoRa產(chǎn)品并采用LoRa無(wú)線(xiàn)技術(shù)并實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)應用。

　　另外，LoRa聯(lián)盟已于今年年初成立，是LPWAN領(lǐng)域第一個(gè)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，旨在通過(guò)構建生態(tài)系統的方式推動(dòng)LoRa的普及。

　　SigFox

　　SigFox也是商用化速度較快的一個(gè)LPWAN網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，它采用超窄帶技術(shù)，使得網(wǎng)絡(luò )設備消耗50微瓦的功率為雙向單向通信或100微瓦。相比較而言，移動(dòng)電話(huà)通信則需要約5000微瓦。這就意味著(zhù)，接入Sigfox網(wǎng)絡(luò )的設備每條消息最大的長(cháng)度大約為12字節，并且每天每個(gè)設備所能發(fā)送的消息不能超過(guò)140條。再說(shuō)說(shuō)覆蓋范圍，該公司希望他們的網(wǎng)絡(luò )可以覆蓋至1000公里并且每個(gè)基站能夠處理一百萬(wàn)個(gè)對象。

　　這一協(xié)議由SigFox公司擁有，其創(chuàng )始人是法國企業(yè)家Ludovic Le Moan，主要打造低攻耗、低成本的無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )。

　　Sigfox今年建網(wǎng)動(dòng)作

　　2016年2月，SigFox開(kāi)始在捷克建網(wǎng)，該項目稱(chēng)為SimpleCell。經(jīng)過(guò)一個(gè)半月的部署，其網(wǎng)絡(luò )覆蓋的城市和直轄市已經(jīng)超過(guò)3300個(gè)，超過(guò)了原計劃要覆蓋6245個(gè)地點(diǎn)的一半。在與T-Mobile合作下，如今已經(jīng)建成了60多個(gè)的SimpleCell基站，并計劃在今年5月份完成對所有地區的部署。

　　2016年4月，SigFox攜手Thinxtra在澳大利亞和新西蘭部署物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )，從而為成千上萬(wàn)待聯(lián)網(wǎng)的傳感器提供全球性、效益高、節能的通信解決方案。通過(guò)本次合作SigFox也將部署全球網(wǎng)絡(luò )的觸角伸到了到亞太地區，為該公司在亞太地區部署自己的網(wǎng)絡(luò )樹(shù)立了一塊里程碑，標志著(zhù)該公司2016年在30多個(gè)國家推出服務(wù)跨出了重要的一步。

　　Sigfox與模塊制造商、設備制造商、芯片制造商、物聯(lián)網(wǎng)平臺提供商等產(chǎn)業(yè)鏈上的眾多企業(yè)都建立了合作關(guān)系，如：

　　與芯科實(shí)驗室的合作，將該實(shí)驗室的EZRadioPRO無(wú)線(xiàn)收發(fā)器和UNB技術(shù)相結合；

　　與Atmel在遠程物聯(lián)網(wǎng)連接領(lǐng)域也開(kāi)展了合作，通過(guò)了SIGFOXReadyTM認證的ATA8520器件，是首款通過(guò)該認證的片上系統（SoC）解決方案；

　　攜手TI共同打造高成本效益、遠程、低功耗物聯(lián)網(wǎng)連接，讓TI的CC1120 Sub-1GHz RF收發(fā)器在搭配UNB技術(shù)后提供最遠范圍的連通性及強大的抗干擾性；

　　同基礎設施提供商Arqiva合作啟用了第一個(gè)站點(diǎn)。

　　3GPP主要有三種標準：LTE-M、EC-GSM和NB-IoT，分別基于LTE演進(jìn)、GSM演進(jìn)和Clean Slate技術(shù)。

　面對各種興起的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，3GPP主要有三種標準：LTE-M、EC-GSM和NB-IoT，分別基于LTE演進(jìn)、GSM演進(jìn)和Clean Slate技術(shù)。

　　●LTE-M

　　LTE-M，即LTE-Machine-to-Machine，是基于LTE演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在R12中叫Low-Cost MTC，在R13中被稱(chēng)為L(cháng)TE enhanced MTC （eMTC），旨在基于現有的LTE載波滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)設備需求。

　　知道LTE UE categories的朋友并不會(huì )陌生。為了適應物聯(lián)網(wǎng)應用場(chǎng)景，3GPP在R11中定義了最低速率的UE設備為UE Cat-1，其上行速率為5Mbps，下行速率為10Mbps。為了進(jìn)一步適應于物聯(lián)網(wǎng)傳感器的低功耗和低速率需求，到了R12，3GPP又定義了更低成本、更低功耗的Cat-0，其上下行速率為1Mbps。

　　●EC-GSM

　　EC-GSM，即擴展覆蓋GSM技術(shù)（Extended Coverage-GSM）。

　　各種LPWA技術(shù)的興起，傳統GPRS應用于物聯(lián)網(wǎng)的劣勢凸顯。2014年3月，3GPP GERAN #62會(huì )議“Cellular System Support for Ultra Low Complexity and Low Throughput Internet of Things”研究項目提出，將窄帶（200 kHz）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)遷移到GSM上，尋求比傳統GPRS高20dB的更廣的覆蓋范圍，并提出了5大目標：提升室內覆蓋性能、支持大規模設備連接、減小設備復雜性、減小功耗和時(shí)延。2015年，TSG GERAN #67會(huì )議報告表示，EC-GSM已滿(mǎn)足5大目標。

　　GERAN（GSM EDGE Radio Access Network）是GSM/EDGE 無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )（Radio Access Network）的縮寫(xiě)。GERAN由3GPP主導，主要制定GSM標準。由于早期的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是基于GSM的，所以一些物聯(lián)網(wǎng)立項都是GERAN進(jìn)行的。

　　隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信需要進(jìn)行重新定義，我們形象的叫做“clean-slate”方案，類(lèi)似于“打掃干凈屋子再請客”的說(shuō)法，這就出現了NB-IoT。由于NB-IoT技術(shù)并不基于GSM，是一種clean-slate方案，所以，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的工作內容轉移至RAN組。GERAN將繼續研究EC-GSM，直到R13 NB-IoT標準凍結。

　　●NB-IoT

　　2015年8月，3GPP RAN開(kāi)始立項研究窄帶無(wú)線(xiàn)接入全新的空口技術(shù)，稱(chēng)為Clean Slate CIoT，這一Clean Slate方案覆蓋了NB-CIoT。

　　NB-CIoT是由華為、高通和Neul聯(lián)合提出，NB-LTE是由愛(ài)立信、諾基亞等廠(chǎng)家提出。

　　NB-CIoT提出了全新的空口技術(shù)，相對來(lái)說(shuō)在現有LTE網(wǎng)絡(luò )上改動(dòng)較大，但NB-CIoT是提出的6大Clean Slate技術(shù)中，唯一一個(gè)滿(mǎn)足在TSG GERAN #67會(huì )議中提出的5大目標（提升室內覆蓋性能、支持大規模設備連接、減小設備復雜性、減小功耗和時(shí)延）的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，特別是NB-CIoT的通信模塊成本低于GSM模塊和NB-LTE模塊。

　　NB-LTE更傾向于與現有LTE兼容，其主要優(yōu)勢在于容易部署。

　　最終，在2015年9月的RAN #69會(huì )議上經(jīng)過(guò)激烈撕逼后協(xié)商統一，NB-IoT可認為是NB-CIoT和NB-LTE的融合。

　　這里引用一段3GPP RAN會(huì )議報告關(guān)于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的描述：

　　物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Thing， IoT）是未來(lái)重要技術(shù)，3GPP在R12/R13雖然也有MTC（Machine Type Communication）相關(guān)技術(shù)，但其基本做法是在既有LTE技術(shù)與架構上進(jìn)行優(yōu)化，并非針對物聯(lián)網(wǎng)特性進(jìn)行全新的設計。 相對于MTC技術(shù)優(yōu)化的做法，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（Cellular Internet of Thing， CIoT）技術(shù)項目建議針對物聯(lián)網(wǎng)特性全新設計，不一定要相容于既有的LTE技術(shù)框架。

　　關(guān)于NB-CIoT和NB-LTE的區別：

　　除了我們耳熟能詳的LoRa、SigFox LTE-M、EC-GSM和NB-IoT外，這一領(lǐng)域也是多家爭鳴的狀態(tài)，包括NWave、OnRamp、Platanus、Telensa、Weightless、Amber Wireless等。

　　NWave

　　NWave技術(shù)公司自己擁有該協(xié)議的所有權，該協(xié)議是Weightless-N協(xié)議的基礎。它以虛擬化Hub的方式實(shí)現多數據流傳輸，中央處理器對數據進(jìn)行分類(lèi)確保數據歸屬性。

　　實(shí)際上，今年7月份，Nwave 技術(shù)公司和企業(yè)加速器組織Accelerace與Next Step City攜手合作，在丹麥部署Weightless-N網(wǎng)路，范圍遍及首都哥本哈根，以及南丹麥能源產(chǎn)業(yè)重鎮埃斯比約，這一網(wǎng)絡(luò )即采用NWave協(xié)議搭建。此網(wǎng)絡(luò )是首次的公共網(wǎng)路建設行動(dòng)，是極具開(kāi)創(chuàng )性的里程碑，為丹麥物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市建設提供網(wǎng)絡(luò )基礎。

　　OnRamp

　　OnRamp使用其自有的協(xié)議，稱(chēng)為RPMA（隨機分配，多址接入）。OnRamp公司以授權方式讓合作伙伴使用該技術(shù)，且該公司撰寫(xiě)了一份非常詳盡的白皮書(shū)，白皮書(shū)中給出充足理由證明他們將優(yōu)于SigFoax和LoRa。

　　Platanus

　　這一協(xié)議是由云創(chuàng )科技（M2COMM）所擁有，是為處理一定距離下超高密度節點(diǎn)而設計的，它可以廣泛用于電子標簽類(lèi)應用中，這一協(xié)議也成為Weightless-P技術(shù)的基礎。

　　Platanus原始技術(shù)瞄準在100m左右中等范圍，為物聯(lián)網(wǎng)數位價(jià)格標簽提供室內覆蓋。這些數位價(jià)格標簽采用電子墨水（e- ink）或LCD顯示器，能夠取代商店貨架上的紙類(lèi)價(jià)格標簽， 讓商店得以透過(guò)無(wú)線(xiàn)方式調整產(chǎn)品價(jià)格。Platanus技術(shù)的其他主動(dòng)式應用還包括工廠(chǎng)中的生產(chǎn)批次的資訊顯示器，提供包括即時(shí)狀態(tài)與待處理的下一個(gè)步驟等資訊。由于這是一種雙向的通訊，這些顯示器還能整合感測器，監測貨品的環(huán)境狀況。

　　Telensa（原稱(chēng)Senaptic）

　　Telensa公司是一家無(wú)線(xiàn)監控系統供應商，將其智能無(wú)線(xiàn)技術(shù)應用于醫療、安全、車(chē)輛跟蹤和智能計量等市場(chǎng)，特別關(guān)注于街道照明和停車(chē)的遠程控制和管理。其掌握的低功耗無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)僅開(kāi)放用戶(hù)界面，協(xié)議本身并不開(kāi)放，該公司認為自己在應用層具有差異化的優(yōu)勢，而不是在底層協(xié)議層上。

　　Weightless

　　Weightless實(shí)際上包括三個(gè)協(xié)議，初始協(xié)議是Weightless-W，它是為充分利用廣電白頻譜（TVWS），但全球并未著(zhù)眼于開(kāi)發(fā)空白頻譜的可用性，因此該協(xié)議一直被擱置直到頻道可用的時(shí)候。

　　另一協(xié)議Weightless-N作為Weightless-W的補充，是一個(gè)非授權頻譜下窄帶網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，源于NWave技術(shù)，今年五月發(fā)布，瞄準在高達7Km的距離內以低速率為物聯(lián)網(wǎng)設備到基站提供低成本的單向通訊。Weightless特別興趣小組（SIG）之前即針對Weightless-N標準展開(kāi)一連串制定工作，目前已公布 Weightless 1.0版架構，是以低功耗、大范圍網(wǎng)路覆蓋為目標基礎所制定，使用sub-GHz頻譜和超窄頻段（Ultra Narrow Band）技術(shù)，期能滿(mǎn)足更多物聯(lián)網(wǎng)應用。

　　但還有一系列的應用需要雙向通訊，以便確認信息接收、軟件更新等，它們需要比Weightless-N更高的速率。于是第三個(gè)協(xié)議Weightless-P應運而生，正瞄準了這些市場(chǎng)需求近期，這一協(xié)議是基于M2COMM 公司的Platanus技術(shù)。根據Weightless SIG介紹，Weightless-P將利用窄頻通道以及12.5kHz通道的FDMA+TDMA調變，作業(yè)于免授權的sub-GHz ISM頻段。物聯(lián)網(wǎng)設備與基站的通訊將可實(shí)現時(shí)間同步，從而管理無(wú)線(xiàn)電資源與處理交換機制以實(shí)現裝置漫游，可用的通訊速率能夠根據鏈路品質(zhì)與所取得的資源，在200bps-100kbps之間調整。

　　Weightless作為開(kāi)放的協(xié)議，并允許開(kāi)發(fā)者使用特定供應商或網(wǎng)絡(luò )服務(wù)供應商的資源，每家公司都能免費利用Weightless技術(shù)發(fā)展低成本的基站和終端設備，因此成為繼LoRa和SigFox之后具有商業(yè)化前景的技術(shù)。

　　Amber Wireless：Amber Wireless是一個(gè)私有專(zhuān)利協(xié)議，當前暫無(wú)詳細的商用化案例。