低功率广域网（LPWAN）技术解析

什么是 LPWAN ?

物联网(Internet of Things，IoT)是指由全球数十亿个装置链接到Internet所组成的一个网络。常见的物联网装置包括穿戴式装置和智能家居装置等。这类应用基本上是以牺牲部分隐私为代价，来得到某些便利。在工业领域，物联网的优点极为显著，不只可提高生产力、下降成本、减小能源消耗，同时还可以让机器读取海量数据，并据此执移动做。借助分析全部物联网装置所产生的数据，您可增进工做效率，或是为客户提供更优质的服务。因为您可以更深刻地了解客户，所以可提供新型态服务并扩大服务范围。

不过，当今大多数无线技术仍没法因应物联网的要求，尤为是在覆盖范围或电池使用寿命方面。

为了知足物联网要求，您必须在数据速率、功耗和覆盖范围之间加以取舍。如欲实现低功耗，则须被迫牺牲数据速率。

ZigBee、BT LE 和 NFC 能以中等数据速率和低功耗，提供短距的覆盖范围。

LPWAN 是一项可同时知足覆盖范围和电池使用寿命需求的技术。它能以极小的功耗提供最长距离的覆盖范围，并且数据速率仅略微下滑。

不少智慧城市和智能公用事业应用，例如智能路灯、湿度传感器、智能计量和智能停车等，对数据速率的要求不高，但却须要很是宽广的覆盖范围。这就是 LPWAN 可以派上用场的地方。

LPWAN 技术：案例研究

让咱们想一想看，如何在无线智能计量应用中，使用 LPWAN 来提升工做效率。

一家公用事业企业负责为一个小城镇的全部家庭供水。该公司必须派人挨家挨户抄水表，整个过程全都是靠人工完成，耗费了大量时间在路上往返。若是该公司可以在每一户家庭中安装水表，而后透过无线方式追踪用水情况，并将数据发送到云端，如此不但可节省大量的工时，并且还能够有效下降成本，让公司能专一于其余领域。此外，这家公用事业公司能够更充分掌握客户的用水模式，并依据相关数据优化供水能力，确保在尖峰时段家家户户都能得到充足的供水。

为了以无线方式追踪用水情况，该公司必须在水表中加装一个很小的硬件装置，即物联网客户端或代理装置。这个硬件可读取水表数据，并将读数按期发送到云端。在此状况下，数据速率和延迟并不重要，最关键的因素是覆盖范围和电池使用寿命。因为某些水表安装在遥远的位置、地下室或难以到达的地方，无线技术必须支持普遍的覆盖区域，并提供深刻的室内覆盖率。水表中的电池预计可连续使用 10 年以上。

此时，这些服务供货商面临的挑战是：

将全部安装于遥远位置的水表透过无线技术链接到云端
确保这些水表中的电池使用寿命长达 10 年以上
为了克服这些挑战，该公司能够采用 LPWAN 技术。这些技术可大体分为受权许可技术和非受权许可技术，每一项技术都有其优缺点。

LPWAN 技术比较

因为蜂巢式网络成本很高，用电量也很大，并需使用昂贵的硬件和服务，因而不少网络供货商便转而使用非受权的频谱(例如 LoRa、SIGFOX 和 Telensa)来开发其无线网络。这些供货商主要针对关键基础设施和农业等应用，开发本身的低成本基地台。他们从小覆盖范围开始，逐步将基础设施的覆盖范围扩充到全国或全区，最后再透过蜂巢式回程链路链接到云端。

另外一方面，3GPP NB-IoT 或 LTE Cat-M1 等须要受权的 LPWAN 技术，支持对现有蜂巢式基础设施进行软件更新，例如升级现有的 LTE 和 GSM 基地台。借助重复利用现有的 3G 或 4G频谱，他们可迅速地实现国内和国际的覆盖与部署。这些技术可为须要依赖宽广覆盖范围的应用提供支持，例如车辆追踪、宠物追踪和物流。为因应技术演进的需求，他们持续制订更强大的标准，以便将服务扩充到其余领域，例如移动通信、漫游、安保和身份验证。

受权和非受权 LPWAN 技术有一些共同点：链路预算都很高、电池使用寿命很长。二者主要的差异在于，围绕这些技术的生态体系不一样。

SIGFOX 是一个由多家芯片商组成的生态体系，其产品使用次 GHz 频谱波段，由 Sigfox 公司负责管理协议和认证。该公司提供很是小的封包(12 字节)和很是低的装置成本，是最先的 LPWAN 厂商之一。

LoRa 是一项专属技术，其芯片由 Semtech 提供。LoRaWAN 是以 LoRa 联盟开发和认证的LoRa 技术为基础所创建的协议。LoRaWAN 主要是一个媒体访问控制(MAC)层协议，为应用提供极高的灵活性，但也给开发完整解决方案的工程师带来了一大挑战。

窄频物联网(NB-IoT)、LTE Cat-M1 和 EC-GPRS 都是蜂巢式物联网标准，它们采用多家厂商芯片或装置的多厂商生态体系。和其它蜂巢式格式同样，其认证由 GCF/PTCRB 管理。您只需将现有的蜂巢式基础设施所使用的软件升级，即可支持这些新技术。虽然它们比非受权的技术晚几年问世，但发布以后便广为国内和国际企业采用，以支持须要大覆盖范围的应用，例如车辆追踪、物流和资产追踪。

LTE Cat-M1 根据 3GPP 发布的 LTE 技术修订而来，是现有技术的简化版本。它使用更简单、更便宜的芯片组，并可提供比其余 LPWAN 技术更快的数据速率。LTE Cat-M1 还可借助对现有 LTE 基础设施进行软件更新来得到支持。Cat-M1 最初部署于美国。

NB-IoT 是 3GPP 发布的一项全新技术，可借助对 LTE 或现有 RAN 基础设施进行软件更新来得到支持。相较于其余技术，其优势是装置成本相对较低、链路预算良好。NB-IoT 最初主要部署于亚洲或欧洲。

EC-GPRS 是 GPRS 的改良版本，可借助对现有 GSM 基础设施进行软件更新来得到支持。透过信号中继或从新传输，它可实现比 GPRS 更好的链路预算。

其余 LPWAN 格式还包括 Telensa、Ingenu 和 Weightless。Telensa 是单一厂商装置，其中使用了多家厂商的芯片，而且在次 GHz 的频段内运做。这家垂直整合制造商主要致力于智慧路灯照明业务，并开始进入停车传感器领域。Telensa 已被普遍部署于英国、美国和亚洲的路灯照明应用上。Ingenu 以其专有的 RPMA 技术为基础，并在非受权的 2.4 GHz 频段运做。Weightless 拥有三种不一样的无线设计，并由Weightless Special Interest Group(SIG)进行管理。

LPWAN 的要求和挑战

LPWAN 技术形形色色，各不相同，可是为了知足物联网应用的要求，它们都有一些共同的特性。

可靠性：提供 10 年或更长的运做时间，无需人力介入，可在物联网服务中断后自行恢复运做
高密度：支持大量链接装置
低成本：模块单价不到 5 美圆
出色的电池续航力：寿命长达 10 年以上，一般一天可发送几则讯息，每则包含数十个字节，以便延长电池续航力
最大覆盖范围：可覆盖难以到达或地处偏远的区域
对于物联网装置供货商来讲，要想知足这些要求是一大挑战。

可靠性：为确保可靠性，装置厂商必须在实验室或生产在线重建不一样的实际运做情境，并以高度的可重复性进行测试。他们还需测试一些不利的情境，例如物联网服务器停机并出现链接故障，确保装置可以自行恢复运做，而且不会消耗过多电量。 最大的覆盖范围：为确保最大覆盖范围，制造商需模拟不一样的射频环境，包括遥远位置、地下室、隐蔽场所、混凝土建筑物及工业环境等，这些环境中的射频条件差别很大。装置制造商需执行和接收器特性分析，以了解物联网装置在这些不一样射频条件下的效能。 更长的电池续航力：为了延长电池续航力，制造商需分析物联网装置在运做、闲置、待机和休眠模式下的电流消耗状况。装置制造商还需从新创建各类运做条件，例如远程软件更新、极限覆盖条件下的重复传输，以及装置没法链接到服务器等条件，以充分掌握每一种情境中，分别须要消耗多大电流。 低组件成本：为了有效下降组件成本，不少制造商使用低成本组件并简化硬件设计。这些组件的效能必须通过精密的特性分析，以确保其可靠性不受影响。审慎挑选正确的测试装置，能有助于下降组件成本。一套完整的解决方案可涵盖从设计、制造到相符性测试的整个产品开发周期，以协助客户大幅下降测试装置的资本支出。 支持普遍的格式：不少制造商的产品采用不一样的 LPWAN 技术，以知足不一样应用和国家的要求。所以，他们须要支持最多 LPWAN 技术的测试解决方案。 验收或认证测试：使用蜂巢式技术的组件，例如 NB-IoT 模块和 Cat-M1 模块，必须经过GCF 和 PTCRB 等认证和管理测试。您必须对这些组件执行多种使用案例测试，确保其符合相关标准。