如今，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展讓曾經(jīng)不可能實(shí)現(xiàn)的個(gè)人與設(shè)備之間的連接成為現(xiàn)實(shí)。LPWAN 已成為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的熱門(mén)話題，它提供了以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的解決方案。對(duì)于短距離連接，我們有WiFi、藍(lán)牙、Zigbee等技術(shù)；而對(duì)于長(zhǎng)距離，也有2G、3G、4G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)等選擇。
但如果我們從這些無(wú)線技術(shù)的功率需求和覆蓋范圍來(lái)看待它們，就會(huì)發(fā)現(xiàn)在低功耗、長(zhǎng)距離選項(xiàng)方面存在差距。LPWAN 技術(shù)非常適合這個(gè)細(xì)分市場(chǎng)。它填補(bǔ)了我們之前的無(wú)線通信選項(xiàng)陣容中缺少的短電池壽命、長(zhǎng)距離的空白。
什么是LPWAN？
LPWAN，即低功耗廣域網(wǎng)（有時(shí)也稱為 LPWA），是一個(gè)相對(duì)較新的術(shù)語(yǔ)，它不是一種標(biāo)準(zhǔn)或單一技術(shù)。相反，它更像是一個(gè)通用術(shù)語(yǔ)，包括各種專有和開(kāi)源協(xié)議。本質(zhì)上，LPWAN 是指專為設(shè)備之間的低功耗、長(zhǎng)距離通信而設(shè)計(jì)的一系列無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。
LPWAN 技術(shù)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(jì)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?lái)，LPWAN 將以更具創(chuàng)新性的方式得到更廣泛的應(yīng)用。
LPWAN 技術(shù)中的拓?fù)渑c架構(gòu)
從拓?fù)浣Y(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(shù)通常具有普遍性并支持移動(dòng)性。由于成本效益，LPWAN 更傾向于采用星型或星對(duì)星型拓?fù)洌皇蔷W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。
LPWAN 的核心是無(wú)線連接、互聯(lián)網(wǎng)和云。基站/網(wǎng)關(guān)從眾多遠(yuǎn)程分布式終端節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)，并響應(yīng)來(lái)自 LPWAN 的輸入?；?網(wǎng)關(guān)是接收和解調(diào)這些數(shù)據(jù)并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) TCP/IP 回程鏈路（如以太網(wǎng)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)等）將其發(fā)送到后端服務(wù)器的邊界設(shè)備。
對(duì)于公共 LPWAN 服務(wù)，數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)，然后再發(fā)送到最終用戶應(yīng)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(yù)定義后端。這可確保 LPWAN 設(shè)備數(shù)據(jù)的私密性和安全性。
LPWAN標(biāo)準(zhǔn)：蜂窩 LPWA 和非蜂窩 LPWA
在深入探討LPWAN 技術(shù)之前，了解它們的主要類別至關(guān)重要。LPWAN 大致可分為兩類：在未經(jīng)授權(quán)的頻段內(nèi)運(yùn)行的技術(shù)（如 LoRa 和 SigFox）以及在授權(quán)頻段內(nèi)運(yùn)行并遵守 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)的蜂窩技術(shù)（如 LTE-M 和 NB-IoT）。
下面，我們將探討一些積極部署的 LPWAN 技術(shù)選項(xiàng)。
蜂窩 LPWAN（授權(quán)頻譜）
蜂窩 LPWAN 需要獲得政府或監(jiān)管機(jī)構(gòu)的授權(quán)，并且通常利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的基礎(chǔ)設(shè)施。但是，它們需要可靠的設(shè)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(biāo)準(zhǔn)包括 EC-GSM-IoT、LTE Cat. M1 (LTE-M) 和 NB-IoT，在 LTE 頻譜（700MHz-3.5GHz）內(nèi)運(yùn)行。
物聯(lián)網(wǎng)
EC-GSM-IoT 即擴(kuò)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(shù)，旨在利用現(xiàn)有的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)設(shè)施（主要是 2G/GSM）建立遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)通信。它使用授權(quán)頻譜來(lái)提供可靠和安全的通信。與其他蜂窩技術(shù)相比，GSM 提供更廣泛的覆蓋范圍。其改進(jìn)版本 eGPRS/EDGE 保留了這一優(yōu)勢(shì)，同時(shí)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(shè)備而開(kāi)發(fā)的 LPWAN 無(wú)線電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。作為 3GPP CIoT 技術(shù)，NB-IoT 與 EC-GSM-IoT 和 LTE-M 相比，進(jìn)一步定義了物聯(lián)網(wǎng)通信的無(wú)線接口。它在授權(quán)頻譜帶內(nèi)運(yùn)行，使用約 180kHz 的窄帶寬。NB-IoT 是通過(guò) 3GPP 與諾基亞、華為和愛(ài)立信等領(lǐng)先電信設(shè)備供應(yīng)商之間的合作而標(biāo)準(zhǔn)化的。
| 標(biāo)準(zhǔn) | 3GPP |
| 覆蓋范圍 | 城市（1公里），鄉(xiāng)村（10公里） |
| 帶寬 | 200千赫 |
| 頻率 | 授權(quán) LTE 頻段 |
LTE-M
LTE-M（LTE 機(jī)器對(duì)機(jī)器）也稱為 eMTC（增強(qiáng)型機(jī)器類型通信），是另一種源自 LTE 的 3GPP LPWAN IoT 技術(shù)。與 NB-IoT 相比，它支持更高的數(shù)據(jù)速率和移動(dòng)性（高達(dá) 350 公里/小時(shí)）。LTE-M 在授權(quán)頻譜中運(yùn)行，與 2G、3G、4G 和 5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存。
LTE-M 最初在 3GPP 版本 12 中被稱為低成本 MTC，后來(lái)在第 13 版中更名為 eMTC。3GPP 版本中的增強(qiáng)功能擴(kuò)展了 LTE-M 的功能。版本 14 和 15 支持增強(qiáng)的移動(dòng)覆蓋水平。版本 14 增加了 VoLTE（LTE 語(yǔ)音）功能。版本 15 在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了更高移動(dòng)性物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的新用例。版本 16 繼續(xù)發(fā)展，改進(jìn)了與 5G 新無(wú)線電 (NR) 的共存。
| 標(biāo)準(zhǔn) | 3GPP |
| 范圍 | 1-10公里 |
| 帶寬 | 1.4兆赫 |
| 頻率 | 授權(quán) LTE 頻段 |
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(yùn)行，不依賴于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商基礎(chǔ)設(shè)施。設(shè)備直接或通過(guò)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用/網(wǎng)絡(luò)服務(wù)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(yuǎn)地區(qū)、山區(qū)、島嶼以及專用企業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施中。
LoRa/LoRaWAN
LoRa是協(xié)議棧的 PHY 規(guī)范，具體是指 Semtech 開(kāi)發(fā)的專有 Chirp 擴(kuò)頻調(diào)制。LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)定義了在 LoRa PHY 層之上運(yùn)行的 MAC 層協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)，由 LoRa 聯(lián)盟維護(hù)，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(gè)終端設(shè)備到網(wǎng)關(guān)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(lái)減少?zèng)_突并增加網(wǎng)關(guān)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(yuǎn)地區(qū)不頻繁通信的應(yīng)用。單個(gè) LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)可以處理來(lái)自眾多節(jié)點(diǎn)和終端設(shè)備的連接。
| 標(biāo)準(zhǔn) | LoRa聯(lián)盟 |
| 范圍 | 城市（5公里），鄉(xiāng)村（15公里） |
| 帶寬 | 125 KHz 和 250 KHz |
| 頻率 | 169 MHz、433 MHz（亞洲）、868 MHz（歐洲）和 915 MHz（北美） |
Sigfox
Sigfox 是廣泛采用的非 3GPP LPWAN 技術(shù)之一。它是一種專有的 LPWAN 技術(shù)，以首次推出它的公司 Sigfox 命名。它利用超窄帶無(wú)線電實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離、低功耗無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)連接。
然而，Sigfox 的窄帶寬嚴(yán)重限制了向設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的下行鏈路能力。超窄帶可能會(huì)導(dǎo)致潛在的干擾問(wèn)題。盡管存在這些限制，Sigfox 仍然是 LPWAN 領(lǐng)域的佼佼者，并在歐洲獲得了成功。
| 標(biāo)準(zhǔn) | 與 ETSI 合作實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化 |
| 范圍 | 城市（10公里），鄉(xiāng)村（40公里） |
| 帶寬 | 100 赫茲 |
| 頻率 | 862 至 928 MHz |
Weightless
Weightless特別興趣小組（Weightless SIG）成立于2008年，旨在標(biāo)準(zhǔn)化LPWAN技術(shù)。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(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的變體：Weightless-W、Weightless-N 和 Weightless-P。Weightless-W 在電視空白頻段 (TVWS) 中運(yùn)行，部署更為復(fù)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(yùn)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(guān)注和部署。
Symphony Link
Symphony Link是由 LoRa 聯(lián)盟成員公司 Link Labs 開(kāi)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(shí)施了自己的定制 MAC 層軟件堆棧 Symphony Link，而不是使用開(kāi)放的 LoRaWAN 規(guī)范。
與 LoRaWAN 標(biāo)準(zhǔn)相比，Symphony Link 的主要區(qū)別在于一些增強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能，例如可靠的消息傳遞和通過(guò)添加網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。
LPWAN 技術(shù)的應(yīng)用
就范圍和功耗而言，LPWAN 是贏家。利用 LPWAN 可以從傳感器遠(yuǎn)程收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行長(zhǎng)距離跟蹤。接下來(lái)，我們將探討它的一些實(shí)際用例。
智能燃?xì)夂退?/b>
自動(dòng)抄表系統(tǒng)利用 LPWAN 遠(yuǎn)程無(wú)線收集公用事業(yè)消費(fèi)數(shù)據(jù)，包括電力、天然氣和水。操作員手動(dòng)檢查和記錄數(shù)據(jù)的日子已經(jīng)一去不復(fù)返了。用戶還可以了解他們每天使用的消費(fèi)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(shè)施都利用 LPWAN 來(lái)提高其智能化程度。在家庭環(huán)境中，智能家居設(shè)備（如智能鎖、暖通空調(diào)系統(tǒng)和照明）可以通過(guò) LPWAN 進(jìn)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(mén)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(jì)劃中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。安裝在垃圾桶內(nèi)的傳感器可以監(jiān)測(cè)填充水平，并通過(guò) LPWAN 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胂到y(tǒng)。當(dāng)達(dá)到預(yù)定的填充水平時(shí)，會(huì)生成警報(bào)以便及時(shí)收集和處理。此外，還可以通過(guò)為垃圾車(chē)配備 LPWAN 跟蹤器來(lái)獲取垃圾車(chē)的位置信息。
智能停車(chē)
在智能停車(chē)系統(tǒng)中，LPWAN技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理停車(chē)位占用情況。安裝在停車(chē)位上的傳感器可以準(zhǔn)確檢測(cè)占用情況。用戶可以通過(guò)移動(dòng)應(yīng)用程序查看可用停車(chē)位并遠(yuǎn)程支付停車(chē)費(fèi)。
智慧農(nóng)業(yè)
LPWAN 正在擴(kuò)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(yuǎn)程收集數(shù)據(jù)。
授權(quán)與非授權(quán) LPWAN 的常見(jiàn)比較
鑒于可用的 LPWAN 技術(shù)眾多，明智的選擇至關(guān)重要。根據(jù) IoT Analytics 的市場(chǎng)研究估計(jì)，到 2024 年，超過(guò)97%的 LPWAN 系統(tǒng)將使用 LTE-M、NB-IoT、Sigfox 或 LoRa 技術(shù)部署。因此，我們將比較前四種 LPWAN 技術(shù)：NB-IoT、LTE-M、Sigfox 和 LoRa。
NB-IoT、LTE-M、LoRaWAN 和 Sigfox 的比較表
| LTE-M | NB-IoT | LoRaWAN | Sigfox | |
| 規(guī)范權(quán)威 | 3GPP | 3GPP | LoRa聯(lián)盟 | 私有 |
| 頻帶 | 授權(quán) LTE 頻段 | 授權(quán) LTE 頻段 | 未經(jīng)授權(quán)的 ISM 頻段 | 未經(jīng)收取的 ISM 頻段 |
| 最大范圍 | 約10公里 | 約10公里 | 約15公里 | 約40公里 |
| 功耗 | 低 | 低 | 低 | 超低 |
| 帶寬 | 200kbps | 1mbps | 50kbps | 600bps |
| 設(shè)備電池壽命 | 10+ 年 | 10+ 年 | 15+ 年 | 15+ 年 |
| 雙向溝通 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 |
| 安全 | 3GPP(128-256 位) | 3GPP(128-256 位) | AES 128 位 | AES 128 位 |
| 定位 | 支持 | 支持 | 支持(TDOA) | 支持 (RSSI) |
| 成本 | 適中 | 適中 | 低 | 低 |
做出正確的 LPWAN 選擇
NB-IoT 是一種 3GPP LPWAN 技術(shù)，利用現(xiàn)有的 LTE/GSM 網(wǎng)絡(luò)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供低帶寬連接。它可提高設(shè)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(dòng)化、智慧城市、健康監(jiān)測(cè)和災(zāi)難響應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)用例。
LTE-M 的目標(biāo)應(yīng)用與 NB-IoT 類似，但帶寬更高，可實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率和更嚴(yán)格的安全性，但功耗更高。它適合需要更高吞吐量的應(yīng)用，例如功率限制不那么嚴(yán)格的視頻監(jiān)控。
Sigfox 和 LoRaWAN 是非 3GPP 技術(shù)，在未授權(quán)頻譜中運(yùn)行。它們的窄帶寬支持超低功耗運(yùn)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(diǎn)進(jìn)行不頻繁的小有效載荷傳輸。Sigfox 優(yōu)先考慮低功耗和簡(jiǎn)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(shè)備管理。二者都可以服務(wù)于智能農(nóng)業(yè)、資產(chǎn)跟蹤和相關(guān)的低吞吐量物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控場(chǎng)景。
LPWAN 是未來(lái)
作為一項(xiàng)快速發(fā)展的新技術(shù)，目前LPWAN 領(lǐng)域處于發(fā)展階段，尚未成熟。由于市場(chǎng)參與者眾多，因此尚未明確誰(shuí)是贏家，尤其是考慮到市場(chǎng)擴(kuò)張速度的不確定性。每種 LPWAN 變體的長(zhǎng)期性能也仍不確定，因?yàn)樵S多變體仍處于初始部署階段，缺乏全面、大規(guī)模的實(shí)際測(cè)試。
事實(shí)上，ABI Research 的研究顯示，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的采用率預(yù)計(jì)將激增，預(yù)計(jì)到 2030 年將有53 億臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備利用 LPWAN 技術(shù)。LPWAN 有望成為市場(chǎng)中增長(zhǎng)最快的連接領(lǐng)域。推動(dòng)這一增長(zhǎng)的是遠(yuǎn)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(shù)特別適合解決這些特性。
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