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

　　物聯(lián)網(wǎng)希望通過通信技術將人與物，物與物進行連接。在智能家居、工業(yè)數(shù)據(jù)采集等局域網(wǎng)通信場景一般采用短距離通信技術，但對于廣范圍、遠距離的連接則需要遠距離通信技術。LPWAN技術正式為滿足物聯(lián)網(wǎng)需求應運而生的遠距離無線通信技術。

　　提到遠距離無線通信，你可能會有疑問不是有移動蜂窩通信技術嗎？的確，目前全球電信運營商已經(jīng)構建了覆蓋全球的移動蜂窩網(wǎng)絡，然而2G、3G、4G等蜂窩網(wǎng)絡雖然覆蓋距離廣，但基于移動蜂窩通信技術的物聯(lián)網(wǎng)設備有功耗大、成本高等劣勢。當初設計移動蜂窩通信技術主要是用于人與人的通信。根據(jù)權威的分析報告，當前全球真正承載在移動蜂窩網(wǎng)絡上的物與物的連接僅占連接總數(shù)的6%。如此低的比重，主要原因在于當前移動蜂窩網(wǎng)絡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與物聯(lián)網(wǎng)，請查看《從技術角度看移動通信技術發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)》

　　LPWAN（Low Power Wide Area Network），低功耗廣域網(wǎng)絡，專為低帶寬、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：一類是工作于未授權頻譜的LoRa、SigFox等技術；另一類是工作于授權頻譜下，3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。

　　接下來電子發(fā)燒友小編為你帶來LPWA的兩類技術詳解：

　　LoRa

　　LoRa并不是一個陌生的技術，它目前應用最為廣泛的LPWAN網(wǎng)絡技術之一，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無線技術的主要特點：

　　長距離：1 ~ 20 km

　　節(jié)點數(shù)：萬級，甚至百萬級

　　電池壽命：3~10年

　　數(shù)據(jù)速率0.3~50kbps

　　LoRa作為一種無線技術，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(shù)據(jù)速率也延長了電池壽命和增加了網(wǎng)絡的容量。LoRa信號對建筑的穿透力也很強。LoRa的這些技術特點更適合于低成本大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)部署。

　　在城市里，一般無線距離范圍在1~2公里，郊區(qū)或空曠地區(qū)，無線距離會更遠些。網(wǎng)絡部署拓撲布局可以根據(jù)具體應用和和場景設計部署方案。LoRa適合于通信頻次低，數(shù)據(jù)量不大應用。一個網(wǎng)關可以連接多少個節(jié)點或終端設備，按照Semtech官方的解釋：一個SX1301有8個通道，使用LoRaWAN協(xié)議每天可以接受約150萬包數(shù)據(jù)。如果你的應用每小時發(fā)送一個包，那么一個SX1301網(wǎng)關可以處理大約62500個終端設備。

　　LoRa應用

　　從目前的LoRa應用情況來看，主要有數(shù)據(jù)透傳和LoRaWAN協(xié)議應用。目前還是用LoRa作為數(shù)據(jù)透傳的多，由于網(wǎng)關技術和開發(fā)的門檻比較高，使用LoRaWAN協(xié)議組網(wǎng)的應用還是比較少。

　　從LoRa網(wǎng)絡應用方面看，有大網(wǎng)和小網(wǎng)之分。小網(wǎng)是指用戶自設節(jié)點、網(wǎng)關和服務器，自成一個系統(tǒng)網(wǎng)絡；大網(wǎng)就是大范圍基礎性的網(wǎng)絡部署，就像中國移動的通信網(wǎng)絡一樣。從LoRa行業(yè)從業(yè)者來看，有不少電信運營商也參與其中。隨著LoRa設備和網(wǎng)絡的增多，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，需要一個統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理的機制，一個大網(wǎng)的管理。

　　LoRa應用需要考慮的幾個問題：

　　距離或范圍

　　供電或功耗

　　節(jié)點數(shù)

　　應用場景

　　成本

　　相對于其他無線技術（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Bouygues電信運營商宣布將建設一張新的LoRa網(wǎng)絡。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，有利于客戶獲得LoRa產(chǎn)品并采用LoRa無線技術并實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用。

　　另外，LoRa聯(lián)盟已于今年年初成立，是LPWAN領域第一個產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，旨在通過構建生態(tài)系統(tǒng)的方式推動LoRa的普及。

　　SigFox

　　SigFox也是商用化速度較快的一個LPWAN網(wǎng)絡技術，它采用超窄帶技術，使得網(wǎng)絡設備消耗50微瓦的功率為雙向單向通信或100微瓦。相比較而言，移動電話通信則需要約5000微瓦。這就意味著，接入Sigfox網(wǎng)絡的設備每條消息最大的長度大約為12字節(jié)，并且每天每個設備所能發(fā)送的消息不能超過140條。再說說覆蓋范圍，該公司希望他們的網(wǎng)絡可以覆蓋至1000公里并且每個基站能夠處理一百萬個對象。

　　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、低成本的無線物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)絡。

　　Sigfox今年建網(wǎng)動作

　　2016年2月，SigFox開始在捷克建網(wǎng)，該項目稱為SimpleCell。經(jīng)過一個半月的部署，其網(wǎng)絡覆蓋的城市和直轄市已經(jīng)超過3300個，超過了原計劃要覆蓋6245個地點的一半。在與T-Mobile合作下，如今已經(jīng)建成了60多個的SimpleCell基站，并計劃在今年5月份完成對所有地區(qū)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，從而為成千上萬待聯(lián)網(wǎng)的傳感器提供全球性、效益高、節(jié)能的通信解決方案。通過本次合作SigFox也將部署全球網(wǎng)絡的觸角伸到了到亞太地區(qū)，為該公司在亞太地區(qū)部署自己的網(wǎng)絡樹立了一塊里程碑，標志著該公司2016年在30多個國家推出服務跨出了重要的一步。

　　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)都建立了合作關系，如：

　　與芯科實驗室的合作，將該實驗室的EZRadioPRO無線收發(fā)器和UNB技術相結合；

　　與Atmel在遠程物聯(lián)網(wǎng)連接領域也開展了合作，通過了SIGFOXReadyTM認證的ATA8520器件，是首款通過該認證的片上系統(tǒng)（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合作啟用了第一個站點。

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

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

　　●LTE-M

　　LTE-M，即LTE-Machine-to-Machine，是基于LTE演進的物聯(lián)網(wǎng)技術，在R12中叫Low-Cost MTC，在R13中被稱為LTE enhanced MTC （eMTC），旨在基于現(xiàn)有的LTE載波滿足物聯(lián)網(wǎng)設備需求。

　　知道LTE UE categories的朋友并不會陌生。為了適應物聯(lián)網(wǎng)應用場景，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（Extended Coverage-GSM）。

　　各種LPWA技術的興起，傳統(tǒng)GPRS應用于物聯(lián)網(wǎng)的劣勢凸顯。2014年3月，3GPP GERAN #62會議“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)技術遷移到GSM上，尋求比傳統(tǒng)GPRS高20dB的更廣的覆蓋范圍，并提出了5大目標：提升室內(nèi)覆蓋性能、支持大規(guī)模設備連接、減小設備復雜性、減小功耗和時延。2015年，TSG GERAN #67會議報告表示，EC-GSM已滿足5大目標。

　　GERAN（GSM EDGE Radio Access Network）是GSM/EDGE 無線通信網(wǎng)絡（Radio Access Network）的縮寫。GERAN由3GPP主導，主要制定GSM標準。由于早期的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術是基于GSM的，所以一些物聯(lián)網(wǎng)立項都是GERAN進行的。

　　隨著技術的發(fā)展，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信需要進行重新定義，我們形象的叫做“clean-slate”方案，類似于“打掃干凈屋子再請客”的說法，這就出現(xiàn)了NB-IoT。由于NB-IoT技術并不基于GSM，是一種clean-slate方案，所以，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的工作內(nèi)容轉移至RAN組。GERAN將繼續(xù)研究EC-GSM，直到R13 NB-IoT標準凍結。

　　●NB-IoT

　　2015年8月，3GPP RAN開始立項研究窄帶無線接入全新的空口技術，稱為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是由愛立信、諾基亞等廠家提出。

　　NB-CIoT提出了全新的空口技術，相對來說在現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡上改動較大，但NB-CIoT是提出的6大Clean Slate技術中，唯一一個滿足在TSG GERAN #67會議中提出的5大目標（提升室內(nèi)覆蓋性能、支持大規(guī)模設備連接、減小設備復雜性、減小功耗和時延）的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術，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(xiàn)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會議上經(jīng)過激烈撕逼后協(xié)商統(tǒng)一，NB-IoT可認為是NB-CIoT和NB-LTE的融合。

　　這里引用一段3GPP RAN會議報告關于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術的描述：

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

　　關于NB-CIoT和NB-LTE的區(qū)別：

　　除了我們耳熟能詳?shù)腖oRa、SigFox LTE-M、EC-GSM和NB-IoT外，這一領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的方式實現(xiàn)多數(shù)據(jù)流傳輸，中央處理器對數(shù)據(jù)進行分類確保數(shù)據(jù)歸屬性。

　　實際上，今年7月份，Nwave 技術公司和企業(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(zhèn)埃斯比約，這一網(wǎng)絡即采用NWave協(xié)議搭建。此網(wǎng)絡是首次的公共網(wǎng)路建設行動，是極具開創(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)絡基礎。

　　OnRamp

　　OnRamp使用其自有的協(xié)議，稱為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，且該公司撰寫了一份非常詳盡的白皮書，白皮書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(jié)點而設計的，它可以廣泛用于電子標簽類應用中，這一協(xié)議也成為Weightless-P技術的基礎。

　　Platanus原始技術瞄準在100m左右中等范圍，為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)位價格標簽提供室內(nèi)覆蓋。這些數(shù)位價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價格標簽， 讓商店得以透過無線方式調(diào)整產(chǎn)品價格。Platanus技術的其他主動式應用還包括工廠中的生產(chǎn)批次的資訊顯示器，提供包括即時狀態(tài)與待處理的下一個步驟等資訊。由于這是一種雙向的通訊，這些顯示器還能整合感測器，監(jiān)測貨品的環(huán)境狀況。

　　Telensa（原稱Senaptic）

　　Telensa公司是一家無線監(jiān)控系統(tǒng)供應商，將其智能無線技術應用于醫(yī)療、安全、車輛跟蹤和智能計量等市場，特別關注于街道照明和停車的遠程控制和管理。其掌握的低功耗無線通信技術僅開放用戶界面，協(xié)議本身并不開放，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實際上包括三個協(xié)議，初始協(xié)議是Weightless-W，它是為充分利用廣電白頻譜（TVWS），但全球并未著眼于開發(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候。

　　另一協(xié)議Weightless-N作為Weightless-W的補充，是一個非授權頻譜下窄帶網(wǎng)絡協(xié)議，源于NWave技術，今年五月發(fā)布，瞄準在高達7Km的距離內(nèi)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，期能滿足更多物聯(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。于是第三個協(xié)議Weightless-P應運而生，正瞄準了這些市場需求近期，這一協(xié)議是基于M2COMM 公司的Platanus技術。根據(jù)Weightless SIG介紹，Weightless-P將利用窄頻通道以及12.5kHz通道的FDMA+TDMA調(diào)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現(xiàn)時間同步，從而管理無線電資源與處理交換機制以實現(xiàn)裝置漫游，可用的通訊速率能夠根據(jù)鏈路品質(zhì)與所取得的資源，在200bps-100kbps之間調(diào)整。

　　Weightless作為開放的協(xié)議，并允許開發(fā)者使用特定供應商或網(wǎng)絡服務供應商的資源，每家公司都能免費利用Weightless技術發(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。

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