物聯網低功耗廣域網絡（LPWAN）技術全面詳解

　　物聯網希望通過通信技術將人與物，物與物進行連接。在智能家居、工業數據采集等局域網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網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構建了覆蓋全球的移動蜂窩網絡，然而2G、3G、4G等蜂窩網絡雖然覆蓋距離廣，但基于移動蜂窩通信技術的物聯網設備有功耗大、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。根據權威的分析報告，當前全球真正承載在移動蜂窩網絡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蜂窩網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網，請查看《從技術角度看移動通信技術發展與物聯網》

　　LPWAN（Low Power Wide Area Network），低功耗廣域網絡，專為低帶寬、低功耗、遠距離、大量連接的物聯網應用而設計。

　　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網絡技術之一，這一協議源于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

　　節點數：萬級，甚至百萬級

　　電池壽命：3~10年

　　數據速率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。較低的數據速率也延長了電池壽命和增加了網絡的容量。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模的物聯網部署。

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

　　LoRa應用

　　從目前的LoRa應用情況來看，主要有數據透傳和LoRaWAN協議應用。目前還是用LoRa作為數據透傳的多，由于網關技術和開發的門檻比較高，使用LoRaWAN協議組網的應用還是比較少。

　　從LoRa網絡應用方面看，有大網和小網之分。小網是指用戶自設節點、網關和服務器，自成一個系統網絡；大網就是大范圍基礎性的網絡部署，就像中國移動的通信網絡一樣。從LoRa行業從業者來看，有不少電信運營商也參與其中。隨著LoRa設備和網絡的增多，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，需要一個統一協調管理的機制，一個大網的管理。

　　LoRa應用需要考慮的幾個問題：

　　距離或范圍

　　供電或功耗

　　節點數

　　應用場景

　　成本

　　相對于其他無線技術（如Sigfox、NB-IOT等），LoRa產業鏈較為成熟、商業化應用較早。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產品并采用LoRa無線技術并實現物聯網應用。

　　另外，LoRa聯盟已于今年年初成立，是LPWAN領域第一個產業聯盟，旨在通過構建生態系統的方式推動LoRa的普及。

　　SigFox

　　SigFox也是商用化速度較快的一個LPWAN網絡技術，它采用超窄帶技術，使得網絡設備消耗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網絡的設備每條消息最大的長度大約為12字節，并且每天每個設備所能發送的消息不能超過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。

　　這一協議由SigFox公司擁有，其創始人是法國企業家Ludovic Le Moan，主要打造低攻耗、低成本的無線物聯網專用網絡。

　　Sigfox今年建網動作

　　2016年2月，SigFox開始在捷克建網，該項目稱為SimpleCell。經過一個半月的部署，其網絡覆蓋的城市和直轄市已經超過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的部署。

　　2016年4月，SigFox攜手Thinxtra在澳大利亞和新西蘭部署物聯網網絡，從而為成千上萬待聯網的傳感器提供全球性、效益高、節能的通信解決方案。通過本次合作SigFox也將部署全球網絡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、物聯網平臺提供商等產業鏈上的眾多企業都建立了合作關系，如：

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

　　與Atmel在遠程物聯網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（SoC）解決方案；

　　攜手TI共同打造高成本效益、遠程、低功耗物聯網連接，讓TI的CC1120 Sub-1GHz RF收發器在搭配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網技術，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演進的物聯網技術，在R12中叫Low-Cost MTC，在R13中被稱為LTE enhanced MTC （eMTC），旨在基于現有的LTE載波滿足物聯網設備需求。

　　知道LTE UE categories的朋友并不會陌生。為了適應物聯網應用場景，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網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GPRS應用于物聯網的劣勢凸顯。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）物聯網技術遷移到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網技術是基于GSM的，所以一些物聯網立項都是GERAN進行的。

　　隨著技術的發展，蜂窩物聯網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，蜂窩物聯網的工作內容轉移至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，相對來說在現有LTE網絡上改動較大，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、減小功耗和時延）的蜂窩物聯網技術，特別是NB-CIoT的通信模塊成本低于GSM模塊和NB-LTE模塊。

　　NB-LTE更傾向于與現有LTE兼容，其主要優勢在于容易部署。

　　最終，在2015年9月的RAN #69會議上經過激烈撕逼后協商統一，NB-IoT可認為是NB-CIoT和NB-LTE的融合。

　　這里引用一段3GPP RAN會議報告關于蜂窩物聯網技術的描述：

　　物聯網（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化，并非針對物聯網特性進行全新的設計。 相對于MTC技術優化的做法，蜂窩物聯網（Cellular Internet of Thing， CIoT）技術項目建議針對物聯網特性全新設計，不一定要相容于既有的LTE技術框架。

　　關于NB-CIoT和NB-LTE的區別：

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

　　NWave

　　NWave技術公司自己擁有該協議的所有權，該協議是Weightless-N協議的基礎。它以虛擬化Hub的方式實現多數據流傳輸，中央處理器對數據進行分類確保數據歸屬性。

　　實際上，今年7月份，Nwave 技術公司和企業加速器組織Accelerace與Next Step City攜手合作，在丹麥部署Weightless-N網路，范圍遍及首都哥本哈根，以及南丹麥能源產業重鎮埃斯比約，這一網絡即采用NWave協議搭建。此網絡是首次的公共網路建設行動，是極具開創性的里程碑，為丹麥物聯網和智慧城市建設提供網絡基礎。

　　OnRamp

　　OnRamp使用其自有的協議，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于SigFoax和LoRa。

　　Platanus

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

　　Platanus原始技術瞄準在100m左右中等范圍，為物聯網數位價格標簽提供室內覆蓋。這些數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整產品價格。Platanus技術的其他主動式應用還包括工廠中的生產批次的資訊顯示器，提供包括即時狀態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，監測貨品的環境狀況。

　　Telensa（原稱Senaptic）

　　Telensa公司是一家無線監控系統供應商，將其智能無線技術應用于醫療、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勢，而不是在底層協議層上。

　　Weightless

　　Weightless實際上包括三個協議，初始協議是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空白頻譜的可用性，因此該協議一直被擱置直到頻道可用的時候。

　　另一協議Weightless-N作為Weightless-W的補充，是一個非授權頻譜下窄帶網絡協議，源于NWave技術，今年五月發布，瞄準在高達7Km的距離內以低速率為物聯網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，期能滿足更多物聯網應用。

　　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。于是第三個協議Weightless-P應運而生，正瞄準了這些市場需求近期，這一協議是基于M2COMM 公司的Platanus技術。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，作業于免授權的sub-GHz ISM頻段。物聯網設備與基站的通訊將可實現時間同步，從而管理無線電資源與處理交換機制以實現裝置漫游，可用的通訊速率能夠根據鏈路品質與所取得的資源，在200bps-100kbps之間調整。

　　Weightless作為開放的協議，并允許開發者使用特定供應商或網絡服務供應商的資源，每家公司都能免費利用Weightless技術發展低成本的基站和終端設備，因此成為繼LoRa和SigFox之后具有商業化前景的技術。

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