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如今，物联网技术的飞速发展已使曾经遥不可及的个人与设备连接成为现实。低功耗广域网（LPWAN）已成为物联网领域的热门话题，提供了以往无法实现的解决方案。过去，短距离通信主要依靠WiFi、蓝牙、Zigbee等技术；而远距离通信则依赖于2G、3G、4G等蜂窝网络。
但是，如果你根据这些无线技术的功率需求和覆盖范围来考察它们，就会发现低功耗、长距离的选择仍然存在差距。LPWAN 技术恰好填补了这一细分市场。它填补了我们之前无线通信方案中电池寿命短、覆盖范围广的空白。
什么是低功耗广域网
LPWAN，即低功耗广域网（有时也称为LPWA），是一个相对较新的术语，它并非一项标准或单一技术。相反，它更像是一个涵盖各种专有和开源协议的通用术语。本质上，LPWAN是指一系列专为设备间低功耗、长距离通信而设计的无线网络。
LPWAN技术的通信距离从城区几公里到乡村十几公里不等。这实际上意味着通信将更加高效、更具成本效益——也就是说，我们能够以更低的功耗实现覆盖范围的最大化。可以预见，在不久的将来，LPWAN将以更具创新性的方式获得更广泛的应用。
LPWAN技术的拓扑和架构
从拓扑结构来看，LPWAN 可分为两大类：星型和网状。在这方面，蜂窝技术通常具有普遍性，并支持移动性。由于成本效益，星型或星对星型拓扑结构是 LPWAN 的首选，而非网状网络。
LPWAN 的核心在于其简单架构的其他组成部分，包括无线连接、互联网和云。基站/网关从众多远程分布式终端节点收集数据，并响应来自 LPWAN 的输入。基站/网关是边界设备，负责接收和解调这些数据，并通过标准 TCP/IP 回程链路（例如以太网、蜂窝网络等）将其发送到后端服务器。
对于公共 LPWAN 服务，数据会先通过网络运营商的服务器转发，然后再发送到最终用户的应用程序。在私有管理的 LPWAN 中，数据可以直接路由到最终用户的预定义后端。这确保了 LPWAN 设备数据的私密性和安全性。
LPWAN 标准：蜂窝 LPWA 和非蜂窝 LPWA
在深入研究 LPWAN 技术之前，了解它们的主要类别至关重要。LPWAN 大致可分为两类：在非授权频段运行的技术（例如 LoRa 和 SigFox）；以及在授权频段运行并遵循 3GPP 标准的蜂窝技术（例如 LTE-M 和 NB-IoT）。下文将探讨一些目前已积极部署的 LPWAN 技术选项。
蜂窝 LPWAN（授权频谱）
蜂窝低功耗广域网 (LPWAN) 需要获得政府或监管机构的授权，并且通常利用现有网络运营商的基础设施。然而，它们需要可靠的设备到基站连接，因此更适合人口密集的区域，例如市中心、住宅区和工业园区。蜂窝低功耗广域网标准包括 EC-GSM-IoT、LTE Cat. M1 (LTE-M) 和 NB-IoT，工作在 LTE 频谱 (700MHz-3.5GHz) 内。
EC-GSM-物联网
EC-GSM-IoT，即扩展覆盖 GSM 物联网，最初由 3GPP 在第 13 版中引入。它是一种基于 eGPRS 的蜂窝 LPWAN 技术，旨在利用现有的移动网络和基础设施（主要是 2G/GSM）建立远程物联网通信。它使用授权频谱来提供可靠且安全的通信。与其他蜂窝技术相比，GSM 的覆盖范围更广。其改进版本 eGPRS/EDGE 保留了这一优势，同时支持更高的数据速率。
窄带物联网 (NB-IoT)
窄带物联网 ( NB-IoT ) 是由 3GPP 开发的一种低功耗广域网 (LPWAN) 无线电技术标准，用于连接物联网设备。作为 3GPP 的 CIoT 技术，NB-IoT 相较于 EC-GSM-IoT 和 LTE-M，进一步定义了物联网通信的无线接口。它运行在授权频谱频段内，使用约 180kHz 的窄带宽。NB-IoT 的标准化是 3GPP 与诺基亚、华为和爱立信等领先的电信设备供应商合作完成的。
| 标准化 | 3GPP |
| 保障范围 | 城市（1公里），乡村（10公里） |
| 带宽 | 200千赫 |
| 频率 | 授权 LTE 频段 |
LTE-M
LTE-M（LTE 机器对机器）也称为 eMTC（增强型机器类型通信），是另一种源自 LTE 的 3GPP LPWAN 物联网技术。与 NB-IoT 相比，它支持更高的数据速率和移动性（最高可达 350 公里/小时）。LTE-M 在授权频谱上运行，可与 2G、3G、4G 和 5G 蜂窝网络共存。
LTE-M 最初在 3GPP Release 12 中被称为低成本 MTC，后来在 Release 13 中更名为 eMTC。3GPP 各个版本的增强功能扩展了 LTE-M 的功能。Release 14 和 15 版本支持增强的移动覆盖范围。Release 14 版本增加了 VoLTE（LTE 语音）功能。Release 15 版本在此基础上构建，并新增了针对更高移动性物联网设备的用例。Release 16 版本延续了 LTE-M 的演进，并改进了与 5G 新空口 (NR) 的共存功能。
| 标准化 | 3GPP |
| 范围 | 1-10公里 |
| 带宽 | 1.4 MHz |
| 频率 | 授权 LTE 频段 |
非蜂窝 LPWAN（未授权频谱）
非蜂窝 LPWAN 在未经授权的 ISM 频段内运行，不依赖于网络运营商基础设施。设备直接或通过网关将数据传输到应用程序/网络服务器。除了 LoRa 之外，其他非蜂窝 LPWAN 包括 Sigfox、Weightless、RPMA、Symphony Link、Wize、DASH7 等，它们使用 Sub-GHz 频段，通信速度范围为 ~100bps 至 250kbps，传输距离为 2 公里至 100 公里。非蜂窝 LPWAN 通常部署在蜂窝覆盖有限的偏远地区、山区、岛屿以及专用企业网络。
LoRa/LoRaWAN
LoRa是协议栈的物理层（PHY）规范，具体指的是Semtech公司开发的专有啁啾扩频调制技术。LoRaWAN标准定义了运行在LoRa物理层之上的媒体访问控制层（MAC）协议和系统架构，由LoRa联盟维护，该联盟发展迅速，目前在全球拥有近500家成员公司。
LoRa主要用于从多个终端设备到网关的上行链路通信，使用跨不同信道和数据速率的编码消息来减少冲突并提高网关容量。它非常适合在城市和农村/偏远地区需要小数据有效载荷和低频通信的应用。单个LoRaWAN网关可以处理来自众多节点和终端设备的连接。
| 标准化 | LoRa联盟 |
| 范围 | 城市（5公里），乡村（15公里） |
| 带宽 | 125KHz 和 250KHz |
| 频率 | 169 MHz、433 MHz（亚洲）、868 MHz（欧洲）和 915 MHz（北美） |
Sigfox
Sigfox 是广泛采用的非 3GPP LPWAN 技术之一。它是一项专有的 LPWAN 技术，以首次推出该技术的 Sigfox 公司命名。它利用超窄带无线电实现超长距离、低功耗的无线物联网连接。
然而，Sigfox 的窄带宽严重限制了其向设备传输数据的下行链路能力。此外，超窄带还可能导致潜在的干扰问题。尽管存在这些限制，Sigfox 仍然是 LPWAN 领域的佼佼者，并在欧洲取得了成功。
| 标准化 | 与 ETSI 合作实现标准化 |
| 范围 | 城市（10公里），乡村（40公里） |
| 带宽 | 100Hz |
| 频率 | 862到928兆赫 |
失重
Weightless 特别兴趣小组（Weightless SIG）成立于 2008 年，旨在标准化 LPWAN 技术。其发起组成员包括埃森哲、M2COMM、ARM、Telensa 和索尼欧洲。
Weightless 包含三个针对不同应用场景的版本：Weightless-W、Weightless-N 和 Weightless-P。Weightless-W 在电视白频谱 (TVWS) 频段运行，部署更为复杂。Weightless-N 与 Sigfox 类似，是一种在 Sub-GHz 免授权频段运行的窄带协议，NWave 也使用该频段。总体而言，与 Weightless-W 相比，Weightless-N 和 Weightless-P 获得了更多的关注和部署。
交响乐链接
Symphony Link 是由 LoRa 联盟成员公司 Link Labs 开发的 LPWAN 协议。Link Labs 虽然使用了 Semtech 的 LoRa 物理层芯片组，但他们实现了名为 Symphony Link 的定制 MAC 层软件堆栈，而不是使用开放的 LoRaWAN 规范。
与 LoRaWAN 标准相比，Symphony Link 的主要区别在于一些增强的网络功能，例如可靠的消息传递和通过添加网关实现的动态网络扩展。
LPWAN技术的应用
LPWAN 在覆盖范围和功耗方面均胜出。利用 LPWAN 可以从远程传感器收集数据并进行远距离跟踪。在本节中，我们将探讨它的一些实际用例。
智能燃气和水计量
自动抄表系统利用低功耗广域网 (LPWAN) 远程无线收集公用事业消耗数据，包括电力、天然气和水。操作员手动检查和记录数据的日子已经一去不复返了。用户还可以了解他们每天使用的消耗数据量。
智能建筑
在建筑内部，LPWAN 广泛应用于住宅、商业和工业设施，使其更加智能。在家庭环境中，智能家居设备（例如智能锁、暖通空调系统和照明）可以通过 LPWAN 集成并集中管理。在办公楼和商业楼宇中，LPWAN 可以集中监控空间占用情况以及门禁传感器等安防系统。
智能废物管理
智能垃圾管理在智慧城市项目中的应用越来越广泛。垃圾桶内安装的传感器可以监测垃圾量，并通过低功耗广域网 (LPWAN) 传输数据至中央系统。当达到预设的垃圾量时，系统会发出警报，以便及时收集和处置。此外，还可以通过为垃圾车配备 LPWAN 追踪器来获取其位置信息。
智能停车
在智能停车系统中，LPWAN技术可以实时监控和管理停车位占用情况。安装在停车位上的传感器可以准确检测停车位占用情况。用户可以通过手机应用程序查看可用停车位，并远程支付停车费。
智慧农业
低功耗广域网 (LPWAN) 正在扩展到智能农业系统。农民可以在田地中安装各种传感器（土壤水分、温度、湿度、光照等）。然后，他们可以利用 LoRaWAN 或 NB-IoT 等其他低功耗广域网从这些传感器远程收集数据。
授权与非授权 LPWAN 的常见比较
鉴于市面上LPWAN技术众多，做出明智的选择至关重要。据IoT Analytics的市场调研预测，到2024年，超过97%的LPWAN系统将采用LTE-M、NB-IoT、Sigfox或LoRa技术。因此，我们将对四种主流LPWAN技术进行比较：NB-IoT、LTE-M、Sigfox和LoRa。
NB-IoT、LTE-M、LoRaWAN 和 Sigfox 的比较表
| LTE-M | NB-物联网 | LoRaWAN | Sigfox | |
| 规范权威 | 3GPP | 3GPP | LoRa联盟 | 所有权 |
| 频带 | 授权 LTE 频段 | 授权 LTE 频段 | 未授权 ISM 频段 | 未授权 ISM 频段 |
| 最大范围 | 大约10 公里 | 大约10 公里 | 约15公里 | 大约40 公里 |
| 能量消耗 | 低 | 低 | 低 | 超低 |
| 生产能力 | 200kbps | 1mbps | 50kbps | 600bps |
| 设备电池寿命 | 超过10年 | 超过10年 | 超过15年 | 超过15年 |
| 双向通信 | 是 | 是 | 是 | 是 |
| 安保防护 | 3GPP(128-256位) | 3GPP(128-256位) | AES 128位 | AES 128位 |
| 本地化 | 是 | 是 | 是 (TDOA) | 是 (RSSI) |
| Cost | 中 | 中 | 低 | 低 |
做出正确的 LPWAN 选择
NB-IoT 是一项 3GPP LPWAN 技术，利用现有的 LTE/GSM 网络为物联网设备提供低带宽连接。它可增强设备功耗、系统容量、频谱效率和深度覆盖性能，适用于工业、楼宇自动化、智慧城市、健康监测和灾害响应等物联网用例。
LTE-M 的目标应用与 NB-IoT 类似，但带宽更高，从而实现更高的数据速率和更严格的安全性，但功耗也更高。它适合对吞吐量要求更高的应用，例如功率限制不太严格的视频监控。
Sigfox 和 LoRaWAN 是非 3GPP 技术，运行于非授权频谱。它们的窄带宽使其能够以超低功耗运行，适用于需要多年电池寿命但数据速率受限的终端进行不频繁的小有效载荷传输。Sigfox 优先考虑低功耗和简易部署，但缺乏用于固件更新的下行链路。LoRaWAN 支持低成本的双向设备管理。两者均可服务于智能农业、资产追踪以及相关的低吞吐量物联网监控场景。
LPWAN代表未来
作为一项快速发展的新技术，LPWAN 领域尚处于发展阶段，尚未成熟。由于市场参与者众多，尤其是在市场扩张速度不确定的情况下，最终的赢家尚未明确。每种 LPWAN 变体的长期性能也尚不确定，因为许多变体仍处于初始部署阶段，缺乏全面、大规模的实际测试。
事实上，ABI Research 的研究表明，物联网设备的普及率预计将大幅增长，到 2030 年，预计将有5.3 亿台物联网设备采用低功耗广域网 (LPWAN) 技术。令人欣喜的是，LPWAN 是目前市场中增长最快的连接领域。推动这一增长的是对远程监控等应用场景的需求，这些应用场景需要不频繁的数据传输和电池供电，而 LPWAN 技术恰好能够很好地满足这些需求。
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