什麼是低功耗廣域網? 低功耗廣域網路技術簡介

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什麼是低功耗廣域網

今天, 物聯網技術的顯著進步使個人和設備之間曾經不可能的連接成為現實. LPWAN已成為物聯網領域的熱門話題, 提供以前無法實現的解決方案. 對於短距離, 我們有類似的事情 無線上網, 藍牙, 紫蜂 和別的. 對於更長的距離, 有2G, 3G, 4G 蜂窩網路等.

但如果您根據功率需求和範圍來研究這些無線技術, 你會注意到低功耗方面存在差距, 遠端選項. 這就是 LPWAN 技術完美契合的利基市場. 它填補了電池壽命短的問題, 我們之前擁有的無線通訊選項陣容中缺少的遠距離空白.

什麼是低功耗廣域網

低功耗廣域網, 或低功耗廣域網 (有時也稱為 LPWA) 是一個相對較新的術語,不是標準或單一技術. 反而, 它更多的是一個通用術語,包括各種專有和開源協議. 在本質上, LPWAN 是指專為低功耗而設計的無線網路系列, 設備之間的遠端通信.

LPWAN技術的通訊距離範圍從城市地區的幾公里到 10 農村地區有更多公里數. 這本質上意味著溝通變得更有效率和更具成本效益 – IE. 我們能夠以更少的功耗最大化範圍. 預計在不久的將來, LPWAN將以更創新的方式擁抱更廣泛的應用.

LPWAN 技術的拓樸與架構

從拓樸結構來看, LPWAN 可分為兩大類: 星形和網格. 在這方面, 蜂窩技術在這方面通常是通用的並且支援移動性. 由於具有成本效益,星形或星對星拓撲是 LPWAN 優於網狀網路的首選.

LPWAN 的核心, LPWAN 簡單架構的其他元件包括無線連接, 互聯網, 和雲. 基地台/網關從眾多遠端分佈的終端節點收集資料並回應來自 LPWAN 的輸入. 基地台/網關是接收和解調該資料並透過乙太網路等標準 TCP/IP 回程鏈路發送資料的邊界設備, 蜂窩網路, 等等。, 到後端伺服器.

對於公共 LPWAN 服務, 然後,資料在發送到最終用戶應用程式之前透過網路營運商的伺服器轉發. 在私人管理的 LPWAN 中, 資料可以直接路由到最終用戶的預定義後端. 這確保了 LPWAN 設備資料的隱私和安全性.

低功耗廣域網路標準: 蜂窩 LPWA 和非蜂窩 LPWA

在深入研究 LPWAN 技術之前, 了解它們所屬的主要類別至關重要. LPWAN 可大致分為兩類: 在未經許可的頻段內運作的 (像 LoRa 和 SigFox), 和蜂窩技術在許可頻段內運作並遵守 3GPP 標準 (例如 LTE-M 和 NB-IoT). 以下, 我們將探索一些積極部署的 LPWAN 技術選項.

蜂巢式低功耗廣域網 (授權頻譜)

蜂窩 LPWAN 需要政府或監管機構的授權,並且通常利用現有網路營運商’ 基礎設施. 然而, 他們需要可靠的設備到基地台連接, 因此更適合城市中心等人口密集地區, 住宅區, 和工業區. 蜂窩 LPWAN 標準包括 EC-GSM-IoT, LTE貓. M1 (LTE-M) 和窄頻物聯網, 在 LTE 頻譜內運行 (700MHz-3.5GHz).

EC-GSM-物聯網

EC-GSM-IoT 或擴展覆蓋 GSM IoT 最初由 3GPP 在 Release 中引入 13. 它是一種基於 eGPRS 的蜂窩 LPWAN 技術, 旨在利用現有的行動網路和基礎設施 (主要是2G/GSM) 建立遠端物聯網通信. 它使用許可頻譜提供可靠且安全的通信. 與其他蜂窩技術相比, GSM 覆蓋範圍更廣. 它的改進版本, eGPRS/邊緣, 保持這一優勢,同時支援更高的數據速率.

窄帶物聯網 (窄帶物聯網)

窄帶物聯網 (窄帶物聯網) 是 3GPP 開發的連接物聯網設備的 LPWAN 無線電技術標準. 作為 3GPP CIoT 技術, 與 EC-GSM-IoT 和 LTE-M 相比,NB-IoT 進一步定義了物聯網通訊的無線介面. 在許可頻段內運行, 它利用約 180kHz 的窄頻寬. NB-IoT 透過 3GPP 與諾基亞等領先電信設備供應商之間的合作實現標準化, 華為, 和愛立信.

標準化 3總計劃
覆蓋範圍 城市的 (1公里), 鄉村的 (10公里)
頻寬 200 千赫
頻率 經許可的 LTE 頻段

LTE-M

LTE-M (LTE 機器對機器), 也稱為 eMTC (增強的機器類型通信), 是另一種源自 LTE 的 3GPP LPWAN 物聯網技術. 它支援更高的數據速率和移動性 (取決於 350 公里/小時) 與 NB-IoT 相比. LTE-M 在許可頻譜中運行, 與2G共存, 3G, 4G, 和 5G 蜂窩網絡.

LTE-M 在 3GPP 版本中最初被稱為低成本 MTC 12 後來在Release中更名為eMTC 13. 3GPP 版本的增強功能擴展了 LTE-M 的功能. 發布 14 和 15 透過移動性支援增強的覆蓋水平. 發布 14 添加了 VoLTE (LTE 語音) 能力. 發布 15 在此基礎上建構了更高移動性物聯網設備的新用例. 發布 16 透過與 5G New Radio 共存的改進繼續演進 (NR).

標準化 3總計劃
範圍 1-10 公里
頻寬 1.4 兆赫
頻率 經許可的 LTE 頻段

非蜂窩低功耗廣域網 (未經許可的頻譜)

非蜂窩 LPWAN 在未經許可的 ISM 頻段內運行,不依賴網路營運商基礎設施. 設備直接或透過網關將資料傳輸到應用程式/網路伺服器. 除了洛拉, 其他非蜂窩 LPWAN 包括 Sigfox, 失重, RPMA, 交響樂連結, 和維茲, 達什7, 等等. 利用 Sub-GHz 頻段,通訊速度範圍為 ~100bps 至 250kbps,距離範圍為 2km 至 100km. 非蜂窩 LPWAN 通常部署在蜂窩覆蓋範圍有限的偏遠地區, 山區, 島嶼, 以及專用企業網路實施.

LoRa/LoRaWAN

洛拉 是協定棧的PHY規範, 特別是指 Semtech 開發的專有 Chirp 擴頻調製. 這 羅拉萬 標準定義了在 LoRa PHY 層之上運行的 MAC 層協定和系統架構, 由 LoRa 聯盟維護, 正在快速成長,近 500 全球會員公司.

LoRa 主要用於從多個終端設備到網關的上行鏈路通信, 使用跨不同通道和資料速率的編碼訊息來減少衝突並增加網關容量. 它非常適合城市和農村/偏遠地區需要小數據有效負載和不頻繁通訊的應用. 單一 LoRaWAN 網關可以處理來自多個節點和終端設備的連接.

標準化 LoRa聯盟
範圍 城市的 (5公里), 鄉村的 (15公里)
頻寬 125 千赫茲和 250 千赫
頻率 169 兆赫, 433 兆赫 (亞洲), 868 兆赫 (歐洲) 和 915 兆赫 (北美)

西格福克斯

Sigfox 是已廣泛採用的非 3GPP LPWAN 技術之一. 這是一種專有的 LPWAN 技術,以首先推出該技術的 Sigfox 公司命名. 它利用超窄頻無線電實現超遠距離, 低功耗無線物聯網連接.

然而, Sigfox 的窄頻寬嚴重限制了向設備傳輸資料的下行鏈路能力. 且超窄帶可能會導致潛在的干擾問題. 儘管有這些限制, Sigfox 仍然是重要的 LPWAN 參與者,並在歐洲獲得了成功的關注.

標準化 與 ETSI 合作標準化
範圍 城市的 (10公里), 鄉村的 (40公里)
頻寬 100 赫茲
頻率 862 至 928 兆赫

失重

失重特別興趣小組 ( 失重訊號產生器) 成立於 2008, 旨在標準化 LPWAN 技術. 發起人團體成員包括埃森哲, M2通訊, 手臂, 他的電話, 和索尼歐洲.

Weightless 包含三種不同應用情境量身打造的變體: 失重-W, 失重-N, 和失重-P. Weightless-W 在電視空白區運行 (電視廣播系統) 頻段和部署更加複雜. Weightless-N 類似 Sigfox, 是在 sub-GHz 免許可頻段運作的窄頻協議, 由 NWave 使用. 全面的, 與 Weightless-W 相比,Weightless-N 和 Weightless-P 受到了更多關注和部署.

交響樂連結

Symphony Link 是 Link Labs 開發的 LPWAN 協議, LoRa聯盟成員公司. Link Labs 使用 Semtech 的 LoRa 物理層晶片組, 他們實現了自己的自訂 MAC 層軟體堆棧,稱為 Symphony Link, 而非使用開放的 LoRaWAN 規範.

與LoRaWAN標準相比, Symphony Link 的主要區別在於一些增強的網路功能,例如可靠的訊息傳遞和透過添加網關進行動態網路擴展.

LPWAN技術的應用

LPWAN 在範圍和功耗方面是贏家. 利用 LPWAN 可以從感測器遠端收集數據並進行長距離追蹤. 在這個部分, 我們將探討它的一些實際用例.

智慧燃氣和水錶

自動抄表系統利用 LPWAN 遠端無線收集包括電力在內的公用事業消耗數據, 氣體, 和水. 操作員手動檢查和記錄資料的日子已經一去不復返了. 用戶還可以了解他們每天使用的消費數據量.

智能建築

建築物內部, LPWAN 廣泛用於住宅區, 商業的, 和工業設施,使它們變得更加智能. 家庭設定, 智慧家庭設備,例如智慧鎖, 暖通空調系統, 照明可以透過 LPWAN 進行整合和集中管理. 在辦公和商業建築中, LPWAN 可以集中監控空間佔用和門感測器等安全系統.

智慧廢棄物管理

智慧廢棄物管理越來越廣泛地應用於智慧城市計劃. 安裝在垃圾桶內的感測器可以監測填充水平, 透過 LPWAN 將資料傳輸到中央系統. 當達到預定的填充水準時, 產生警報以便及時收集和處置. 而且, 透過配備LPWAN追蹤器,可以獲得垃圾車的位置資訊.

智能停車

在智慧停車系統中, LPWAN技術使停車位佔用情況的即時監控和管理成為可能. 安裝在停車位的感知器可以準確偵測佔用狀態. 用戶可以透過行動應用程式查看可用停車位並遠端支付停車費.

智慧農業

LPWAN 正在擴展到智慧農業系統. 農民可以安裝各種感測器 (固體水分, 溫度, 濕度, 光, 等等。) 在田野裡. 然後,他們可以利用 LoRaWAN 或其他 LPWAN(例如 NB-IoT)從這些感測器遠端收集數據.

授權與非授權 LPWAN 的流行比較

鑑於可用的 LPWAN 技術眾多, 明智的選擇至關重要. 根據物聯網分析’ 市場研究估計, 經過 2024, 超過 97% 的 LPWAN 系統將使用 LTE-M 進行部署, 窄帶物聯網, 西格福克斯, 或 LoRa 技術. 所以, 我們將比較頂部 4 低功耗廣域網路技術: 窄帶物聯網, LTE-M, 西格福克斯, 和羅拉.

NB-IoT、LTE-M、LoRaWAN、Sigfox 比較表

LTE-M 窄帶物聯網 羅拉萬 西格福克斯
規範權威 3總計劃 3總計劃 LoRa聯盟 所有權
MKL62是基於smetech射頻芯片SX1262的射頻模塊 經許可的 LTE 頻段 經許可的 LTE 頻段 未經許可的 ISM 頻段 未經許可的 ISM 頻段
最大範圍 大約. 10 公里 大約. 10 公里 大約. 15 公里 大約. 40 公里
能量消耗 低的 低的 低的 超低
吞吐量 200kbps 1mbps 50kbps 600基點
設備電池壽命 10+ 年 10+ 年 15+ 年 15+ 年
雙向通訊 是的 是的 是的 是的
安全 3總計劃(128-256 少量) 3總計劃(128-256 少量) AES 128 少量 AES 128 少量
本土化 是的 是的 是的 (TDOA) 是的 (RSSI)
成本 緩和 緩和 低的 低的

做出正確的 LPWAN 選擇

NB-IoT 是一種 3GPP LPWAN 技術,利用現有 LTE/GSM 網路為物聯網設備提供低頻寬連接. 它提高了設備功耗, 系統容量, 頻譜效率和深度覆蓋性能, 適合工業, 樓宇自動化, 智慧城市, 健康監測和災難響應物聯網用例.

LTE-M 的目標與 NB-IoT 類似,但具有更高的頻寬,可實現更高的資料速率和更嚴格的安全性, 儘管在較高的功耗水平下. 它適合需要更高吞吐量的應用,例如功率限制不太嚴格的視訊監控.

Sigfox 和 LoRaWAN 是未授權頻譜中運作的非 3GPP 技術. 它們的窄頻寬可實現超低功耗操作,適用於需要多年電池壽命的端點的不頻繁的小有效負載傳輸, 但數據速率限制較低. Sigfox 優先考慮低功耗和簡單部署,但缺乏用於韌體更新的下行鏈路. LoRaWAN支援低成本的雙向設備管理. 兩者均可服務智慧農業, 資產追蹤和相關的低吞吐量物聯網監控場景.

LPWAN是未來

作為一項快速發展的新技術, LPWAN格局正處於發展階段,尚未成熟. 擁有眾多的市場參與者, 獲獎者尚未明確確定, 特別是考慮到市場擴張速度的不確定性. 每個 LPWAN 變體的長期性能仍然不確定, 因為許多仍處於初始部署階段,缺乏全面的, 大規模現實世界測試.

實際上, ABI Research 的研究顯示物聯網設備的採用預計將激增, 估計 5.3 十億 物聯網設備預計將利用 LPWAN 技術 2030. LPWAN 預計將成為市場上成長最快的連接領域. 推動這一成長的是對遠端監控等用例的需求, 需要不頻繁的資料傳輸和電池供電操作, LPWAN 技術特別適合解決的特徵.

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作者——
何尼克
何尼克
缺口, 我們 R 中經驗豐富的專案經理&您還可以使用此產品對貨運集裝箱和存儲庫存進行位置跟踪, 為MOKOSMART帶來豐富的經驗, 曾擔任比亞迪專案工程師. 他在 R 方面的專業知識&D 為他的物聯網專案管理帶來了全面的技能. 具有紮實的背景跨越 6 多年專案管理經驗並獲得 PMP 和 CSPM-2 等認證, 尼克擅長協調銷售工作, 工程, 測試, 和行銷團隊. 曾參與的物聯網設備專案包括Beacons, LoRa設備, 網關, 和智慧插頭.
何尼克
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