今天, 物联网技术的显着进步使个人和设备之间曾经不可能的连接成为现实. LPWAN已成为物联网领域的热门话题, 提供以前无法实现的解决方案. 对于短距离, 我们有类似的事情 无线上网, 蓝牙, Zigbee 和别的. 对于更长的距离, 有2G, 3G, 4G 蜂窝网络等.
但如果您根据功率需求和范围来研究这些无线技术, 你会注意到低功耗方面存在差距, 远程选项. 这就是 LPWAN 技术完美契合的利基市场. 它填补了电池寿命短的问题, 我们之前拥有的无线通信选项阵容中缺少的远距离空白.
什么是低功耗广域网
广域网, 或低功耗广域网 (有时也称为 LPWA) 是一个相对较新的术语，不是标准或单一技术. 代替, 它更多的是一个通用术语，包括各种专有和开源协议. 在本质上, LPWAN 是指专为低功耗设计的无线网络系列, 设备之间的远程通信.
LPWAN技术的通信距离范围从城市地区的几公里到 10 农村地区有更多公里数. 这本质上意味着沟通变得更加高效和更具成本效益 – 即. 我们能够以更少的功耗最大化范围. 预计在不久的将来, LPWAN将以更加创新的方式拥抱更广泛的应用.
LPWAN 技术的拓扑和架构
从拓扑结构来看, LPWAN 可分为两大类: 星形和网格. 在这方面, 蜂窝技术在这方面通常是通用的并且支持移动性. 由于具有成本效益，星形或星对星拓扑是 LPWAN 优于网状网络的首选.
LPWAN 的核心, LPWAN 简单架构的其他组件包括无线连接, 互联网, 和云. 基站/网关从众多远程分布的终端节点收集数据并响应来自 LPWAN 的输入. 基站/网关是接收和解调该数据并通过以太网等标准 TCP/IP 回程链路发送数据的边界设备, 蜂窝网络, 等等, 到后端服务器.
对于公共 LPWAN 服务, 然后，数据在发送到最终用户应用程序之前通过网络运营商的服务器转发. 在私人管理的 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.
低功耗广域网标准: 蜂窝 LPWA 和非蜂窝 LPWA
在深入研究 LPWAN 技术之前, 了解它们所属的主要类别至关重要. LPWAN 可大致分为两类: 在未经许可的频段内运行的 (像 LoRa 和 SigFox), 和蜂窝技术在许可频段内运行并遵守 3GPP 标准 (例如 LTE-M 和 NB-IoT). 以下, 我们将探索一些积极部署的 LPWAN 技术选项.
蜂窝低功耗广域网 (许可频谱)
蜂窝 LPWAN 需要政府或监管机构的授权，并且通常利用现有网络运营商’ 基础设施. 然而, 他们需要可靠的设备到基站连接, 因此更适合城市中心等人口密集地区, 住宅区, 和工业园区. 蜂窝 LPWAN 标准包括 EC-GSM-IoT, LTE猫. M1 (LTE-M) 和窄带物联网, 在 LTE 频谱内运行 (700MHz-3.5GHz).
EC-GSM-物联网
EC-GSM-IoT 或扩展覆盖 GSM IoT 最初由 3GPP 在 Release 中引入 13. 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. 它使用许可频谱提供可靠、安全的通信. 与其他蜂窝技术相比, GSM 覆盖范围更广. 它的改进版本, eGPRS/边缘, 保持这一优势，同时支持更高的数据速率.
窄带物联网 (NB-IoT)
NB-IoT (窄带物联网) 是 3GPP 开发的用于连接物联网设备的 LPWAN 无线电技术标准. 作为 3GPP CIoT 技术, 与 EC-GSM-IoT 和 LTE-M 相比，NB-IoT 进一步定义了物联网通信的无线接口. 在许可频段内运行, 它利用约 180kHz 的窄带宽. NB-IoT 通过 3GPP 与诺基亚等领先电信设备供应商之间的合作实现标准化, 华为, 和爱立信.
| 标准化 | 3总计划 |
| 覆盖范围 | 城市的 (1公里), 乡村的 (10公里) |
| 带宽 | 200 千赫 |
| 频率 | 许可的 LTE 频段 |
LTE-M
LTE-M (LTE 机器对机器), 也称为 eMTC (增强的机器类型通信), 是另一种源自 LTE 的 3GPP LPWAN 物联网技术. 它支持更高的数据速率和移动性 (取决于 350 公里/小时) 与 NB-IoT 相比. LTE-M 在许可频谱中运行, 与2G共存, 3G, 4G, 和 5G 蜂窝网络.
LTE-M 在 3GPP 版本中最初被称为低成本 MTC 12 后来在Release中更名为eMTC 13. 3GPP 版本的增强功能扩展了 LTE-M 的功能. 发布 14 和 15 通过移动性支持增强的覆盖水平. 发布 14 添加了 VoLTE (LTE 语音) 能力. 发布 15 在此基础上构建了更高移动性物联网设备的新用例. 发布 16 通过与 5G New Radio 共存的改进继续演进 (NR).
| 标准化 | 3总计划 |
| 范围 | 1-10 公里 |
| 带宽 | 1.4 兆赫 |
| 频率 | 许可的 LTE 频段 |
非蜂窝低功耗广域网 (未经许可的频谱)
非蜂窝 LPWAN 在未经许可的 ISM 频段内运行，不依赖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. 除了洛拉, 其他非蜂窝 LPWAN 包括 Sigfox, 失重, RPMA, 交响乐链接, 和维兹, 达什7, 等等. 利用 Sub-GHz 频段，通信速度范围为 ~100bps 至 250kbps，距离范围为 2km 至 100km. 非蜂窝 LPWAN 通常部署在蜂窝覆盖范围有限的偏远地区, 山区, 岛屿, 以及专用企业网络实施.
LoRa/LoRaWAN
劳拉 是协议栈的PHY规范, 特别是指 Semtech 开发的专有 Chirp 扩频调制. 的 广域网 标准定义了在 LoRa PHY 层之上运行的 MAC 层协议和系统架构, 由LoRa联盟维护, 正在快速增长，近 500 全球会员公司.
LoRa 主要用于从多个终端设备到网关的上行链路通信, 使用跨不同通道和数据速率的编码消息来减少冲突并增加网关容量. 它非常适合城市和农村/偏远地区需要小数据有效负载和不频繁通信的应用. 单个 LoRaWAN 网关可以处理来自多个节点和终端设备的连接.
| 标准化 | LoRa联盟 |
| 范围 | 城市的 (5公里), 乡村的 (15公里) |
| 带宽 | 125 千赫兹和 250 千赫 |
| 频率 | 169 兆赫, 433 兆赫 (亚洲), 868 兆赫 (欧洲) 和 915 兆赫 (北美) |
西格福克斯
Sigfox 是已广泛采用的非 3GPP LPWAN 技术之一. 这是一种专有的 LPWAN 技术，以首先推出该技术的 Sigfox 公司命名. 它利用超窄带无线电实现超远距离, 低功耗无线物联网连接.
然而, Sigfox 的窄带宽严重限制了向设备传输数据的下行链路能力. 并且超窄带可能会导致潜在的干扰问题. 尽管有这些限制, Sigfox 仍然是重要的 LPWAN 参与者，并在欧洲获得了成功的关注.
| 标准化 | 与 ETSI 合作标准化 |
| 范围 | 城市的 (10公里), 乡村的 (40公里) |
| 带宽 | 100 赫兹 |
| 频率 | 862 至 928 兆赫 |
失重
失重特别兴趣小组 ( 失重信号发生器) 成立于 2008, 旨在标准化 LPWAN 技术. 发起人团体成员包括埃森哲, M2通讯, 臂, 他的电话, 和索尼欧洲.
Weightless 包含针对不同应用场景量身定制的三种变体: 失重-W, 失重-N, 和失重-P. Weightless-W 在电视空白区运行 (电视广播系统) 频段和部署更加复杂. Weightless-N 类似于 Sigfox, 是在 sub-GHz 免许可频段运行的窄带协议, 由 NWave 使用. 总体, 与 Weightless-W 相比，Weightless-N 和 Weightless-P 受到了更多关注和部署.
交响乐链接
Symphony Link 是 Link Labs 开发的 LPWAN 协议, LoRa联盟成员公司. Link Labs 使用 Semtech 的 LoRa 物理层芯片组, 他们实现了自己的自定义 MAC 层软件堆栈，称为 Symphony Link, 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进行动态网络扩展.
LPWAN技术的应用
LPWAN 在范围和功耗方面是赢家. 利用 LPWAN 可以从传感器远程收集数据并进行长距离跟踪. 在这个部分, 我们将探讨它的一些实际用例.
智能燃气和水表
自动抄表系统利用 LPWAN 远程无线收集包括电力在内的公用事业消耗数据, 气体, 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费数据量.
智能建筑
建筑物内部, LPWAN 广泛用于住宅区, 商业的, 和工业设施，使它们变得更加智能. 家庭设置, 智能家居设备，例如智能锁, 暖通空调系统, 照明可以通过 LPWAN 进行集成和集中管理. 在办公和商业建筑中, LPWAN 可以集中监控空间占用和门传感器等安全系统.
智能废物管理
智能废物管理越来越广泛地应用于智慧城市计划. 安装在垃圾桶内的传感器可以监测填充水平, 通过 LPWAN 将数据传输到中央系统. 当达到预定的填充水平时, 生成警报以便及时收集和处置. 此外, 通过配备LPWAN跟踪器，可以获取垃圾车的位置信息.
智能停车
在智能停车系统中, LPWAN技术使停车位占用情况的实时监控和管理成为可能. 安装在停车位的传感器可以准确检测占用状态. 用户可以通过移动应用程序查看可用停车位并远程支付停车费.
智慧农业
LPWAN 正在扩展到智能农业系统. 农民可以安装各种传感器 (固体水分, 温度, 湿度, 光, 等等) 在田野里. 然后，他们可以利用 LoRaWAN 或其他 LPWAN（例如 NB-IoT）从这些传感器远程收集数据.
授权与非授权 LPWAN 的流行比较
鉴于可用的 LPWAN 技术众多, 明智的选择至关重要. 根据物联网分析’ 市场研究估计, 通过 2024, 超过 97% 的 LPWAN 系统将使用 LTE-M 进行部署, NB-IoT, 西格福克斯, 或 LoRa 技术. 因此, 我们将比较顶部 4 低功耗广域网技术: NB-IoT, LTE-M, 西格福克斯, 和洛拉.
NB-IoT、LTE-M、LoRaWAN、Sigfox 对比表
| LTE-M | NB-IoT | 广域网 | 西格福克斯 | |
| 规范权威 | 3总计划 | 3总计划 | LoRa联盟 | 所有权 |
| 频带 | 许可的 LTE 频段 | 许可的 LTE 频段 | 未经许可的 ISM 频段 | 未经许可的 ISM 频段 |
| 最大范围 | 大约. 10 公里 | 大约. 10 公里 | 大约. 15 公里 | 大约. 40 公里 |
| 能量消耗 | 低 | 低 | 低 | 超低 |
| 吞吐量 | 200千比特每秒 | 1mbps | 50千比特每秒 | 600bps |
| 设备电池寿命 | 10+ 年份 | 10+ 年份 | 15+ 年份 | 15+ 年份 |
| 双向通讯 | 是 | 是 | 是 | 是 |
| 安全 | 3总计划(128-256 一点) | 3总计划(128-256 一点) | AES 128 一点 | AES 128 一点 |
| 本土化 | 是 | 是 | 是 (TDOA) | 是 (RSSI) |
| 成本 | 缓和 | 缓和 | 低 | 低 |
做出正确的 LPWAN 选择
NB-IoT 是一种 3GPP LPWAN 技术，利用现有 LTE/GSM 网络为物联网设备提供低带宽连接. 它提高了设备功耗, 系统容量, 频谱效率和深度覆盖性能, 适合工业, 楼宇自动化, 智慧城市, 健康监测和灾难响应物联网用例.
LTE-M 的目标与 NB-IoT 类似，但具有更高的带宽，可实现更高的数据速率和更严格的安全性, 尽管在较高的功耗水平下. 它适合需要更高吞吐量的应用，例如功率限制不太严格的视频监控.
Sigfox 和 LoRaWAN 是在未授权频谱中运行的非 3GPP 技术. 它们的窄带宽可实现超低功耗操作，适用于需要多年电池寿命的端点的不频繁的小有效负载传输, 但数据速率限制较低. Sigfox 优先考虑低功耗和简单部署，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. 两者均可服务智慧农业, 资产跟踪和相关的低吞吐量物联网监控场景.
LPWAN是未来
作为一项快速发展的新技术, LPWAN格局正处于发展阶段，尚未成熟. 拥有众多的市场参与者, 获奖者尚未明确确定, 特别是考虑到市场扩张速度的不确定性. 每个 LPWAN 变体的长期性能仍然不确定, 因为许多仍处于初始部署阶段，缺乏全面的, 大规模现实世界测试.
事实上, ABI Research 的研究表明物联网设备的采用预计将激增, 估计 5.3 十亿 物联网设备预计将利用 LPWAN 技术 2030. LPWAN 有望成为市场上增长最快的连接领域. 推动这一增长的是对远程监控等用例的需求, 需要不频繁的数据传输和电池供电操作, LPWAN 技术特别适合解决的特征.
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