什么是LPWA（Low Power Wide Area）无线通信 - 基础篇

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INDEX -基础篇

1. 什么是LPWA？

2. LPWA的两大特点

2.1 LPWA的特点（1）―消耗电力低―

2.2 LPWA的特点（2）―远距离无线通信―

3. LPWA的种类和标准

3.1 LPWA的类型 ―蜂窝LPWA和非蜂窝LPWA―

3.2 蜂窝LPWA和非蜂窝LPWA的标准

3.3 蜂窝LPWA与非蜂窝LPWA的规格比较

专栏 ― LPWA的出现

INDEX -应用篇

4. LPWA的应用事例

5. 村田制作所的LPWA模块

1. 什么是LPWA？

LPWA是Low Power Wide Area的缩写，又称LPWAN（Low Power Wide Area Network），是一种以低消耗电力、广域和远距离通信为特点的无线通信技术。虽然通信数据量少且比Wi-Fi等更慢，但可以进行超过10km的无线通信。在工厂、物流、农业、住宅和生活基础设施等的智能化过程中使用了IoT（Internet of Things）和M2M（Machine to Machine），这要求进行少量数据的远距离通信，因此，LPWA作为其基础——无线通信技术而受到了关注。

2. LPWA的两大特点

对LPWA*1与其他无线通信之间的区别，特别是低消耗电力和远距离通信这些主要特点进行说明。图1显示了在LPWA和其他无线通信中的通信距离和通信速度（数据传输速度）的关系。由此可见，LPWA不仅通信距离较其他通信方式更长，而且数据传输速度较低，即是一种低速通信方式。

图1 LPWA与其他无线通信方式中的通信距离和通信速度的关系

*1 LPWA分为蜂窝LPWA（授权频段）和非蜂窝LPWA（免授权频段）。关于这些种类和多种标准，将在下面的 3. LPWA的种类和标准 中进行了解说。

*2 NFC（Near Field Communication）是一种最大通信距离为10cm左右的无线通信技术，被翻译为“近距离无线通信”。它被用于公共交通的非接触式IC卡等当中。

*3 ZigBee是一种近距离无线通信技术，可以实现设备之间的直接连接和构建网络。其特点是低速（最大250kbps）和消耗电力低，它被用于物联网设备（传感器数据通信、家电远程控制等）。

2.1 LPWA的特点（1）―消耗电力低―

在智能手机等终端使用的通过4G LTE或5G进行的数据通信中，通信速度很快，从Mbps到Gbps，通信所需的消耗电力也相应增加。
另一方面，物联网和M2M中使用的许多设备需要少量数据来进行传感和设备控制，因此物联网和M2M通过低速通信就足以正常工作。因此，预定用于物联网和M2M的LPWA由于其通信速度慢而可以保持低消耗电力。实际上，LPWA模块的电池寿命可达10年或更长，因此，可以大幅降低物联网设备的电池更换频率等，在多种设置场所都能有效工作。

2.2 LPWA的特点（2）―远距离无线通信―

讨论从几米到几百米的短距离数据通信时，候选者通常是Bluetooth®——无线PAN（Personal Area Network），或Wi-Fi——无线LAN（Local Area Network）的一种。另一方面，在物联网和M2M等领域，为了监控和操作设置在几公里到几十公里的广阔范围内的物联网设备，很多情况下需要进行数据通信，这就需要能够实现比无线PAN和无线LAN的通信距离更远的无线技术。
LPWA就是一种旨在满足物联网时代的远距离通信需求的无线通信技术。用于远距离相互传输设置在远处的物联网设备输出的传感器值、用于识别位置的数据以及发送到设备的控制数据等少量数据。

3. LPWA的种类和标准

LPWA分为蜂窝LPWA和非蜂窝LPWA*4。此外，每个种类都有自己的标准，所使用的频带宽度、通信距离、传输速度等的规格也各不相同。

*4 在日本，蜂窝LPWA有时被称为“蜂窝系统”或“授权系统”，非蜂窝LPWA有时被称为“非蜂窝LPWA”、“非蜂窝系统”或“免授权系统”。

3.1 LPWA的类型 ―蜂窝LPWA和非蜂窝LPWA―

首先，对使用需要无线电局许可证的频段（授权频段）的蜂窝LPWA和使用不需要无线局许可证的频段（免授权频段）的非蜂窝LPWA进行说明。

［蜂窝LPWA（授权频段）］

在需要无线局授权的蜂窝LPWA中，通常使用运营商的基站和通信网络（图2）。但是，需要从配备LPWA模块的物联网设备到基站能稳定通信的环境。因此，物联网设备和基站之间的区域往往是城区、居民区、工业区等人口密度较高的区域。

此外，在到基站的通信存在困难的山区和偏远岛屿等远离城区的地区，则选择后述的非蜂窝LPWA。

图2 蜂窝LPWA的使用示意图

*5 SIM（Subscriber Identity Module）的字面意思是识别用户的模块。对于使用需要许可证的授权频段的蜂窝LPWA，可以通过在设备或模块中配备与签约运营商兼容的SIM来使用其通信网络。

作为蜂窝LPWA的使用事例，有电力、煤气和自来水等生活基础设施的数据收集，以及通过漫游*6各国运营商的通信网络来跟踪国际物流中的包裹等。

*6 漫游一般是指允许在签约的运营商提供服务的地区之外使用与该运营商合作的当地运营商的通信网络的服务。在国际上提供的此类服务也被称为国际漫游。

事例的详细信息请参见 4. LPWA的应用事例 | 什么是LPWA无线通信 - 应用篇 。

［非蜂窝LPWA（免授权频段）］

非蜂窝LPWA使用在日本国内不需要无线电许可证的 Sub-GHz频段——920MHz频段。如图3所示，不需要使用运营商的通信网络，从LPWA模块通过网关*7就可以将获得的数据发送到网络服务器或应用服务器。

图3 非蜂窝LPWA的通信示意图

*7 网关：在无线、有线通信中，为了让设备之间能够通信而规定通信协议（规定通信时的步骤和数据格式等的约定）。通信协议在不同的设备和网络之间无法直接进行通信连接。网关是解决这个问题的设备或软件，它通过转换协议使中继连接成为可能。

作为非蜂窝LPWA应用事例，有蜂窝LPWA无法覆盖的远距离通信用途，例如在山区或偏远岛屿等难以连接到运营商基站的环境中的通信，以及私人网络中的通信等。

事例的详细信息请参见 4. LPWA的应用事例 | 什么是LPWA无线通信 - 应用篇 。

3.2 蜂窝LPWA和非蜂窝LPWA的标准

对蜂窝LPWA和非蜂窝LPWA的标准和特点分别进行解说。

［蜂窝LPWA（授权频段）的标准］

使用运营商的基站和通信网络的蜂窝LPWA有LTE Cat. M1（LTE-M）和NB-IoT这2种标准，2种标准均使用LTE的频带（700MHz-3.5GHz）中可用的频段。 每种标准的特点如下所示。

- LTE Cat. M1（LTE-M）

LTE Category M1的缩写，也被称为LTE-M（LTE for Machine-type-communication）。上下行最大速度均为1Mbps，最大通信距离为约10km。此外，在步行、骑自行车或开车等移动时也可以进行通信。作为用途事例，可将其用于看护儿童和追踪物流货物等边移动边传输位置信息的物联网设备。

- NB-IoT

Narrow Band IoT的缩写，最大速度为上行62.50kbps，下行26.15kbps，虽然速度低，但最大通信距离为约40km。虽然它不适合在移动时的通信，但它适合用于大范围固定设置的智能仪表以及具有预防犯罪和报警功能的物联网设备等。

关于两种标准之间的区别，请参照下一项 3.3 蜂窝LPWA和非蜂窝LPWA的规格比较 中的表1。
此外，关于支持这两种标准的LPWA模块，可以在下一页中看到。
5. 村田制作所的LPWA模块 | 什么是LPWA无线通信 - 应用篇

［非蜂窝LPWA（免授权频段）的主要标准］

非蜂窝LPWA除了LoRaWAN以外，还有Sigfox、Wi-SUN、ZETA和ELTRES等多种标准。全部标准均使用 Sub-GHz频段，其中大多数标准的通信速度为 100bps-250kbps左右。通信距离为从2km到100km左右，因标准的不同而有很大差别，呈现通信距离越长，通信速度就越低的倾向。

关于支持LoRaWAN的LPWA模块，可以在下一页中看到。
5. 村田制作所的LPWA模块 | 什么是LPWA无线通信 - 应用篇

3.3 蜂窝LPWA与非蜂窝LPWA的规格比较

以蜂窝LPWA的标准LTE CAT.M1（LTE-M）和NB-IoT以及非蜂窝LPWA的标准LoRaWAN为例，其规格如表1所示。此外，作为参考，该表中还一并列出了LTE Cat.1的规格，该规格比LPWA目前的标准具有更高的通信速度，但通信成本更高。该表主要通过比较是否需要无线局许可证（或者是否处于能与基站进行稳定通信的环境等）、通信距离、通信速度等，为选择哪种标准提供参考。

表1 蜂窝/非蜂窝LPWA的主要标准、与LTE（参考）的规格比较（截至2023年6月）

	LPWA的种类			LTE（参考）
	蜂窝LPWA		非蜂窝LPWA
标准	LTE Cat. M1（LTE-M）	NB-IoT	LoRaWAN	LTE Cat.1
无线局许可证	需要许可证的频段 （授权频段）		不需要许可证的频段 （免授权频段）	需要许可证的频段 （授权频段）
最长通信距离	约10km	约40km	几十公里	约5km
最大通讯速度	下行1Mbps  上行1Mbps	下行26.15kbps  上行62.50kbps	下行250bps  上行250bps	下行10Mbps  上行5Mbps
发送功率	+23dBm	+23dBm	+20dBm *	+23dBm
设备电池寿命	10年或更长			-
消耗电力	Low		Low	High
成本（展开时）	Low		Low	High

* +20dBm仅限美国。欧盟/亚洲为+14dBm。

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专栏 ― LPWA的出现

在物联网和M2M向从制造业到家庭的广范围普及的过程中，曾经发生过布线成为引入瓶颈的情况。
例如，对于工厂中的通用传感器那样处理少量数据的物联网设备，如果分别连接用于供给电源和通信的电缆，则布线会变得复杂，更换设备时的工时数量也会增加，成为问题。
为了解决这个问题，人们希望能让电池驱动和通信实现无线化。然而，比如在使用Wi-Fi时，对于拥有较大场地的工厂设施来说，通信距离不够，而且高速通信会导致电池寿命缩短等问题。此外，手机使用的LTE也是高速通信，因此，设备的消耗电力也较大，需要频繁充电，而且还有使用成本较高的问题（实际上，一开始使用的是名为LTE Cat.1【参考：3.3 蜂窝LPWA与非蜂窝LPWA的规格比较】的标准）。工厂中的通用传感器和家庭中的电气产品控制等物联网/M2M设备的通信数据量本来就少，没必要使用高速通信。
这个问题也存在于在广范围内大量设置的电气、自来水、煤气等生活基础设施的仪表智能化中，智能仪表的通信数据较少，因此，如何以尽量低的成本实现低速、低消耗电力、远距离的无线通信就是需要解决的问题。

因此，需要物联网/M2M用途实际所需的规格，即对少量通信数据而言已经足够的低速通信、由此带来的低消耗电力和可进行远距离通信的无线技术。而且，LPWA被提议作为满足该规格的无线技术，目前各个企业和组织都已提供LPWA标准。例如，本文中也进行了介绍的LTE Cat.M1（LTE-M）和NB-IoT等标准已经出现，因此，LPWA作为物联网/M2M领域的代表性无线通信已被大范围使用。

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INDEX -应用篇

4. LPWA的应用事例

4.1 生活基础设施的智能化（智能仪表）［蜂窝LPWA］

4.2 住宅及设施的智能化（智能家居、智能锁等）［蜂窝LPWA/非蜂窝LPWA］

4.3 跟踪人和物（可穿戴设备/跟踪器）［蜂窝LPWA］

4.4 环境监测和农业的智能化［蜂窝LPWA/非蜂窝LPWA］

4.5 户外智能支付终端的使用［蜂窝LPWA］

4.6 医疗设备（CPAP装置）的远程监控［蜂窝LPWA］

5. 村田制作所的LPWA模块

5.1 村田制作所的LPWA模块的优势

5.2 LPWA模块的产品阵容

审核编辑 黄宇