物联网低功耗广域网络（LPWAN）技术全面详解

　　物联网希望通过通信技术将人与物，物与物进行连接。在智能家居、工业数据采集等局域网通信场景一般采用短距离通信技术，但对于广范围、远距离的连接则需要远距离通信技术。LPWAN技术正式为满足物联网需求应运而生的远距离无线通信技术。

　　提到远距离无线通信，你可能会有疑问不是有移动蜂窝通信技术吗？的确，目前全球电信运营商已经构建了覆盖全球的移动蜂窝网络，然而2G、3G、4G等蜂窝网络虽然覆盖距离广，但基于移动蜂窝通信技术的物联网设备有功耗大、成本高等劣势。当初设计移动蜂窝通信技术主要是用于人与人的通信。根据权威的分析报告，当前全球真正承载在移动蜂窝网络上的物与物的连接仅占连接总数的6%。如此低的比重，主要原因在于当前移动蜂窝网络的承载能力不足以支撑物与物的连接。想要了解蜂窝通信技术与物联网，请查看《从技术角度看移动通信技术发展与物联网》

　　LPWAN（Low Power Wide Area Network），低功耗广域网络，专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计。

　　LPWA可分为两类：一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术；另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。

　　接下来电子发烧友小编为你带来LPWA的两类技术详解：

　　LoRa

　　LoRa并不是一个陌生的技术，它目前应用最为广泛的LPWAN网络技术之一，这一协议源于SemTech公司，该公司计划将逐步授权其他源文件。

　　LoRa无线技术的主要特点：

　　长距离：1 ~ 20 km

　　节点数：万级，甚至百万级

　　电池寿命：3~10年

　　数据速率0.3~50kbps

　　LoRa作为一种无线技术，基于Sub-GHz的频段使其更易以较低功耗远距离通信，可以使用电池供电或者其他能量收集的方式供电。较低的数据速率也延长了电池寿命和增加了网络的容量。LoRa信号对建筑的穿透力也很强。LoRa的这些技术特点更适合于低成本大规模的物联网部署。

　　在城市里，一般无线距离范围在1~2公里，郊区或空旷地区，无线距离会更远些。网络部署拓扑布局可以根据具体应用和和场景设计部署方案。LoRa适合于通信频次低，数据量不大应用。一个网关可以连接多少个节点或终端设备，按照Semtech官方的解释：一个SX1301有8个通道，使用LoRaWAN协议每天可以接受约150万包数据。如果你的应用每小时发送一个包，那么一个SX1301网关可以处理大约62500个终端设备。

　　LoRa应用

　　从目前的LoRa应用情况来看，主要有数据透传和LoRaWAN协议应用。目前还是用LoRa作为数据透传的多，由于网关技术和开发的门槛比较高，使用LoRaWAN协议组网的应用还是比较少。

　　从LoRa网络应用方面看，有大网和小网之分。小网是指用户自设节点、网关和服务器，自成一个系统网络；大网就是大范围基础性的网络部署，就像中国移动的通信网络一样。从LoRa行业从业者来看，有不少电信运营商也参与其中。随着LoRa设备和网络的增多，相互之间的频谱干扰是存在的，这就对通信频谱的分配和管理提出了要求，需要一个统一协调管理的机制，一个大网的管理。

　　LoRa应用需要考虑的几个问题：

　　距离或范围

　　供电或功耗

　　节点数

　　应用场景

　　成本

　　相对于其他无线技术（如Sigfox、NB-IOT等），LoRa产业链较为成熟、商业化应用较早。此前，Microchip公司宣布推出支持LoRa的通信模组，法国Bouygues电信运营商宣布将建设一张新的LoRa网络。Semtech也与一些半导体公司（如ST，Microchip等）合作提供芯片级解决方案，有利于客户获得LoRa产品并采用LoRa无线技术并实现物联网应用。

　　另外，LoRa联盟已于今年年初成立，是LPWAN领域第一个产业联盟，旨在通过构建生态系统的方式推动LoRa的普及。

　　SigFox

　　SigFox也是商用化速度较快的一个LPWAN网络技术，它采用超窄带技术，使得网络设备消耗50微瓦的功率为双向单向通信或100微瓦。相比较而言，移动电话通信则需要约5000微瓦。这就意味着，接入Sigfox网络的设备每条消息最大的长度大约为12字节，并且每天每个设备所能发送的消息不能超过140条。再说说覆盖范围，该公司希望他们的网络可以覆盖至1000公里并且每个基站能够处理一百万个对象。

　　这一协议由SigFox公司拥有，其创始人是法国企业家Ludovic Le Moan，主要打造低攻耗、低成本的无线物联网专用网络。

　　Sigfox今年建网动作

　　2016年2月，SigFox开始在捷克建网，该项目称为SimpleCell。经过一个半月的部署，其网络覆盖的城市和直辖市已经超过3300个，超过了原计划要覆盖6245个地点的一半。在与T-Mobile合作下，如今已经建成了60多个的SimpleCell基站，并计划在今年5月份完成对所有地区的部署。

　　2016年4月，SigFox携手Thinxtra在澳大利亚和新西兰部署物联网网络，从而为成千上万待联网的传感器提供全球性、效益高、节能的通信解决方案。通过本次合作SigFox也将部署全球网络的触角伸到了到亚太地区，为该公司在亚太地区部署自己的网络树立了一块里程碑，标志着该公司2016年在30多个国家推出服务跨出了重要的一步。

　　Sigfox与模块制造商、设备制造商、芯片制造商、物联网平台提供商等产业链上的众多企业都建立了合作关系，如：

　　与芯科实验室的合作，将该实验室的EZRadioPRO无线收发器和UNB技术相结合；

　　与Atmel在远程物联网连接领域也开展了合作，通过了SIGFOXReadyTM认证的ATA8520器件，是首款通过该认证的片上系统（SoC）解决方案；

　　携手TI共同打造高成本效益、远程、低功耗物联网连接，让TI的CC1120 Sub-1GHz RF收发器在搭配UNB技术后提供最远范围的连通性及强大的抗干扰性；

　　同基础设施提供商Arqiva合作启用了第一个站点。

　　3GPP主要有三种标准：LTE-M、EC-GSM和NB-IoT，分别基于LTE演进、GSM演进和Clean Slate技术。

　面对各种兴起的物联网技术，3GPP主要有三种标准：LTE-M、EC-GSM和NB-IoT，分别基于LTE演进、GSM演进和Clean Slate技术。

　　●LTE-M

　　LTE-M，即LTE-Machine-to-Machine，是基于LTE演进的物联网技术，在R12中叫Low-Cost MTC，在R13中被称为LTE enhanced MTC （eMTC），旨在基于现有的LTE载波满足物联网设备需求。

　　知道LTE UE categories的朋友并不会陌生。为了适应物联网应用场景，3GPP在R11中定义了最低速率的UE设备为UE Cat-1，其上行速率为5Mbps，下行速率为10Mbps。为了进一步适应于物联网传感器的低功耗和低速率需求，到了R12，3GPP又定义了更低成本、更低功耗的Cat-0，其上下行速率为1Mbps。

　　●EC-GSM

　　EC-GSM，即扩展覆盖GSM技术（Extended Coverage-GSM）。

　　各种LPWA技术的兴起，传统GPRS应用于物联网的劣势凸显。2014年3月，3GPP GERAN #62会议“Cellular System Support for Ultra Low Complexity and Low Throughput Internet of Things”研究项目提出，将窄带（200 kHz）物联网技术迁移到GSM上，寻求比传统GPRS高20dB的更广的覆盖范围，并提出了5大目标：提升室内覆盖性能、支持大规模设备连接、减小设备复杂性、减小功耗和时延。2015年，TSG GERAN #67会议报告表示，EC-GSM已满足5大目标。

　　GERAN（GSM EDGE Radio Access Network）是GSM/EDGE 无线通信网络（Radio Access Network）的缩写。GERAN由3GPP主导，主要制定GSM标准。由于早期的蜂窝物联网技术是基于GSM的，所以一些物联网立项都是GERAN进行的。

　　随着技术的发展，蜂窝物联网通信需要进行重新定义，我们形象的叫做“clean-slate”方案，类似于“打扫干净屋子再请客”的说法，这就出现了NB-IoT。由于NB-IoT技术并不基于GSM，是一种clean-slate方案，所以，蜂窝物联网的工作内容转移至RAN组。GERAN将继续研究EC-GSM，直到R13 NB-IoT标准冻结。

　　●NB-IoT

　　2015年8月，3GPP RAN开始立项研究窄带无线接入全新的空口技术，称为Clean Slate CIoT，这一Clean Slate方案覆盖了NB-CIoT。

　　NB-CIoT是由华为、高通和Neul联合提出，NB-LTE是由爱立信、诺基亚等厂家提出。

　　NB-CIoT提出了全新的空口技术，相对来说在现有LTE网络上改动较大，但NB-CIoT是提出的6大Clean Slate技术中，唯一一个满足在TSG GERAN #67会议中提出的5大目标（提升室内覆盖性能、支持大规模设备连接、减小设备复杂性、减小功耗和时延）的蜂窝物联网技术，特别是NB-CIoT的通信模块成本低于GSM模块和NB-LTE模块。

　　NB-LTE更倾向于与现有LTE兼容，其主要优势在于容易部署。

　　最终，在2015年9月的RAN #69会议上经过激烈撕逼后协商统一，NB-IoT可认为是NB-CIoT和NB-LTE的融合。

　　这里引用一段3GPP RAN会议报告关于蜂窝物联网技术的描述：

　　物联网（Internet of Thing， IoT）是未来重要技术，3GPP在R12/R13虽然也有MTC（Machine Type Communication）相关技术，但其基本做法是在既有LTE技术与架构上进行优化，并非针对物联网特性进行全新的设计。 相对于MTC技术优化的做法，蜂窝物联网（Cellular Internet of Thing， CIoT）技术项目建议针对物联网特性全新设计，不一定要相容于既有的LTE技术框架。

　　关于NB-CIoT和NB-LTE的区别：

　　除了我们耳熟能详的LoRa、SigFox LTE-M、EC-GSM和NB-IoT外，这一领域也是多家争鸣的状态，包括NWave、OnRamp、Platanus、Telensa、Weightless、Amber Wireless等。

　　NWave

　　NWave技术公司自己拥有该协议的所有权，该协议是Weightless-N协议的基础。它以虚拟化Hub的方式实现多数据流传输，中央处理器对数据进行分类确保数据归属性。

　　实际上，今年7月份，Nwave 技术公司和企业加速器组织Accelerace与Next Step City携手合作，在丹麦部署Weightless-N网路，范围遍及首都哥本哈根，以及南丹麦能源产业重镇埃斯比约，这一网络即采用NWave协议搭建。此网络是首次的公共网路建设行动，是极具开创性的里程碑，为丹麦物联网和智慧城市建设提供网络基础。

　　OnRamp

　　OnRamp使用其自有的协议，称为RPMA（随机分配，多址接入）。OnRamp公司以授权方式让合作伙伴使用该技术，且该公司撰写了一份非常详尽的白皮书，白皮书中给出充足理由证明他们将优于SigFoax和LoRa。

　　Platanus

　　这一协议是由云创科技（M2COMM）所拥有，是为处理一定距离下超高密度节点而设计的，它可以广泛用于电子标签类应用中，这一协议也成为Weightless-P技术的基础。

　　Platanus原始技术瞄准在100m左右中等范围，为物联网数位价格标签提供室内覆盖。这些数位价格标签采用电子墨水（e- ink）或LCD显示器，能够取代商店货架上的纸类价格标签， 让商店得以透过无线方式调整产品价格。Platanus技术的其他主动式应用还包括工厂中的生产批次的资讯显示器，提供包括即时状态与待处理的下一个步骤等资讯。由于这是一种双向的通讯，这些显示器还能整合感测器，监测货品的环境状况。

　　Telensa（原称Senaptic）

　　Telensa公司是一家无线监控系统供应商，将其智能无线技术应用于医疗、安全、车辆跟踪和智能计量等市场，特别关注于街道照明和停车的远程控制和管理。其掌握的低功耗无线通信技术仅开放用户界面，协议本身并不开放，该公司认为自己在应用层具有差异化的优势，而不是在底层协议层上。

　　Weightless

　　Weightless实际上包括三个协议，初始协议是Weightless-W，它是为充分利用广电白频谱（TVWS），但全球并未着眼于开发空白频谱的可用性，因此该协议一直被搁置直到频道可用的时候。

　　另一协议Weightless-N作为Weightless-W的补充，是一个非授权频谱下窄带网络协议，源于NWave技术，今年五月发布，瞄准在高达7Km的距离内以低速率为物联网设备到基站提供低成本的单向通讯。Weightless特别兴趣小组（SIG）之前即针对Weightless-N标准展开一连串制定工作，目前已公布 Weightless 1.0版架构，是以低功耗、大范围网路覆盖为目标基础所制定，使用sub-GHz频谱和超窄频段（Ultra Narrow Band）技术，期能满足更多物联网应用。

　　但还有一系列的应用需要双向通讯，以便确认信息接收、软件更新等，它们需要比Weightless-N更高的速率。于是第三个协议Weightless-P应运而生，正瞄准了这些市场需求近期，这一协议是基于M2COMM 公司的Platanus技术。根据Weightless SIG介绍，Weightless-P将利用窄频通道以及12.5kHz通道的FDMA+TDMA调变，作业于免授权的sub-GHz ISM频段。物联网设备与基站的通讯将可实现时间同步，从而管理无线电资源与处理交换机制以实现装置漫游，可用的通讯速率能够根据链路品质与所取得的资源，在200bps-100kbps之间调整。

　　Weightless作为开放的协议，并允许开发者使用特定供应商或网络服务供应商的资源，每家公司都能免费利用Weightless技术发展低成本的基站和终端设备，因此成为继LoRa和SigFox之后具有商业化前景的技术。

　　Amber Wireless：Amber Wireless是一个私有专利协议，当前暂无详细的商用化案例。