物聯(lián)網(wǎng)被認為是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮，它的出現(xiàn)將大大改變?nèi)藗儸F(xiàn)有的生活環(huán)境和習慣。智能家居、工業(yè)數(shù)據(jù)采集等場景通常采用的是短距離通信技術(shù)，但對于廣范圍、遠距離的連接，遠距離通信技術(shù)不可或缺，因此LPWAN應(yīng)運而生。

在LPWAN出現(xiàn)以前，已存在多種通信技術(shù)，短距離的有wifi、藍牙、zigbee等，長距離的則有2G、3G、4G等，但是如果把這些無線通信技術(shù)按照功耗與傳輸距離這兩個維度分來的話，可以發(fā)現(xiàn)在功耗低距離遠這個范圍的技術(shù)還有所欠缺，而LPWAN技術(shù)的出現(xiàn)正好彌補了這個短板。

如果你想要遠距離無線傳輸信息，那么你必須增加信號功率或減少信號帶寬。舉個例子：如果水流經(jīng)管道，而你想把它送到離水源更遠的地方，那么你要么必須增加水的壓力(功率)，要么使用更窄的管道(帶寬)，或者兩者兼而有之。

一、初識LPWAN

低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)是一種遠距離低功耗的無線通信網(wǎng)絡(luò)。多數(shù) LPWA 技術(shù)可以實現(xiàn)幾公里甚至幾十公里的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。由于其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、終端功耗低等特點其更適合于大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用部署。

首先要了解的是，LPWAN不是一種技術(shù)，而是各種和形式各異的低功耗、廣域網(wǎng)技術(shù)的組合。LPWAN擁有以下主要特點：

• 低功耗：電池壽命可長達 10 年
• 遠距離：覆蓋范圍廣，可達幾十公里，在城市環(huán)境中的工作范圍通常也超過2km
• 低數(shù)據(jù)速率：占用帶寬小，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量少，通信頻次低
• 傳輸時延不敏感：對數(shù)據(jù)傳輸實時性要求不高
• 低成本：由于規(guī)模大要求部署的成本低

因此，LPWAN是許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的絕佳選擇。例如用于智能照明、智能電網(wǎng)和資產(chǎn)跟蹤的城市或大型建筑物，以及需要長時間安裝和監(jiān)測的傳感器和儀表(例如水計量、氣體探測器、智能農(nóng)業(yè)和遠程門鎖)。

簡而言之，LPWAN適用于長距離傳輸少量數(shù)據(jù)，同時電池壽命能夠維持多年的應(yīng)用場景。這是LPWAN與藍牙、RFID、蜂窩M2M和ZigBee等其他無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的主要區(qū)分。

LPWAN的優(yōu)勢：

• LPWAN vs蜂窩網(wǎng)絡(luò)：蜂窩網(wǎng)絡(luò)主要受電池壽命的影響，并且覆蓋范圍相對也比較小。此外，蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)經(jīng)常面臨淘汰，美國有3千萬個2G端點因此被棄用。然而，對于許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備而言，通常都必須在網(wǎng)絡(luò)上保留10年，如果蜂窩網(wǎng)絡(luò)被淘汰并且不再被支持，則對于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說是非常致命的。
• LPWAN vs網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)例如ZigBee也被應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中。實際上，許多家庭自動化系統(tǒng)都部署了ZigBee，但ZigBee并不適合LPWA應(yīng)用。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)僅在中等距離有用，并且不具備LPWAN技術(shù)的遠程能力。

更重要的是，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的電池功耗大，因為每個節(jié)點必須不斷地接收和重復(fù)相鄰的RF信號。當傳感器擴展到數(shù)千個時，ZigBee或其他網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)不能充分滿足LPWA應(yīng)用的需求。

二、LPWAN的不同技術(shù)流派

在物聯(lián)網(wǎng)需求爆發(fā)式增長的同時，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標準混戰(zhàn)不斷升級，尤其是LPWAN低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)的競爭可謂異常激烈。

LPWAN可分為兩類：一類是工作于未授權(quán)頻譜的LoRa、SigFox等技術(shù);另一類是工作于授權(quán)頻譜下，3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術(shù)，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。

1. 授權(quán)頻譜

授權(quán)頻譜以3GPP主導的NB-IoT為主，支持對現(xiàn)有蜂巢式基礎(chǔ)設(shè)施進行軟件更新，例如升級現(xiàn)有的 LTE 和 GSM 基地臺。重復(fù)利用現(xiàn)有的 3G 或 4G頻譜，可迅速地實現(xiàn)國內(nèi)和國際的覆蓋與部署。

(1) NB-IoT和LTE-M

NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)即基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)，具有四大特點：廣覆蓋、低功耗、低成本和大連接，是目前最受青睞的LPWAN技術(shù)之一。LTE-M即LTE-Machine-to-Machine，是基于LTE演進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在R12中叫Low-Cost MTC，在R13中被稱為LTE enhanced MTC (eMTC)，旨在基于現(xiàn)有的LTE載波滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需求。

具體說來，NB-IoT室內(nèi)覆蓋能力強，比LTE提升20dB增益，相當于提升了100倍覆蓋區(qū)域能力。NB-IoT聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應(yīng)用，設(shè)備功耗非常小，其電池壽命最長可達到10年。尤其是DRX(不連續(xù)接收)技術(shù)的使用，讓終端只在需要的時候工作。而在成本方面，NB-IoT簡化射頻硬件、簡化協(xié)議和減小基帶復(fù)雜度，降低了整體組件成本。

NB-IoT在智能城市應(yīng)用方面具有潛在優(yōu)勢。報告顯示，與LTE-M相比，NB-IoT具有更好的建筑物穿透能力。另一方面，LTE-M具有更高的數(shù)據(jù)速率，這對于數(shù)據(jù)密集型的用例非常重要，不過采用LTE-M的芯片通常也非常昂貴。

應(yīng)用場景：

LTE-M和NB-IoT是互為補充的低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。NB-IoT適合于數(shù)據(jù)需求有限的用例，而LTE-M支持更強大的功能，可以提供更高的帶寬、移動性和LTE語音服務(wù)。它們都可以直接與移動網(wǎng)絡(luò)連接，而且無需Wi-Fi登錄或藍牙配對。

NB-IoT最適用于簡單的開關(guān)設(shè)備，包括智能停車計時器、智慧農(nóng)業(yè)傳感器、電表、工業(yè)監(jiān)控器和樓宇自動化等。LTE-M適用于無人機、資產(chǎn)跟蹤器、車隊跟蹤、智能手表、報警面板、寵物跟蹤器、智能家用電器、病人監(jiān)護儀、公用事業(yè)儀表等。

2. 非授權(quán)頻譜

使用非授權(quán)頻段的LPWAN技術(shù)包括Sigfox、LoRa、Weightless等，由于使用公開非授權(quán)頻段，因此進入門檻低、搭建簡單、商業(yè)化進程較快。

(1) LORA

LORA(Long Range Radio，遠距離無線電)聯(lián)盟是一個旨在促進和推廣LPWAN技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)的開放的、非盈利性組織。它在北美、歐洲、非洲和亞洲擁有約400家成員公司，其創(chuàng)始成員包括IBM，MicroChip，Cisco，Semtech，Bouygues Telecom，Singtel，KPN，Swisscom，F(xiàn)astnet和Belgacom。

LoRaWAN是由LoRa聯(lián)盟管理的開放標準網(wǎng)絡(luò)層。然而，它并不是真正開放的，因為實現(xiàn)完整LoRaWAN堆棧的底層芯片只能通過Semtech獲得。LORA的特點是長距離(1-20km)，擁有萬級甚至百萬級的節(jié)點數(shù)，電池壽命可達3-10年，數(shù)據(jù)速率可達0.3-50kbps。

LoRa基于Sub-GHz的頻段讓其更能以較低功耗進行遠距離通信，可使用電池供電或其他能量收集的方式供電。同時，較低的數(shù)據(jù)速率也延長了電池壽命和增加了網(wǎng)絡(luò)容量。并且，LoRa信號對建筑的穿透力也很強。

應(yīng)用場景：

LoRa最大特點就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠，實現(xiàn)了低功耗和遠距離的統(tǒng)一，在同等功耗下比傳統(tǒng)的無線射頻通信距離擴大3-5倍。

LoRa的應(yīng)用場景包括智慧農(nóng)業(yè)：低功耗低成本的傳感器，無通信資費，多節(jié)點;工業(yè)信息化：在工廠的自動化制造和生產(chǎn)中，Lora低成本的傳感器配以低功耗和長壽命的電池非常適合用來追蹤設(shè)備、監(jiān)控狀態(tài);物流追蹤：追蹤或者定位市場的一個重要的需求就是終端的電池使用壽命，LoRa在高速移動時通信相對于NB-IoT更穩(wěn)定。

(2) SigFox

SigFox成立于2009年，是一家總部位于法國的公司(Sigfox既是公司名稱，也是解決方案)。SigFox擁有龐大的供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)，包括德州儀器、Silicon Labs和Axom。SigFox是為打造物聯(lián)網(wǎng)的無線網(wǎng)絡(luò)而生的，其優(yōu)勢在于沒有傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的包袱，針對物聯(lián)網(wǎng)的特點，壓縮成本、廣泛覆蓋及提升速率，多適用海外智能制造等場景。

SigFox使用專有技術(shù)，以較低的調(diào)制速率實現(xiàn)更大的傳輸范圍，SigFox工作在868MHz和902MHz的ISM頻段，消耗很窄的帶寬或功耗。因此，SigFox的最佳適用場景是僅需要發(fā)送少量、不頻繁的數(shù)據(jù)突發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)用，例如停車傳感器、水表和智能垃圾桶。其的缺點是當數(shù)據(jù)發(fā)送回傳感器/設(shè)備(下行鏈路能力)時會受到嚴重限制，并且還會存在信號干擾問題。

SigFox在歐洲的推廣非常成功，SigFox在全球范圍內(nèi)有自己的基站，目前在全球接近60個國家/地區(qū)開通了網(wǎng)絡(luò)。包括除了俄羅斯以外的歐洲主要25個國家，其中西歐很多國家實現(xiàn)了全覆蓋。另外在北美和中國也有覆蓋。拉美則是SigFox網(wǎng)絡(luò)覆蓋最好的區(qū)域。有數(shù)據(jù)顯示SigFox在巴西的覆蓋率遠遠領(lǐng)先其他LPWAN技術(shù)。

LoRa與Sigfox都具有長距離、低功耗的特點，可延長電池壽命，實現(xiàn)大范圍的信息傳輸，且均使用非授權(quán)的Sub-1GHzISM頻段，不需額外付出授權(quán)費用。LoRa和Sigfox的每日傳輸次數(shù)都有限制，適合在沒有實時通訊需求的領(lǐng)域使用。

(3) Ingenu

Ingenu(之前稱為On-Ramp Wireless)基于多年的研究已經(jīng)開發(fā)出雙向的解決方案，實現(xiàn)了專有的直接序列擴頻調(diào)制技術(shù)，稱為RPMA(隨機相位多址接入)，RPMA的設(shè)計目的是在2.4GHz頻段內(nèi)提供高容量、安全且范圍廣泛的互連方案。

在美國單個RPMA接入點能夠覆蓋176平方米的區(qū)域，這比Sigfox和LoRa標準都要大得多，它具有最小的開銷、低延遲和廣播功能，能夠同時向大量設(shè)備發(fā)送命令，硬件、軟件和其他功能僅限于該公司所提供的，這家公司要搭建自己的公共和私有網(wǎng)絡(luò)，專用于機器對機器之間的通信。

(4) Symphony Link

Link Labs是LoRa聯(lián)盟成員，因此使用的是LoRa芯片。然而，Link Labs并沒有使用LoRaWAN，而是在Semtech的芯片Symphony Link之上構(gòu)建了專有的MAC層(軟件)。

Link Labs由約翰霍普金斯大學應(yīng)用物理實驗室的前成員于2013年創(chuàng)立，總部位于馬里蘭州的安納波利斯。與LoRaWAN相比，Symphony Link增加了一些重要的連接功能，包括有保證的消息接收、無線固件升級、占空比限制的刪除、中繼器功能和動態(tài)范圍。

(5) Weightless SIG

Weightless SIG(特殊興趣小組)成立于2008年，其使命是標準化LPWAN技術(shù)。有五個“推廣小組成員”，包括埃森哲，ARM，M2COMM，索尼歐洲和Telensa。

Weightless SIG是唯一真正的開放標準，可在低于1 GHz的免許可頻譜中運行。有三種版本的Weightless可用于不同目的：

• Weightless-W：利用空白(許可電視頻段中未使用的本地頻譜)
• Weightless-N：由NWave技術(shù)誕生的免授權(quán)頻譜窄帶協(xié)議
• Weightless-P：M2COMM Platanus技術(shù)誕生的雙向協(xié)議

其中Weightless-N和Weightless-P更受歡迎，因為Weightless-W電池壽命更短。

Nwave的Weightless-N與SigFox在功能上非常相似，但擁有更好的MAC層實現(xiàn)。它聲稱使用“先進的解調(diào)技術(shù)”，使其網(wǎng)絡(luò)能夠與其他無線電技術(shù)共存而不會產(chǎn)生額外的噪音。像SigFox一樣，它最適用于基于傳感器的網(wǎng)絡(luò)，溫度讀數(shù)，儲罐液位監(jiān)控，智能計量和其他此類應(yīng)用。

Weightless-P標準在12.5 kHz窄帶中使用FDMA + TDMA調(diào)制(大于SigFox但小于LoRa)。它還具有自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率，類似于Symphony Link(200 bps到100 kbps)。靈敏度非常高，在625 bps時為-134 dBm，支持PSK和GMSK調(diào)制。對于專用網(wǎng)絡(luò)，更復(fù)雜的用例以及控制上行鏈路數(shù)據(jù)和下行鏈路數(shù)據(jù)非常重要的情況，Weightless-P是有意義的。Weightless-P的開發(fā)套件現(xiàn)在才剛剛開始上市。

三、不同派系的技術(shù)的部署現(xiàn)狀

Ovum研究機構(gòu)2019年第四季度IoT&LPWAN部署報告顯示，截至目前，包含授權(quán)頻譜和非授權(quán)頻譜在內(nèi)，全球已宣布的LPWAN部署數(shù)量累計達到501張。

LoRa仍是現(xiàn)網(wǎng)中采用最多的技術(shù)，但NB-IoT已經(jīng)逐漸逼近。非授權(quán)頻譜LoRa技術(shù)在商用現(xiàn)網(wǎng)部署中占據(jù)主導地位，幾乎占據(jù)了三分之一的市場份額(約30.3%)。NB-IoT技術(shù)位居第二，截至2019年第三季度末擁有89張商用網(wǎng)絡(luò)。

盡管授權(quán)頻譜LPWAN部署有所增長，但是非授權(quán)頻譜LoRa有望保持自己的領(lǐng)先地位。LoRa芯片組提供商Semtech在最近的一次簡報中表示，現(xiàn)在在全球10個國家/地區(qū)擁有14張全國性的公共LoRa網(wǎng)絡(luò)，全球的LoRa技術(shù)開發(fā)者達到5萬人。該技術(shù)擁有超過1億個終端節(jié)點(包括專網(wǎng))，并得到了全球120個服務(wù)提供商的支持。

但在中國這一情況有所不同。2017年12月13日，工信部無線電管理局發(fā)布《微功率短距離無線電發(fā)射設(shè)備技術(shù)要求(征求意見稿)》，同時我國完成了IMT-2020(5G)候選技術(shù)方案的完整提交，其中NB-IoT技術(shù)被正式納入5G候選技術(shù)集合。而LoRa在我國是沒有授權(quán)頻段的。

在芯片研發(fā)和供應(yīng)方面，LoRa芯片制造商只有Semetch一家公司，且是美國企業(yè)，而全球主流芯片廠商都能夠提供NB-IoT商用芯片。從這個方面來說，發(fā)展NB-IoT更為有利。隨著NB-IoT成為5G物聯(lián)網(wǎng)的主流技術(shù)，以及國內(nèi)關(guān)于LoRa工作頻段的規(guī)定，LoRa未來的發(fā)展很有可能會受到影響，但企業(yè)究竟是否會放緩LoRa的部署尚未可知。

四、總結(jié)

從演進方向上來看，目前物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)朝著低功率、廣覆蓋的方向發(fā)展的趨勢日益明顯。未來，5G有望撼動整個LPWAN格局，其低延遲、低功耗和高數(shù)據(jù)傳輸率的特點是以前無法實現(xiàn)的。3GPP還考慮允許5G技術(shù)在非許可頻段(特別是3.5 GHz、5 GHz和60 GHz)中運行，這對非授權(quán)LPWAN的影響非常大。總體而言，LPWAN各協(xié)議各有特點，未來的發(fā)展趨勢更多的會是“互補”，而非“替代”。