什么是低功耗广域网？LPWAN技术详解

什么是低功耗广域网？LPWAN技术详解

随着物联网技术的快速发展，个人和设备之间的连接需求日益增长。在短距离通信方面，我们有Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等技术；在长距离通信方面，有2G、3G、4G蜂窝网络等选择。然而，在低功耗和远程通信方面，这些技术存在一定的局限性。低功耗广域网（LPWAN）技术的出现，完美填补了这一市场空白，为物联网应用提供了新的解决方案。

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。它更多的是一个通用术语，包括各种专有和开源协议。本质上，LPWAN是指专为低功耗设计的无线网络系列，用于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农村地区的十几公里。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的核心架构包括无线连接、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，也可以通过蜂窝网络等其他方式发送到后端服务器。

对于公共LPWAN服务，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技术（如LoRa和SigFox），和在许可频段内运行的蜂窝技术（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的基础设施。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-IoT

EC-GSM-IoT或扩展覆盖GSM IoT最初由3GPP在Release 13中引入。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。

• 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。

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LoRa，其他非蜂窝LPWAN包括Sigfox、Weightless、RPMA、Symphony Link、Wi-SUN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

LoRa是协议栈的PHY规范，特别是指Semtech开发的专有Chirp扩频调制。LoRaWAN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。

• Sigfox

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。

• Weightless

Weightless特别兴趣小组（Weightless SIG）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、ARM、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：Weightless-W、Weightless-N，和Weightless-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。

• Symphony Link

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。在这一部分，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）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。根据物联网分析的市场研究估计，通过2024，超过97%的LPWAN系统将使用LTE-M进行部署，NB-IoT，Sigfox，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、Sigfox、和LoRa。

• NB-IoT

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

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

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

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。