LPWA能使用較低功耗實現(xiàn)遠距離的無線信號傳輸
LPWA的定義
LPWA – Low power wide area, 低功耗廣域技術(shù)的簡稱,使用較低功耗實現(xiàn)遠距離的無線信號傳輸。相較于熟悉的低功耗藍牙(BLE)、Zigbee和Wifi等技術(shù),LPWA的傳輸距離更遠,一般在公里級,其鏈接預(yù)算(link budget)可達160dBm,而BLE和Zigbee等一般在100dBm以下。和傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(2G、3G)相比,LPWA的功耗更低,電池供電的設(shè)備使用壽命可達數(shù)年?;谶@兩個顯著特點,LPWA可以真正使能物物互聯(lián),助力和引領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)革命。
LPWAN – Low power wide area network,低功耗廣域網(wǎng)絡(luò),即使用LPWA技術(shù)搭建的無線連接網(wǎng)絡(luò)。LPWAN的網(wǎng)絡(luò)連接形式可以多種多樣,典型的拓撲如圖1所示,以數(shù)據(jù)上傳(data uplink)為例,無線終端發(fā)送數(shù)據(jù)信號,基站或者網(wǎng)關(guān)接收并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_,云平臺根據(jù)設(shè)備ID將數(shù)據(jù)分發(fā)到對應(yīng)的客戶服務(wù)器。對于私有的LPWAN網(wǎng)絡(luò),云端和客戶服務(wù)器可以是一體的。
圖1典型LPWA網(wǎng)絡(luò)連接
LPWA的特性
LPWA針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求,具備以下技術(shù)特性:
低功耗
一般的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無法使用電源直接供電,電池使用壽命即成為首要考慮需求,LPWA對此進行技術(shù)優(yōu)化,使得電池供電設(shè)備使用可達數(shù)年。例如使用Sigfox技術(shù)的終端設(shè)備,用AA電池供電即可達10年左右。
遠距離
室內(nèi)或短距離的物聯(lián)應(yīng)用,可以使用低功耗藍牙,Zigbee等無線技術(shù),LPWA針對的是室外或者遠距離的無線連接需求,傳輸速率要求較低,所以傳輸距離更遠,至少在公里級。Sigfox使用超窄帶進行數(shù)據(jù)傳輸,并且選用較低的傳輸速率,從而使得設(shè)備和基站間的鏈接預(yù)算(link budget)可達160dBm,空曠區(qū)域的信號傳輸距離可達幾十公里。
低成本
新技術(shù)的普及離不開成本的持續(xù)降低,更低的成本可以使得技術(shù)應(yīng)用在更多的領(lǐng)域,尤其是對價格敏感的應(yīng)用。用于LPWA終端設(shè)備的射頻模塊,隨著技術(shù)成熟度的提升,應(yīng)用的普及,設(shè)備連接量的增加,其一般價格在5美金之下是可期的。而Sigfox技術(shù)很早已經(jīng)完全達到商業(yè)化的成熟度,其終端模塊價格甚至可達2美金,對技術(shù)的普及起到重要作用。
大容量
傳統(tǒng)的無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)首要的連接對象是人,物聯(lián)網(wǎng)的連接對象是物,而物的數(shù)量必將遠遠超過人的數(shù)量,這就要求LPWA網(wǎng)絡(luò)有更大的容量,避免網(wǎng)絡(luò)的擁擠和設(shè)備間的干擾。Sigfox網(wǎng)絡(luò)單個基站可以每天處理幾百萬條設(shè)備消息,可以同時接收并處理接近300條消息,而丟包率只有0.5%,保證有很高的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量(QoS)。
LPWA除了以上顯著技術(shù)特性外,通常還有低速率,高延遲等特點。
圖2 LPWA技術(shù)特性比較
LPWA應(yīng)用場景
LPWA技術(shù)可用于眾多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景,實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化和智能化,從而進一步提高效率和節(jié)約成本,促進整個社會勞動生產(chǎn)率的提升。
其典型的應(yīng)用場景有:
物流定位及追蹤–實時上報物流位置及狀態(tài)信息
資產(chǎn)管理–資產(chǎn)定位,庫存狀態(tài)上報
智能抄表–儀表數(shù)字及狀態(tài)上報
智慧城市–照明,交通,基礎(chǔ)實施檢測智能化,智能停車等
智慧農(nóng)業(yè)–牲畜追蹤管理,土壤檢測,智能灌溉等
環(huán)境/公用–災(zāi)害檢測,煙感,空氣污染,設(shè)備狀態(tài),老人看護等
智能家庭–智能家電,家庭安全系統(tǒng),狀態(tài)檢測上報等
典型LPWA技術(shù)
按照對無線頻譜的使用性質(zhì)分類,LPWA可以分為許可頻段和公共頻段兩類技術(shù)。
公共頻段典型的有Sigfox和LoRa,使用公共的ISM頻段,無須支付頻譜費用,但仍有政府對頻譜的使用進行規(guī)范,確保不同技術(shù)可以相互兼容,類似BLE和Wifi等。
許可頻段即為Cellular-IoT(簡稱C-IoT)技術(shù),使用政府授權(quán)的特定專用無線頻段,需要支付頻譜費用,傳統(tǒng)電信運營商為主體部署和運營網(wǎng)絡(luò),技術(shù)規(guī)范基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù),并由3GPP來主導(dǎo)分布。
Sigfox
Sigfox技術(shù)由同名的法國Sigfox公司設(shè)計研發(fā),成立于2010年,是最早的老牌LPWA玩家,其技術(shù)成熟度最高,截至2019年已經(jīng)在全球60多個國家實現(xiàn)商業(yè)化運營。Sigfox在公共頻段使用100Hz超窄帶頻譜調(diào)制和傳輸數(shù)據(jù)消息,所以在單位頻帶有更高的功率密度,抗干擾能力更強,適合于使用公共頻段進行數(shù)據(jù)傳輸。
Sigfox公司提供完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案,包括基站和云端,尋求和依賴當?shù)氐暮献骰锇樵谌蜷_展網(wǎng)絡(luò)部署及運營,Sigfox提供網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及技術(shù)支持服務(wù)。終端設(shè)備是開放的生態(tài)系統(tǒng),任何支持Sigfox協(xié)議的射頻模塊或者芯片都可以連接Sigfox的網(wǎng)絡(luò),對于終端設(shè)備廠商來說可以有更大的選擇空間,和更優(yōu)惠的價格選項。依托于強大的全球生態(tài)系統(tǒng),Sigfox用戶可以得到端到端(終端到云端)的整體解決方案,使其產(chǎn)品能夠快速連接到Sigfox網(wǎng)絡(luò),并推向市場。
因為Sigfox網(wǎng)絡(luò)由Sigfox公司為主導(dǎo)進行全球部署,這樣能最大程度保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的統(tǒng)一性和穩(wěn)定性,即全球一張網(wǎng),用戶設(shè)備即可以享受到跨國的便利性,不需要漫游服務(wù),又能連接到同等品質(zhì)的網(wǎng)絡(luò),這對于物流或者跨境運行等應(yīng)用來說尤其有吸引力。
LoRa
LoRa是美國Semtech公司的專有技術(shù),實際是一種采用擴頻方案的無線調(diào)制解調(diào)技術(shù)。Semtech在2012年通過并購法國Cycleo公司獲得LoRa的IP產(chǎn)權(quán),以此設(shè)計制造射頻芯片并進行市場銷售,是一家純半導(dǎo)體公司,壟斷LoRa芯片的供貨。目前Semtech雖然也進行少量LoRa的IP授權(quán),如國內(nèi)的阿里,但IP是Semtech專有,沒有授權(quán)任何公司無法設(shè)計制造LoRa芯片,所以客戶的選擇余地很小。
LoRa使用的也是公共頻段進行射頻信號傳輸,上層協(xié)議及規(guī)范由LoRaWan定義,LoRa聯(lián)盟負責發(fā)布和維護。任何人可以購買LoRa芯片或者模塊來設(shè)計LoRa終端和網(wǎng)關(guān)設(shè)備,也可以設(shè)計或者購買設(shè)備來搭建LoRa網(wǎng)絡(luò),所以目前多數(shù)的LoRa網(wǎng)絡(luò)都是小區(qū)域和私有的,很少有全國性的通用物聯(lián)網(wǎng)絡(luò),而設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)間的兼容也是一個很大的挑戰(zhàn)。
LoRa通過擴頻技術(shù)實現(xiàn)高靈敏度,從而能夠進行遠距離傳輸,但是網(wǎng)絡(luò)容量有限,無法高效實現(xiàn)大批量設(shè)備信息的并行接收和處理,這對于大面積或全國性的部署是個巨大挑戰(zhàn)。
Cellular-IoT
目前主流的Cellular-IoT(C-IoT)技術(shù)是指NB-IoT和LTE-M,他們都基于傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù),進行裁剪和優(yōu)化以適用于物聯(lián)網(wǎng)的低成本低功耗應(yīng)用。技術(shù)規(guī)范由3GPP來定義和分布,基于專有的許可頻譜,由傳統(tǒng)電信運營商進行網(wǎng)絡(luò)部署和運營。
因為C-IoT基于傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù),所以相比與Sigfox等全新的LPWA定制技術(shù)來說,技術(shù)復(fù)雜度和相應(yīng)成本功耗等都會更高,類似于3G/4G等,C-IoT終端設(shè)備也需要和基站進行連接和附著,協(xié)議握手和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置,而Sigfox終端設(shè)備和基站沒有任何依賴關(guān)系,自主性更高,功耗可控。另外因為對基站的附著,NB-IoT實際上只適用于設(shè)備位置固定的應(yīng)用場景。
全球角度來說,C-IoT網(wǎng)絡(luò)具有分散性質(zhì),各個運營商只能在屬地國家或者區(qū)域進行部署運營,不同網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)配置和服務(wù)質(zhì)量各不相同。以NB-IoT網(wǎng)絡(luò)為例,總共支持有十多個頻帶(Band),不同國家或者地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)可以使用不用的Band,這對于終端設(shè)備來說是更高的成本和技術(shù)挑戰(zhàn)。而不同網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量更是無法進行統(tǒng)一和保證,網(wǎng)絡(luò)間的切換也需要高額的漫游費用,NB-IoT網(wǎng)絡(luò)甚至不支持漫游。