LPWA技術(shù)針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要具備哪些技術(shù)特性

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(yuǎn)距離的無線信號傳輸。相較于熟悉的低功耗藍(lán)牙（BLE）、Zigbee和Wifi等技術(shù)，LPWA的傳輸距離更遠(yuǎn)，一般在公里級，其鏈接預(yù)算（link budget）可達(dá)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(dá)數(shù)年。基于這兩個顯著特點，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?fù)淙鐖D1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(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，使得電池供電設(shè)備使用可達(dá)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(dá)10年左右。

遠(yuǎn)距離

室內(nèi)或短距離的物聯(lián)應(yīng)用，可以使用低功耗藍(lán)牙，Zigbee等無線技術(shù)，LPWA針對的是室外或者遠(yuǎn)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(yuǎn)，至少在公里級。Sigfox使用超窄帶進(jìn)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(dá)160dBm，空曠區(qū)域的信號傳輸距離可達(dá)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(dá)到商業(yè)化的成熟度，其終端模塊價格甚至可達(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)一步提高效率和節(jié)約成本，促進(jìn)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(hù)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(jìn)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(jìn)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(dāng)?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(jìn)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(jìn)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(jìn)行少量LoRa的IP授權(quán)，如國內(nèi)的阿里，但I(xiàn)P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(jìn)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(fù)責(zé)發(fā)布和維護(hù)。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(jìn)行遠(yuǎn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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。