什么是LPWAN？低功耗广域网技术简介

如今，物联网技术的飞速发展让曾经不可能实现的个人与设备之间的连接成为现实。LPWAN 已成为物联网领域的热门话题，它提供了以前无法实现的解决方案。对于短距离连接，我们有WiFi、蓝牙、Zigbee等技术；而对于长距离，也有2G、3G、4G 蜂窝网络等选择。

但如果我们从这些无线技术的功率需求和覆盖范围来看待它们，就会发现在低功耗、长距离选项方面存在差距。LPWAN 技术非常适合这个细分市场。它填补了我们之前的无线通信选项阵容中缺少的短电池寿命、长距离的空白。

什么是LPWAN？

LPWAN，即低功耗广域网（有时也称为 LPWA），是一个相对较新的术语，它不是一种标准或单一技术。相反，它更像是一个通用术语，包括各种专有和开源协议。本质上，LPWAN 是指专为设备之间的低功耗、长距离通信而设计的一系列无线网络。

LPWAN 技术的通信距离从城市地区的几公里到农村地区的十多公里不等。这本质上意味着通信变得更加高效和经济高效，即我们能够以更少的功耗最大化连接范围。可以想象，在不久的将来，LPWAN 将以更具创新性的方式得到更广泛的应用。

LPWAN 技术中的拓扑与架构

从拓扑结构上看，LPWAN 可分为星型和网状两大类。在这方面，蜂窝技术通常具有普遍性并支持移动性。由于成本效益，LPWAN 更倾向于采用星型或星对星型拓扑，而不是网状网络。

LPWAN 的核心是无线连接、互联网和云。基站/网关从众多远程分布式终端节点收集数据，并响应来自 LPWAN 的输入。基站/网关是接收和解调这些数据并通过标准 TCP/IP 回程链路（如以太网、蜂窝网络等）将其发送到后端服务器的边界设备。

对于公共 LPWAN 服务，数据会通过网络运营商的服务器转发，然后再发送到最终用户应用程序。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。这可确保 LPWAN 设备数据的私密性和安全性。

LPWAN标准：蜂窝 LPWA 和非蜂窝 LPWA

在深入探讨LPWAN 技术之前，了解它们的主要类别至关重要。LPWAN 大致可分为两类：在未经授权的频段内运行的技术（如 LoRa 和 SigFox）以及在授权频段内运行并遵守 3GPP 标准的蜂窝技术（如 LTE-M 和 NB-IoT）。

下面，我们将探讨一些积极部署的 LPWAN 技术选项。

蜂窝 LPWAN（授权频谱）

蜂窝 LPWAN 需要获得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。但是，它们需要可靠的设备到基站连接，因此更适合人口密集的地区，例如城市中心、住宅区和工业园区。蜂窝 LPWAN 标准包括 EC-GSM-IoT、LTE Cat. M1 (LTE-M) 和 NB-IoT，在 LTE 频谱（700MHz-3.5GHz）内运行。

物联网

EC-GSM-IoT 即扩展覆盖 GSM IoT 最初由 3GPP 在第 13 版中引入。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。它使用授权频谱来提供可靠和安全的通信。与其他蜂窝技术相比，GSM 提供更广泛的覆盖范围。其改进版本 eGPRS/EDGE 保留了这一优势，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 为连接物联网设备而开发的 LPWAN 无线电技术标准。作为 3GPP CIoT 技术，NB-IoT 与 EC-GSM-IoT 和 LTE-M 相比，进一步定义了物联网通信的无线接口。它在授权频谱带内运行，使用约 180kHz 的窄带宽。NB-IoT 是通过 3GPP 与诺基亚、华为和爱立信等领先电信设备供应商之间的合作而标准化的。

LTE-M

LTE-M（LTE 机器对机器）也称为 eMTC（增强型机器类型通信），是另一种源自 LTE 的 3GPP LPWAN IoT 技术。与 NB-IoT 相比，它支持更高的数据速率和移动性（高达 350 公里/小时）。LTE-M 在授权频谱中运行，与 2G、3G、4G 和 5G 蜂窝网络共存。

LTE-M 最初在 3GPP 版本 12 中被称为低成本 MTC，后来在第 13 版中更名为 eMTC。3GPP 版本中的增强功能扩展了 LTE-M 的功能。版本 14 和 15 支持增强的移动覆盖水平。版本 14 增加了 VoLTE（LTE 语音）功能。版本 15 在此基础上构建了更高移动性物联网设备的新用例。版本 16 继续发展，改进了与 5G 新无线电 (NR) 的共存。

非蜂窝 LPWAN（未经授权频谱）

非蜂窝 LPWAN 在未经授权的 ISM 频段内运行，不依赖于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/网络服务器。除了 LoRa，其他非蜂窝 LPWAN 包括 Sigfox、Weightless、RPMA、Symphony Link、Wize、DASH7 等，它们使用 Sub-GHz 频段，通信速度范围从 100bps 到 250kbps，距离从 2km 到 100km。非蜂窝 LPWAN 通常部署在蜂窝覆盖有限的偏远地区、山区、岛屿以及专用企业网络实施中。

LoRa/LoRaWAN

LoRa是协议栈的 PHY 规范，具体是指 Semtech 开发的专有 Chirp 扩频调制。LoRaWAN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，该联盟正在迅速发展，全球拥有近 500 家成员公司。

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。它非常适合需要小数据有效载荷和城市和农村/偏远地区不频繁通信的应用。单个 LoRaWAN 网关可以处理来自众多节点和终端设备的连接。

Sigfox

Sigfox 是广泛采用的非 3GPP LPWAN 技术之一。它是一种专有的 LPWAN 技术，以首次推出它的公司 Sigfox 命名。它利用超窄带无线电实现超长距离、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。超窄带可能会导致潜在的干扰问题。尽管存在这些限制，Sigfox 仍然是 LPWAN 领域的佼佼者，并在欧洲获得了成功。

Weightless

Weightless特别兴趣小组（Weightless SIG）成立于2008年，旨在标准化LPWAN技术。发起组成员包括埃森哲、M2COMM、ARM、Telensa和索尼欧洲。

Weightless 包括三种针对不同应用场景的变体：Weightless-W、Weightless-N 和 Weightless-P。Weightless-W 在电视空白频段 (TVWS) 中运行，部署更为复杂。Weightless-N 与 Sigfox 类似，是一种在 NWave 使用的 Sub-GHz 未授权频段中运行的窄带协议。总体而言，与 Weightless-W 相比，Weightless-N 和 Weightless-P 受到了更多的关注和部署。

Symphony Link

Symphony Link是由 LoRa 联盟成员公司 Link Labs 开发的 LPWAN 协议。虽然 Link Labs 使用 Semtech 的 LoRa 物理层芯片组，但他们实施了自己的定制 MAC 层软件堆栈 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实现的动态网络扩展。

LPWAN 技术的应用

就范围和功耗而言，LPWAN 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。接下来，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 远程无线收集公用事业消费数据，包括电力、天然气和水。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

在建筑内部，住宅、商业和工业设施都利用 LPWAN 来提高其智能化程度。在家庭环境中，智能家居设备（如智能锁、暖通空调系统和照明）可以通过 LPWAN 进行集成和集中管理。在办公楼和商业建筑中，LPWAN 可以集中监控空间占用情况和门传感器等安全系统。

智能废物管理

智能垃圾管理在智慧城市计划中得到越来越广泛的应用。安装在垃圾桶内的传感器可以监测填充水平，并通过 LPWAN 将数据传输到中央系统。当达到预定的填充水平时，会生成警报以便及时收集和处理。此外，还可以通过为垃圾车配备 LPWAN 跟踪器来获取垃圾车的位置信息。

智能停车

在智能停车系统中，LPWAN技术可以实时监控和管理停车位占用情况。安装在停车位上的传感器可以准确检测占用情况。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。农民可以在田地中安装各种传感器（土壤水分、温度、湿度、光照等）。然后，他们可以利用 LoRaWAN 或其他 LPWAN（如 NB-IoT）从这些传感器远程收集数据。

授权与非授权 LPWAN 的常见比较

鉴于可用的 LPWAN 技术众多，明智的选择至关重要。根据 IoT Analytics 的市场研究估计，到 2024 年，超过97%的 LPWAN 系统将使用 LTE-M、NB-IoT、Sigfox 或 LoRa 技术部署。因此，我们将比较前四种 LPWAN 技术：NB-IoT、LTE-M、Sigfox 和 LoRa。

NB-IoT、LTE-M、LoRaWAN 和 Sigfox 的比较表

做出正确的 LPWAN 选择

NB-IoT 是一种 3GPP LPWAN 技术，利用现有的 LTE/GSM 网络为物联网设备提供低带宽连接。它可提高设备功耗、系统容量、频谱效率和深度覆盖性能，适用于工业、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 的目标应用与 NB-IoT 类似，但带宽更高，可实现更高的数据速率和更严格的安全性，但功耗更高。它适合需要更高吞吐量的应用，例如功率限制不那么严格的视频监控。

Sigfox 和 LoRaWAN 是非 3GPP 技术，在未授权频谱中运行。它们的窄带宽支持超低功耗运行，可从需要多年电池寿命但数据速率受限较低的端点进行不频繁的小有效载荷传输。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 以低成本支持双向设备管理。二者都可以服务于智能农业、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，目前LPWAN 领域处于发展阶段，尚未成熟。由于市场参与者众多，因此尚未明确谁是赢家，尤其是考虑到市场扩张速度的不确定性。每种 LPWAN 变体的长期性能也仍不确定，因为许多变体仍处于初始部署阶段，缺乏全面、大规模的实际测试。

事实上，ABI Research 的研究显示，物联网设备的采用率预计将激增，预计到 2030 年将有53 亿台物联网设备利用 LPWAN 技术。LPWAN 有望成为市场中增长最快的连接领域。推动这一增长的是远程监控等用例的需求，这些用例需要不频繁的数据传输和电池供电操作，而 LPWAN 技术特别适合解决这些特性。

资料来源:MOKO SMART

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