低功耗广域网LPWAN：不同派系的技术能否共存？

物联网被认为是继计算机、互联网之后，世界信息产业发展的第三次浪潮，它的出现将大大改变人们现有的生活环境和习惯。智能家居、工业数据采集等场景通常采用的是短距离通信技术，但对于广范围、远距离的连接，远距离通信技术不可或缺，因此LPWAN应运而生。

在LPWAN出现以前，已存在多种通信技术，短距离的有wifi、蓝牙、zigbee等，长距离的则有2G、3G、4G等，但是如果把这些无线通信技术按照功耗与传输距离这两个维度分来的话，可以发现在功耗低距离远这个范围的技术还有所欠缺，而LPWAN技术的出现正好弥补了这个短板。

如果你想要远距离无线传输信息，那么你必须增加信号功率或减少信号带宽。举个例子：如果水流经管道，而你想把它送到离水源更远的地方，那么你要么必须增加水的压力（功率），要么使用更窄的管道（带宽），或者两者兼而有之。

初识LPWAN

低功耗广域网（LPWAN）是一种远距离低功耗的无线通信网络。多数 LPWA 技术可以实现几公里甚至几十公里的网络覆盖。由于其网络覆盖范围广、终端功耗低等特点其更适合于大规模的物联网应用部署。

首先要了解的是，LPWAN不是一种技术，而是各种和形式各异的低功耗、广域网技术的组合。LPWAN拥有以下主要特点：

低功耗：电池寿命可长达 10 年
远距离：覆盖范围广，可达几十公里，在城市环境中的工作范围通常也超过2km
低数据速率：占用带宽小，传输的数据量少，通信频次低
传输时延不敏感：对数据传输实时性要求不高
低成本：由于规模大要求部署的成本低

因此，LPWAN是许多物联网应用的绝佳选择。例如用于智能照明、智能电网和资产跟踪的城市或大型建筑物，以及需要长时间安装和监测的传感器和仪表（例如水计量、气体探测器、智能农业和远程门锁）。

简而言之，LPWAN适用于长距离传输少量数据，同时电池寿命能够维持多年的应用场景。这是LPWAN与蓝牙、RFID、蜂窝M2M和ZigBee等其他无线网络协议的主要区分。

LPWAN的优势

LPWAN vs蜂窝网络：蜂窝网络主要受电池寿命的影响，并且覆盖范围相对也比较小。此外，蜂窝网络技术经常面临淘汰，美国有3千万个2G端点因此被弃用。然而，对于许多物联网设备而言，通常都必须在网络上保留10年，如果蜂窝网络被淘汰并且不再被支持，则对于物联网设备来说是非常致命的。

LPWAN vs网状网络：网状网络例如ZigBee也被应用在物联网应用中。实际上，许多家庭自动化系统都部署了ZigBee，但ZigBee并不适合LPWA应用。网状网络仅在中等距离有用，并且不具备LPWAN技术的远程能力。

更重要的是，网状网络的电池功耗大，因为每个节点必须不断地接收和重复相邻的RF信号。当传感器扩展到数千个时，ZigBee或其他网状网络不能充分满足LPWA应用的需求。

LPWAN的不同技术流派

在物联网需求爆发式增长的同时，物联网技术标准混战不断升级，尤其是LPWAN低功耗广域网络的竞争可谓异常激烈。

LPWAN可分为两类：一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术；另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。

授权频谱

授权频谱以3GPP主导的NB-IoT为主，支持对现有蜂巢式基础设施进行软件更新，例如升级现有的 LTE 和 GSM 基地台。重复利用现有的 3G 或 4G频谱，可迅速地实现国内和国际的覆盖与部署。

NB-IoT和LTE-M

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）即基于蜂窝的窄带物联网，具有四大特点：广覆盖、低功耗、低成本和大连接，是目前最受青睐的LPWAN技术之一。LTE-M即LTE-Machine-to-Machine，是基于LTE演进的物联网技术，在R12中叫Low-Cost MTC，在R13中被称为LTE enhanced MTC (eMTC)，旨在基于现有的LTE载波满足物联网设备需求。

具体说来，NB-IoT室内覆盖能力强，比LTE提升20dB增益，相当于提升了100倍覆盖区域能力。NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用，设备功耗非常小，其电池寿命最长可达到10年。尤其是DRX(不连续接收)技术的使用，让终端只在需要的时候工作。而在成本方面，NB-IoT简化射频硬件、简化协议和减小基带复杂度，降低了整体组件成本。

NB-IoT在智能城市应用方面具有潜在优势。报告显示，与LTE-M相比，NB-IoT具有更好的建筑物穿透能力。另一方面，LTE-M具有更高的数据速率，这对于数据密集型的用例非常重要，不过采用LTE-M的芯片通常也非常昂贵。

应用场景

LTE-M和NB-IoT是互为补充的低功耗物联网技术。NB-IoT适合于数据需求有限的用例，而LTE-M支持更强大的功能，可以提供更高的带宽、移动性和LTE语音服务。它们都可以直接与移动网络连接，而且无需Wi-Fi登录或蓝牙配对。

NB-IoT最适用于简单的开关设备，包括智能停车计时器、智慧农业传感器、电表、工业监控器和楼宇自动化等。LTE-M适用于无人机、资产跟踪器、车队跟踪、智能手表、报警面板、宠物跟踪器、智能家用电器、病人监护仪、公用事业仪表等。

非授权频谱

使用非授权频段的LPWAN技术包括Sigfox、LoRa、Weightless等，由于使用公开非授权频段，因此进入门坎低、搭建简单、商业化进程较快。

LORA

LORA（Long Range Radio，远距离无线电）联盟是一个旨在促进和推广LPWAN技术生态系统的开放的、非盈利性组织。它在北美、欧洲、非洲和亚洲拥有约400家成员公司，其创始成员包括IBM，MicroChip，Cisco，Semtech，Bouygues Telecom，Singtel，KPN，Swisscom，Fastnet和Belgacom。

LoRaWAN是由LoRa联盟管理的开放标准网络层。然而，它并不是真正开放的，因为实现完整LoRaWAN堆栈的底层芯片只能通过Semtech获得。LORA的特点是长距离(1-20km)，拥有万级甚至百万级的节点数，电池寿命可达3-10年，数据速率可达0.3-50kbps。

LoRa基于Sub-GHz的频段让其更能以较低功耗进行远距离通信，可使用电池供电或其他能量收集的方式供电。同时，较低的数据速率也延长了电池寿命和增加了网络容量。并且，LoRa信号对建筑的穿透力也很强。

应用场景

LoRa最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，在同等功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。

LoRa的应用场景包括智慧农业：低功耗低成本的传感器，无通信资费，多节点；工业信息化：在工厂的自动化制造和生产中，Lora低成本的传感器配以低功耗和长寿命的电池非常适合用来追踪设备、监控状态；物流追踪：追踪或者定位市场的一个重要的需求就是终端的电池使用寿命，LoRa在高速移动时通信相对于NB-IoT更稳定。

SigFox

SigFox成立于2009年，是一家总部位于法国的公司（Sigfox既是公司名称，也是解决方案）。SigFox拥有庞大的供应商生态系统，包括德州仪器、Silicon Labs和Axom。SigFox是为打造物联网的无线网络而生的，其优势在于没有传统无线网络的包袱，针对物联网的特点，压缩成本、广泛覆盖及提升速率，多适用海外智能制造等场景。

SigFox使用专有技术，以较低的调制速率实现更大的传输范围，SigFox工作在868MHz和902MHz的ISM频段，消耗很窄的带宽或功耗。因此，SigFox的最佳适用场景是仅需要发送少量、不频繁的数据突发的系统应用，例如停车传感器、水表和智能垃圾桶。其的缺点是当数据发送回传感器/设备（下行链路能力）时会受到严重限制，并且还会存在信号干扰问题。

SigFox在欧洲的推广非常成功，SigFox在全球范围内有自己的基站，目前在全球接近60个国家/地区开通了网络。包括除了俄罗斯以外的欧洲主要25个国家，其中西欧很多国家实现了全覆盖。另外在北美和中国也有覆盖。拉美则是SigFox网络覆盖最好的区域。有数据显示SigFox在巴西的覆盖率远远领先其他LPWAN技术。

LoRa与Sigfox都具有长距离、低功耗的特点，可延长电池寿命，实现大范围的信息传输，且均使用非授权的Sub-1GHzISM频段，不需额外付出授权费用。LoRa和Sigfox的每日传输次数都有限制，适合在没有实时通讯需求的领域使用。

Ingenu

Ingenu（之前称为On-Ramp Wireless）基于多年的研究已经开发出双向的解决方案，实现了专有的直接序列扩频调制技术，称为RPMA（随机相位多址接入），RPMA的设计目的是在2.4GHz频段内提供高容量、安全且范围广泛的互连方案。

在美国单个RPMA接入点能够覆盖176平方米的区域，这比Sigfox和LoRa标准都要大得多，它具有最小的开销、低延迟和广播功能，能够同时向大量设备发送命令，硬件、软件和其他功能仅限于该公司所提供的，这家公司要搭建自己的公共和私有网络，专用于机器对机器之间的通信。

Symphony Link

Link Labs是LoRa联盟成员，因此使用的是LoRa芯片。然而，Link Labs并没有使用LoRaWAN，而是在Semtech的芯片Symphony Link之上构建了专有的MAC层（软件）。

Link Labs由约翰霍普金斯大学应用物理实验室的前成员于2013年创立，总部位于马里兰州的安纳波利斯。与LoRaWAN相比，Symphony Link增加了一些重要的连接功能，包括有保证的消息接收、无线固件升级、占空比限制的删除、中继器功能和动态范围。

Weightless SIG

Weightless SIG（特殊兴趣小组）成立于2008年，其使命是标准化LPWAN技术。有五个“推广小组成员”，包括埃森哲，ARM，M2COMM，索尼欧洲和Telensa。

Weightless SIG是唯一真正的开放标准，可在低于1 GHz的免许可频谱中运行。有三种版本的Weightless可用于不同目的：

• Weightless-W：利用空白（许可电视频段中未使用的本地频谱）
• Weightless-N：由NWave技术诞生的免授权频谱窄带协议
• Weightless-P：M2COMM Platanus技术诞生的双向协议

其中Weightless-N和Weightless-P更受欢迎，因为Weightless-W电池寿命更短。

Nwave的Weightless-N与SigFox在功能上非常相似，但拥有更好的MAC层实现。它声称使用“先进的解调技术”，使其网络能够与其他无线电技术共存而不会产生额外的噪音。像SigFox一样，它最适用于基于传感器的网络，温度读数，储罐液位监控，智能计量和其他此类应用。

Weightless-P标准在12.5 kHz窄带中使用FDMA + TDMA调制（大于SigFox但小于LoRa）。它还具有自适应数据速率，类似于Symphony Link（200 bps到100 kbps）。灵敏度非常高，在625 bps时为-134 dBm，支持PSK和GMSK调制。对于专用网络，更复杂的用例以及控制上行链路数据和下行链路数据非常重要的情况，Weightless-P是有意义的。Weightless-P的开发套件现在才刚刚开始上市。

不同派系的技术的部署现状

Ovum研究机构2019年第四季度IoT＆LPWAN部署报告显示，截至目前，包含授权频谱和非授权频谱在内，全球已宣布的LPWAN部署数量累计达到501张。

LoRa仍是现网中采用最多的技术，但NB-IoT已经逐渐逼近。非授权频谱LoRa技术在商用现网部署中占据主导地位，几乎占据了三分之一的市场份额（约30.3%）。NB-IoT技术位居第二，截至2019年第三季度末拥有89张商用网络。

尽管授权频谱LPWAN部署有所增长，但是非授权频谱LoRa有望保持自己的领先地位。LoRa芯片组提供商Semtech在最近的一次简报中表示，现在在全球10个国家/地区拥有14张全国性的公共LoRa网络，全球的LoRa技术开发者达到5万人。该技术拥有超过1亿个终端节点（包括专网），并得到了全球120个服务提供商的支持。

但在中国这一情况有所不同。2017年12月13日，工信部无线电管理局发布《微功率短距离无线电发射设备技术要求（征求意见稿）》，同时我国完成了IMT-2020（5G）候选技术方案的完整提交，其中NB-IoT技术被正式纳入5G候选技术集合。而LoRa在我国是没有授权频段的。

在芯片研发和供应方面，LoRa芯片制造商只有Semetch一家公司，且是美国企业，而全球主流芯片厂商都能够提供NB-IoT商用芯片。从这个方面来说，发展NB-IoT更为有利。随着NB-IoT成为5G物联网的主流技术，以及国内关于LoRa工作频段的规定，LoRa未来的发展很有可能会受到影响，但企业究竟是否会放缓LoRa的部署尚未可知。

总结

从演进方向上来看，目前物联网接入技术朝着低功率、广覆盖的方向发展的趋势日益明显。未来，5G有望撼动整个LPWAN格局，其低延迟、低功耗和高数据传输率的特点是以前无法实现的。3GPP还考虑允许5G技术在非许可频段（特别是3.5 GHz、5 GHz和60 GHz）中运行，这对非授权LPWAN的影响非常大。总体而言，LPWAN各协议各有特点，未来的发展趋势更多的会是“互补”，而非“替代”。

参考：
http://www.elecfans.com/iot/1145417.html
http://www.iotworld.com.cn/html/News/201810/4b91fa4cc58f52b7.shtml
https://www.iotforall.com/iot-connectivity-comparison-lora-sigfox-rpma-lpwan-technologies/
http://www.elecfans.com/d/1153342.html
http://www.elecfans.com/iot/1157961.html
https://www.ithome.com/0/459/862.htm

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