低功耗廣域網LPWAN：不同派系的技術能否共存？
- 2020 年 3 月 5 日
- 筆記
物聯網被認為是繼電腦、互聯網之後，世界資訊產業發展的第三次浪潮，它的出現將大大改變人們現有的生活環境和習慣。智慧家居、工業數據採集等場景通常採用的是短距離通訊技術，但對於廣範圍、遠距離的連接，遠距離通訊技術不可或缺，因此LPWAN應運而生。
在LPWAN出現以前，已存在多種通訊技術，短距離的有wifi、藍牙、zigbee等，長距離的則有2G、3G、4G等，但是如果把這些無線通訊技術按照功耗與傳輸距離這兩個維度分來的話，可以發現在功耗低距離遠這個範圍的技術還有所欠缺，而LPWAN技術的出現正好彌補了這個短板。
如果你想要遠距離無線傳輸資訊，那麼你必須增加訊號功率或減少訊號頻寬。舉個例子：如果水流經管道，而你想把它送到離水源更遠的地方，那麼你要麼必須增加水的壓力（功率），要麼使用更窄的管道（頻寬），或者兩者兼而有之。
初識LPWAN
低功耗廣域網（LPWAN）是一種遠距離低功耗的無線通訊網路。多數 LPWA 技術可以實現幾公里甚至幾十公里的網路覆蓋。由於其網路覆蓋範圍廣、終端功耗低等特點其更適合於大規模的物聯網應用部署。
首先要了解的是，LPWAN不是一種技術，而是各種和形式各異的低功耗、廣域網技術的組合。LPWAN擁有以下主要特點：
低功耗：電池壽命可長達 10 年
遠距離：覆蓋範圍廣，可達幾十公里，在城市環境中的工作範圍通常也超過2km
低數據速率：佔用頻寬小，傳輸的數據量少，通訊頻次低
傳輸時延不敏感：對數據傳輸實時性要求不高
低成本：由於規模大要求部署的成本低
因此，LPWAN是許多物聯網應用的絕佳選擇。例如用於智慧照明、智慧電網和資產跟蹤的城市或大型建築物，以及需要長時間安裝和監測的感測器和儀錶（例如水計量、氣體探測器、智慧農業和遠程門鎖）。
簡而言之，LPWAN適用於長距離傳輸少量數據，同時電池壽命能夠維持多年的應用場景。這是LPWAN與藍牙、RFID、蜂窩M2M和ZigBee等其他無線網路協議的主要區分。
LPWAN的優勢
LPWAN vs蜂窩網路：蜂窩網路主要受電池壽命的影響，並且覆蓋範圍相對也比較小。此外，蜂窩網路技術經常面臨淘汰，美國有3千萬個2G端點因此被棄用。然而，對於許多物聯網設備而言，通常都必須在網路上保留10年，如果蜂窩網路被淘汰並且不再被支援，則對於物聯網設備來說是非常致命的。
LPWAN vs網狀網路：網狀網路例如ZigBee也被應用在物聯網應用中。實際上，許多家庭自動化系統都部署了ZigBee，但ZigBee並不適合LPWA應用。網狀網路僅在中等距離有用，並且不具備LPWAN技術的遠程能力。
更重要的是，網狀網路的電池功耗大，因為每個節點必須不斷地接收和重複相鄰的RF訊號。當感測器擴展到數千個時，ZigBee或其他網狀網路不能充分滿足LPWA應用的需求。
LPWAN的不同技術流派
在物聯網需求爆髮式增長的同時，物聯網技術標準混戰不斷升級，尤其是LPWAN低功耗廣域網路的競爭可謂異常激烈。
LPWAN可分為兩類：一類是工作於未授權頻譜的LoRa、SigFox等技術；另一類是工作於授權頻譜下，3GPP支援的2/3/4G蜂窩通訊技術，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。
授權頻譜
授權頻譜以3GPP主導的NB-IoT為主，支援對現有蜂巢式基礎設施進行軟體更新，例如升級現有的 LTE 和 GSM 基地台。重複利用現有的 3G 或 4G頻譜，可迅速地實現中國和國際的覆蓋與部署。
NB-IoT和LTE-M
NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）即基於蜂窩的窄帶物聯網，具有四大特點：廣覆蓋、低功耗、低成本和大連接，是目前最受青睞的LPWAN技術之一。LTE-M即LTE-Machine-to-Machine，是基於LTE演進的物聯網技術，在R12中叫Low-Cost MTC，在R13中被稱為LTE enhanced MTC (eMTC)，旨在基於現有的LTE載波滿足物聯網設備需求。
具體說來，NB-IoT室內覆蓋能力強，比LTE提升20dB增益，相當於提升了100倍覆蓋區域能力。NB-IoT聚焦小數據量、小速率應用，設備功耗非常小，其電池壽命最長可達到10年。尤其是DRX(不連續接收)技術的使用，讓終端只在需要的時候工作。而在成本方面，NB-IoT簡化射頻硬體、簡化協議和減小基頻複雜度，降低了整體組件成本。
NB-IoT在智慧城市應用方面具有潛在優勢。報告顯示，與LTE-M相比，NB-IoT具有更好的建築物穿透能力。另一方面，LTE-M具有更高的數據速率，這對於數據密集型的用例非常重要，不過採用LTE-M的晶片通常也非常昂貴。
應用場景
LTE-M和NB-IoT是互為補充的低功耗物聯網技術。NB-IoT適合於數據需求有限的用例，而LTE-M支援更強大的功能，可以提供更高的頻寬、移動性和LTE語音服務。它們都可以直接與移動網路連接，而且無需Wi-Fi登錄或藍牙配對。
NB-IoT最適用於簡單的開關設備，包括智慧停車計時器、智慧農業感測器、電錶、工業監控器和樓宇自動化等。LTE-M適用於無人機、資產跟蹤器、車隊跟蹤、智慧手錶、報警面板、寵物跟蹤器、智慧家用電器、病人監護儀、公用事業儀錶等。
非授權頻譜
使用非授權頻段的LPWAN技術包括Sigfox、LoRa、Weightless等，由於使用公開非授權頻段，因此進入門檻低、搭建簡單、商業化進程較快。
LORA
LORA（Long Range Radio，遠距離無線電）聯盟是一個旨在促進和推廣LPWAN技術生態系統的開放的、非盈利性組織。它在北美、歐洲、非洲和亞洲擁有約400家成員公司，其創始成員包括IBM，MicroChip，Cisco，Semtech，Bouygues Telecom，Singtel，KPN，Swisscom，Fastnet和Belgacom。
LoRaWAN是由LoRa聯盟管理的開放標準網路層。然而，它並不是真正開放的，因為實現完整LoRaWAN堆棧的底層晶片只能通過Semtech獲得。LORA的特點是長距離(1-20km)，擁有萬級甚至百萬級的節點數，電池壽命可達3-10年，數據速率可達0.3-50kbps。
LoRa基於Sub-GHz的頻段讓其更能以較低功耗進行遠距離通訊，可使用電池供電或其他能量收集的方式供電。同時，較低的數據速率也延長了電池壽命和增加了網路容量。並且，LoRa訊號對建築的穿透力也很強。
應用場景
LoRa最大特點就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠，實現了低功耗和遠距離的統一，在同等功耗下比傳統的無線射頻通訊距離擴大3-5倍。
LoRa的應用場景包括智慧農業：低功耗低成本的感測器，無通訊資費，多節點；工業資訊化：在工廠的自動化製造和生產中，Lora低成本的感測器配以低功耗和長壽命的電池非常適合用來追蹤設備、監控狀態；物流追蹤：追蹤或者定位市場的一個重要的需求就是終端的電池使用壽命，LoRa在高速移動時通訊相對於NB-IoT更穩定。
SigFox
SigFox成立於2009年，是一家總部位於法國的公司（Sigfox既是公司名稱，也是解決方案）。SigFox擁有龐大的供應商生態系統，包括德州儀器、Silicon Labs和Axom。SigFox是為打造物聯網的無線網路而生的，其優勢在於沒有傳統無線網路的包袱，針對物聯網的特點，壓縮成本、廣泛覆蓋及提升速率，多適用海外智慧製造等場景。
SigFox使用專有技術，以較低的調製速率實現更大的傳輸範圍，SigFox工作在868MHz和902MHz的ISM頻段，消耗很窄的頻寬或功耗。因此，SigFox的最佳適用場景是僅需要發送少量、不頻繁的數據突發的系統應用，例如停車感測器、水表和智慧垃圾桶。其的缺點是當數據發送回感測器/設備（下行鏈路能力）時會受到嚴重限制，並且還會存在訊號干擾問題。
SigFox在歐洲的推廣非常成功，SigFox在全球範圍內有自己的基地台，目前在全球接近60個國家/地區開通了網路。包括除了俄羅斯以外的歐洲主要25個國家，其中西歐很多國家實現了全覆蓋。另外在北美和中國也有覆蓋。拉美則是SigFox網路覆蓋最好的區域。有數據顯示SigFox在巴西的覆蓋率遠遠領先其他LPWAN技術。
LoRa與Sigfox都具有長距離、低功耗的特點，可延長電池壽命，實現大範圍的資訊傳輸，且均使用非授權的Sub-1GHzISM頻段，不需額外付出授權費用。LoRa和Sigfox的每日傳輸次數都有限制，適合在沒有實時通訊需求的領域使用。
Ingenu
Ingenu（之前稱為On-Ramp Wireless）基於多年的研究已經開發出雙向的解決方案，實現了專有的直接序列擴頻調製技術，稱為RPMA（隨機相位多址接入），RPMA的設計目的是在2.4GHz頻段內提供高容量、安全且範圍廣泛的互連方案。
在美國單個RPMA接入點能夠覆蓋176平方米的區域，這比Sigfox和LoRa標準都要大得多，它具有最小的開銷、低延遲和廣播功能，能夠同時向大量設備發送命令，硬體、軟體和其他功能僅限於該公司所提供的，這家公司要搭建自己的公共和私有網路，專用於機器對機器之間的通訊。
Symphony Link
Link Labs是LoRa聯盟成員，因此使用的是LoRa晶片。然而，Link Labs並沒有使用LoRaWAN，而是在Semtech的晶片Symphony Link之上構建了專有的MAC層（軟體）。
Link Labs由約翰霍普金斯大學應用物理實驗室的前成員於2013年創立，總部位於馬里蘭州的安納波利斯。與LoRaWAN相比，Symphony Link增加了一些重要的連接功能，包括有保證的消息接收、無線韌體升級、占空比限制的刪除、中繼器功能和動態範圍。
Weightless SIG
Weightless SIG（特殊興趣小組）成立於2008年，其使命是標準化LPWAN技術。有五個「推廣小組成員」，包括埃森哲，ARM，M2COMM，索尼歐洲和Telensa。
Weightless SIG是唯一真正的開放標準，可在低於1 GHz的免許可頻譜中運行。有三種版本的Weightless可用於不同目的：
- Weightless-W：利用空白（許可電影片段中未使用的本地頻譜）
- Weightless-N：由NWave技術誕生的免授權頻譜窄帶協議
- Weightless-P：M2COMM Platanus技術誕生的雙向協議
其中Weightless-N和Weightless-P更受歡迎，因為Weightless-W電池壽命更短。
Nwave的Weightless-N與SigFox在功能上非常相似，但擁有更好的MAC層實現。它聲稱使用「先進的解調技術」，使其網路能夠與其他無線電技術共存而不會產生額外的噪音。像SigFox一樣，它最適用於基於感測器的網路，溫度讀數，儲罐液位監控，智慧計量和其他此類應用。
Weightless-P標準在12.5 kHz窄帶中使用FDMA + TDMA調製（大於SigFox但小於LoRa）。它還具有自適應數據速率，類似於Symphony Link（200 bps到100 kbps）。靈敏度非常高，在625 bps時為-134 dBm，支援PSK和GMSK調製。對於專用網路，更複雜的用例以及控制上行鏈路數據和下行鏈路數據非常重要的情況，Weightless-P是有意義的。Weightless-P的開發套件現在才剛剛開始上市。
不同派系的技術的部署現狀
Ovum研究機構2019年第四季度IoT＆LPWAN部署報告顯示，截至目前，包含授權頻譜和非授權頻譜在內，全球已宣布的LPWAN部署數量累計達到501張。
LoRa仍是現網中採用最多的技術，但NB-IoT已經逐漸逼近。非授權頻譜LoRa技術在商用現網部署中佔據主導地位，幾乎佔據了三分之一的市場份額（約30.3%）。NB-IoT技術位居第二，截至2019年第三季度末擁有89張商用網路。
儘管授權頻譜LPWAN部署有所增長，但是非授權頻譜LoRa有望保持自己的領先地位。LoRa晶片組提供商Semtech在最近的一次簡報中表示，現在在全球10個國家/地區擁有14張全國性的公共LoRa網路，全球的LoRa技術開發者達到5萬人。該技術擁有超過1億個終端節點（包括專網），並得到了全球120個服務提供商的支援。
但在中國這一情況有所不同。2017年12月13日，工信部無線電管理局發布《微功率短距離無線電發射設備技術要求（徵求意見稿）》，同時中國完成了IMT-2020（5G）候選技術方案的完整提交，其中NB-IoT技術被正式納入5G候選技術集合。而LoRa在中國是沒有授權頻段的。
在晶片研發和供應方面，LoRa晶片製造商只有Semetch一家公司，且是美國企業，而全球主流晶片廠商都能夠提供NB-IoT商用晶片。從這個方面來說，發展NB-IoT更為有利。隨著NB-IoT成為5G物聯網的主流技術，以及中國關於LoRa工作頻段的規定，LoRa未來的發展很有可能會受到影響，但企業究竟是否會放緩LoRa的部署尚未可知。
總結
從演進方向上來看，目前物聯網接入技術朝著低功率、廣覆蓋的方向發展的趨勢日益明顯。未來，5G有望撼動整個LPWAN格局，其低延遲、低功耗和高數據傳輸率的特點是以前無法實現的。3GPP還考慮允許5G技術在非許可頻段（特別是3.5 GHz、5 GHz和60 GHz）中運行，這對非授權LPWAN的影響非常大。總體而言，LPWAN各協議各有特點，未來的發展趨勢更多的會是「互補」，而非「替代」。
參考：
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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