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LPWA技术针对物联网应用需要具备哪些技术特性

2019年10月15日 17:18 次阅读

LPWA的定义

LPWA – Low power wide area, 低功耗广域技术的简称,使用较低功耗实现远距离的无线信号传输。相较于熟悉的低功耗蓝牙(BLE)、Zigbee和Wifi等技术,LPWA的传输距离更远,一般在公里级,其链接预算(link budget)可达160dBm,而BLE和Zigbee等一般在100dBm以下。和传统的蜂窝网络技术(2G、3G)相比,LPWA的功耗更低,电池供电的设备使用寿命可达数年。基于这两个显著特点,LPWA可以真正使能物物互联,助力和引领物联网(IoT)革命。

LPWAN – Low power wide area network,低功耗广域网络,即使用LPWA技术搭建的无线连接网络。LPWAN的网络连接形式可以多种多样,典型的拓扑如图1所示,以数据上传(data uplink)为例,无线终端发送数据信号,基站或者网关接收并将数据传输到云平台,云平台根据设备ID将数据分发到对应的客户服务器。对于私有的LPWAN网络,云端和客户服务器可以是一体的。

LPWA技术针对物联网应用需要具备哪些技术特性

图1典型LPWA网络连接

LPWA的特性

LPWA针对物联网应用的需求,具备以下技术特性:

低功耗

一般的物联网设备无法使用电源直接供电,电池使用寿命即成为首要考虑需求,LPWA对此进行技术优化,使得电池供电设备使用可达数年。例如使用Sigfox技术的终端设备,用AA电池供电即可达10年左右。

远距离

室内或短距离的物联应用,可以使用低功耗蓝牙,Zigbee等无线技术,LPWA针对的是室外或者远距离的无线连接需求,传输速率要求较低,所以传输距离更远,至少在公里级。Sigfox使用超窄带进行数据传输,并且选用较低的传输速率,从而使得设备和基站间的链接预算(link budget)可达160dBm,空旷区域的信号传输距离可达几十公里。

低成本

新技术的普及离不开成本的持续降低,更低的成本可以使得技术应用在更多的领域,尤其是对价格敏感的应用。用于LPWA终端设备的射频模块,随着技术成熟度的提升,应用的普及,设备连接量的增加,其一般价格在5美金之下是可期的。而Sigfox技术很早已经完全达到商业化的成熟度,其终端模块价格甚至可达2美金,对技术的普及起到重要作用。

大容量

传统的无线蜂窝网络首要的连接对象是人,物联网的连接对象是物,而物的数量必将远远超过人的数量,这就要求LPWA网络有更大的容量,避免网络的拥挤和设备间的干扰。Sigfox网络单个基站可以每天处理几百万条设备消息,可以同时接收并处理接近300条消息,而丢包率只有0.5%,保证有很高的网络服务质量(QoS)。

LPWA除了以上显著技术特性外,通常还有低速率,高延迟等特点。

LPWA技术针对物联网应用需要具备哪些技术特性

图2 LPWA技术特性比较

LPWA应用场景

LPWA技术可用于众多物联网应用场景,实现产业的数字化和智能化,从而进一步提高效率和节约成本,促进整个社会劳动生产率的提升。

其典型的应用场景有:

物流定位及追踪–实时上报物流位置及状态信息

资产管理–资产定位,库存状态上报

智能抄表–仪表数字及状态上报

智慧城市–照明,交通,基础实施检测智能化,智能停车等

智慧农业–牲畜追踪管理,土壤检测,智能灌溉等

环境/公用–灾害检测,烟感,空气污染,设备状态,老人看护等

智能家庭–智能家电,家庭安全系统,状态检测上报等

典型LPWA技术

按照对无线频谱的使用性质分类,LPWA可以分为许可频段和公共频段两类技术。

公共频段典型的有Sigfox和LoRa,使用公共的ISM频段,无须支付频谱费用,但仍有政府对频谱的使用进行规范,确保不同技术可以相互兼容,类似BLE和Wifi等。

许可频段即为Cellular-IoT(简称C-IoT)技术,使用政府授权的特定专用无线频段,需要支付频谱费用,传统电信运营商为主体部署和运营网络,技术规范基于蜂窝网络技术,并由3GPP来主导分布。

Sigfox

Sigfox技术由同名的法国Sigfox公司设计研发,成立于2010年,是最早的老牌LPWA玩家,其技术成熟度最高,截至2019年已经在全球60多个国家实现商业化运营。Sigfox在公共频段使用100Hz超窄带频谱调制和传输数据消息,所以在单位频带有更高的功率密度,抗干扰能力更强,适合于使用公共频段进行数据传输。

Sigfox公司提供完整的网络解决方案,包括基站和云端,寻求和依赖当地的合作伙伴在全球开展网络部署及运营,Sigfox提供网络设备及技术支持服务。终端设备是开放的生态系统,任何支持Sigfox协议的射频模块或者芯片都可以连接Sigfox的网络,对于终端设备厂商来说可以有更大的选择空间,和更优惠的价格选项。依托于强大的全球生态系统,Sigfox用户可以得到端到端(终端到云端)的整体解决方案,使其产品能够快速连接到Sigfox网络,并推向市场。

因为Sigfox网络由Sigfox公司为主导进行全球部署,这样能最大程度保证网络服务质量的统一性和稳定性,即全球一张网,用户设备即可以享受到跨国的便利性,不需要漫游服务,又能连接到同等品质的网络,这对于物流或者跨境运行等应用来说尤其有吸引力。

LoRa

LoRa是美国Semtech公司的专有技术,实际是一种采用扩频方案的无线调制解调技术。Semtech在2012年通过并购法国Cycleo公司获得LoRa的IP产权,以此设计制造射频芯片并进行市场销售,是一家纯半导体公司,垄断LoRa芯片的供货。目前Semtech虽然也进行少量LoRa的IP授权,如国内的阿里,但IP是Semtech专有,没有授权任何公司无法设计制造LoRa芯片,所以客户的选择余地很小。

LoRa使用的也是公共频段进行射频信号传输,上层协议及规范由LoRaWan定义,LoRa联盟负责发布和维护。任何人可以购买LoRa芯片或者模块来设计LoRa终端和网关设备,也可以设计或者购买设备来搭建LoRa网络,所以目前多数的LoRa网络都是小区域和私有的,很少有全国性的通用物联网络,而设备和网络间的兼容也是一个很大的挑战。

LoRa通过扩频技术实现高灵敏度,从而能够进行远距离传输,但是网络容量有限,无法高效实现大批量设备信息的并行接收和处理,这对于大面积或全国性的部署是个巨大挑战。

Cellular-IoT

目前主流的Cellular-IoT(C-IoT)技术是指NB-IoT和LTE-M,他们都基于传统的蜂窝网络技术,进行裁剪和优化以适用于物联网的低成本低功耗应用。技术规范由3GPP来定义和分布,基于专有的许可频谱,由传统电信运营商进行网络部署和运营。

因为C-IoT基于传统蜂窝网络技术,所以相比与Sigfox等全新的LPWA定制技术来说,技术复杂度和相应成本功耗等都会更高,类似于3G/4G等,C-IoT终端设备也需要和基站进行连接和附着,协议握手和网络参数配置,而Sigfox终端设备和基站没有任何依赖关系,自主性更高,功耗可控。另外因为对基站的附着,NB-IoT实际上只适用于设备位置固定的应用场景。

全球角度来说,C-IoT网络具有分散性质,各个运营商只能在属地国家或者区域进行部署运营,不同网络的参数配置和服务质量各不相同。以NB-IoT网络为例,总共支持有十多个频带(Band),不同国家或者地区的网络可以使用不用的Band,这对于终端设备来说是更高的成本和技术挑战。而不同网络的服务质量更是无法进行统一和保证,网络间的切换也需要高额的漫游费用,NB-IoT网络甚至不支持漫游。

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