采用LP-WAN的智慧城市和智能建筑无线设计

分析师预测，到2023年，低功耗广域网（LP-WAN）上的设备可能超过10亿。本文解释了为什么这些网络的RF特性使其非常适合智能建筑应用，如资产跟踪和泄漏检测，以及带传感器的智能停车应用。我们还为设备设计提供一些建议。

什么是LP-WAN？

LP-WAN是使用低于1GHz频率的无线网络。这种网络多年来一直用于M2M（机器对机器）流量。它们提供了低功耗、安全性、远程和移动工作的综合优势——因此，它们的受欢迎程度随着物联网的扩展而增长。

四种技术主导着该行业：NB-IoT，LTE-M，LoRa-WAN和SigFox。所有这些都以低比特率提供远程通信，适用于M2M流量的小型间歇性数据包。

LoRa 通常使用这些频率： 433 兆赫在亚洲， 868 兆赫在欧洲， 915兆赫在， 在美国.NB-IoT使用每个国家/地区可用的移动网络运营商频段，通常为700 MHz、800 MHz或900 MHz。

低频射频

无线电波长在低频时较长，在高频下较短。更高的频率可以承载更多的数据，但它们的信号损失在更长的距离上以及在墙壁和砖石阻碍传输的建筑物内更大。

无线电波可以穿过不同的大气条件、大多数建筑材料和茂密的树叶。然而，在波长较长的较低频率下，来自墙壁和建筑物等障碍物的信号吸收或损失比在较高频率下要少，因此信号可以传播得更远并且需要更少的功率。这意味着频率低于1GHz的LP-WAN可以以较低的数据速度覆盖更长的距离。

这也意味着在更多的城市地区，无线电信号可以更容易地穿过建筑物到达地下，而在更多的农村地区，LP-WAN信号将传播更远的距离，使其有利于智能农业（例如，跟踪牲畜或使用传感器监测土壤湿度）。LP-WAN连接不如宽带快，但它们以低功耗要求和低运营成本提供有用的远程通信。

为什么LP-WAN适用于智能建筑和智慧城市

从技术角度来看，LP-WAN是低数据速率应用的有吸引力的选择。它可以在相当长的范围内运行 - 2公里到15公里的距离是可行的 - 并且连接比蜂窝网络便宜。数据包大小可以从 10 到 1，000 字节，上行链路速度可以快到 200 Kbps。这使得LP-WAN能够完美地支持具有小数据包的应用，同时消耗很少的功率。对于分布在网络中的大型电池供电设备队列来说，这是一个很大的优势。

这些功能使LP-WAN适用于跟踪车辆和集装箱以及连接传感器网络以测量位置，振动，温度，负载和速度。在智能城市中，各种应用都是可能的：在停车位中带有传感器的智能停车应用，以帮助市民找到可用的停车位;仅在有人在附近时才打开的照明;可以监测供水服务是否有泄漏或污染的迹象。

LP-WAN是大规模物联网部署或传感器网络的不错选择，其中设备只需要低功耗，数据包相对较小，并且时序不太关键。

LP-WAN提供了一种有效的方法来远程监控设备，如果设备难以通过其他方式到达，例如，当它们位于偏远地区或危险的地方时。它还适用于连接通常位于地下室或地下的智能电表。

许可或未许可网络？

四种领先的无线技术都使用相似的频率，并提供广泛的覆盖范围和可扩展性。但是，它们具有不同的技术和商业特征。

NB-IoT使用非常窄的信道频率带宽并提供更长的范围，而LTE-M适用于传输距离较短的移动设备。LTE-M具有比NB-IoT更高的数据速率和更低的延迟，并支持非静止和在基站之间移动的设备。NB-IoT和LTE-M都需要蜂窝覆盖，而农村地区可能并不总是可用。

此外，NB-IoT和LTE-M使用获得许可的蜂窝频率（使用它们需要付费），但它们受到干扰的影响较小，服务质量更高。蜂窝频段提供更高的速度和可靠性，这使得NB-IoT和LTE-M适用于关键任务工作，例如一旦检测到泄漏就关闭燃气阀。它们通常最适合可能需要QOS的计量应用。

对于数据要求较小的应用程序，SigFox和LoRa可能更适合。SigFox和LoRaWAN不受监管，但在这些网络上，没有什么可以防止干扰的。

SigFox 和 LoRa 都在未经许可的频段中运行，可以以较低的功耗覆盖很远的距离，但数据速度较慢，消息发送频率受到限制。此外，数据有效负载通常一次小于 100 字节。解决方案提供商还可以选择使用 SigFox 或 LoRa 构建自己的专用网络并安装自己的网关。

物联网设备通常设计为无需更换电池即可原位运行 8-10 年，LP-WAN 网络效率很高，因为网络上的设备大部分时间都处于睡眠状态，只有在发送消息时才唤醒。因此，设备设计人员应保持简短的数据消息，以延长电池寿命。

为 LP-WAN 设计无线设备

无线设备的好坏取决于它的天线。如果天线断开连接，或者其辐射效率以某种方式受到影响，则产品将停止按设计运行。天线是设备与网络之间的接口，天线的效率和增益是决定信号可以传播多远的两个关键因素。这意味着在设备中正确放置更高效、性能更高的天线将使设备在现实世界中在其网络上表现得更好。

天线可以在自由空间中完美工作，但在现实环境中的行为有所不同。无线电波会遭受折射、偏振、衍射和吸收。特别是，设备的金属部件和外壳会引起反射，人体的某些部分会引起吸收。这可能导致天线失谐并耗尽电池电量，因为它必须增加无线电的发射功率以补偿较低的天线性能。对于 LoRa 或 Sigfox， 发射器无法调整功率水平， 因此范围缩短了。

如果一个设备内有多个天线，通常会产生耦合效应，可以吸收无线电的发射功率。确定正确的射频性能的唯一方法是小心放置每个天线以确保预期性能，并在消声室中测试设计 - 首先将天线放在自由空间中，然后引入用例场景以确保设备按预期运行。

重要的是将天线放置在设计中，以便它能够以最有效的方式进行辐射，而不会迫使发射器以最大功率运行，从而耗尽电池寿命。这就是为什么天线专家建议设计人员在设计过程的早期解决天线的集成问题。

审核编辑：郭婷