LPWAN和LoRaWAN開放標(biāo)準(zhǔn)是什么有什么作用

工業(yè)應(yīng)用要求設(shè)備在單個電池上遠(yuǎn)程發(fā)送少量數(shù)據(jù)，對此，低功耗廣域網(wǎng)（LANPW）就是不錯的選擇。LoRaWAN開放標(biāo)準(zhǔn)是一種接受范圍廣且有效的LANPW協(xié)議。

現(xiàn)今，我們使用的都是智能手機(jī)，智能手機(jī)會消耗較多的功耗來發(fā)送大量的數(shù)據(jù)，當(dāng)手機(jī)沒電時，我們可以在家里或公共區(qū)域便捷的充電。但是，許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用并不能做到這點(diǎn)，例如偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)業(yè)土壤監(jiān)測或氣候監(jiān)測設(shè)備，需要傳感器以單個電池充電的方式，在幾年甚至十年內(nèi)周期性地傳輸小數(shù)據(jù)包的信息。

LPWAN：傳統(tǒng)通信方式的革新

但是，那些遠(yuǎn)程的、分散的IoT應(yīng)用程序面臨著一個簡單的物理問題：如果用戶想要遠(yuǎn)程周期性地傳輸信息，那就必須增加信號功率或降低信號帶寬。試想一下：如果水流過管道，并且想要水流的更遠(yuǎn)，那要么必須增加水后面的壓力（功率），要么使用更窄的管道（帶寬），要么兩者兼有。

你可能聽說過LPWAN和LoRaWAN這兩個詞，但并不知道它們是什么。你可能想知道，是什么LPWAN？什么是LoRaWAN？他們?yōu)槭裁粗匾?？在本文中，小編將介紹LPWAN，關(guān)注一個特定的LPWAN協(xié)議：LoRaWAN開放標(biāo)準(zhǔn)。

圖片來源：ReelyActive

LPWAN簡史

在2000年代，SigFox普及了LPWANS作為一種有效替代蜂窩網(wǎng)絡(luò)的功率需求和許可成本的技術(shù)。法國初創(chuàng)公司CyCyo研發(fā)了較為熱門的低功率RF半導(dǎo)體IP，Semtech于2012年收購了這家企業(yè)，以鞏固其低功耗RF產(chǎn)品組合。Semtech現(xiàn)在控制LoRa協(xié)議下的一些核心IP，實(shí)際上已成為非蜂窩LPWAN協(xié)議，盡管Sigfox最近宣布了新的全球擴(kuò)展方案。

圖片來源：鏈接實(shí)驗(yàn)室

主要的移動運(yùn)營商、3GPP及全球蜂窩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，對Sigfox和Cycleo（Semtech）創(chuàng)建物聯(lián)網(wǎng)專用LPWAN的方式不滿意。于是，3GPP開始將LTE-Cat M1和NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）標(biāo)準(zhǔn)化并推廣為蜂窩LPWAN，其主要在許可頻帶內(nèi)運(yùn)行。

當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)更多的是設(shè)計(jì)成蜂窩網(wǎng)絡(luò)，但是非蜂窩的LPWAN也不容小視，一些對LoRa技術(shù)樂觀的人甚至預(yù)測，2019年40%的LPWAN連接將會采用LoRa技術(shù)。

5G有望撼動整個LPWAN格局。它集低延遲、低功耗和高速率于一身——這是以前無法實(shí)現(xiàn)的組合。 3GPP還在考慮允許5G技術(shù)在非許可頻段中工作，特別是3.5 GHz、5 GHz和60 GHz，以進(jìn)一步在非蜂窩LPWAN領(lǐng)域攻城略地。 然而，由于3GPP現(xiàn)在才剛剛完成5G標(biāo)準(zhǔn)，Verizon和AT＆T等運(yùn)營商也才剛剛開始試用第一批5G網(wǎng)絡(luò)，還有很多準(zhǔn)備工作要做。

作為解決方案的LPWAN

基本上，解決方案供應(yīng)商設(shè)計(jì)設(shè)備用例若需要跨越十多英里的距離、周期性地發(fā)送少量數(shù)據(jù)，并且需要持續(xù)多年使用單塊電池進(jìn)行設(shè)備供電。那么，這些IoT系統(tǒng)用例，LPWAN均可滿足。

LPWAN通過讓物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備從外部觸發(fā)或在預(yù)先編程的時間間隔中喚醒，即周期性地或不頻繁地發(fā)送更新狀態(tài)、報(bào)告等，從而實(shí)現(xiàn)這一壯舉。然而，隨著蜂窩LPWAN的出現(xiàn)，現(xiàn)在在“低功率”和“廣域”的定義方面具有更大的靈活性，如下圖所示。

圖片來源：華為

LPWAN的一些核心優(yōu)勢

基于LPWAN的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)都很受歡迎，因?yàn)樗鼈兂杀镜?，電池壽命長，而且可以遠(yuǎn)程運(yùn)行。對于許多用例來說，這是一個很好的組合。

LPWAN是需要在遠(yuǎn)程定期或不定期地傳輸數(shù)據(jù)的某些用例的理想解決方案。譬如智能垃圾處理儀表、智能停車計(jì)時器或土壤及水質(zhì)傳感器。鑒于LPWAN數(shù)據(jù)包的范圍和相對簡單性，傳感器甚至可以從地下，惡劣的氣候以及遠(yuǎn)離網(wǎng)關(guān)或塔樓的情況進(jìn)行報(bào)告。許多LPWAN還具有簡單的體系結(jié)構(gòu)和已建立的協(xié)議，使它們相對容易、可靠且有效地進(jìn)行大規(guī)模部署。

LPWAN的一些基本限制

技術(shù)用例局限性。更確切地說，沒有一種技術(shù)的用例是百搭的。LPWAN非常適合上述場景，但是，它們不適合需要頻繁或大量傳輸數(shù)據(jù)的用例。LPWAN通常攜帶從300bit/s秒--50Kbit/s的分組。還記得56 kbit / s（或“撥號”互聯(lián)網(wǎng)嗎）？大多數(shù)數(shù)據(jù)是通過撥號傳輸，而非LPWAN。大多數(shù)用戶不會在LPWAN上發(fā)送貓圖片，小狗視頻或漫無邊際的語音郵件，那就是物非所用了。

信號易受干擾，因?yàn)樗鼈兺ǔＴ谖唇?jīng)許可的頻段中運(yùn)行，如政府公開的工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)療（“ISM”）頻段。常見的美國ISM頻段有915 MHz、2.4 GHz和5 GHz。LPWAN解決方案通常運(yùn)行在902-928 MHz的ISM頻段，略低于GHz的門檻。露天LPWAN設(shè)備，例如在建筑物或塔樓頂部，在這些sub-GHz頻段內(nèi)發(fā)送微弱信號可能會受到高于GHz邊界的高能信號的干擾。

通常，這種干擾無關(guān)緊要。好比說錯過了一些土壤測試間隔，無傷大雅。但是對于許多關(guān)鍵物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（“MC-IoT”），例如醫(yī)療應(yīng)用和自動駕駛汽車，這種干擾可能是災(zāi)難性的。我們可將其歸結(jié)為了解用戶的物聯(lián)網(wǎng)用例的復(fù)雜性以及網(wǎng)絡(luò)如何與當(dāng)?shù)責(zé)o線電和物理環(huán)境的局限性相互作用。

LoRaWAN開放標(biāo)準(zhǔn)

LoRa聯(lián)盟是一個非營利組織，由500家成員公司組成，致力于利用“LoRaWAN開放標(biāo)準(zhǔn)”作為一種部署LPWAN大規(guī)模集成、連貫和可互操作的方式。該聯(lián)盟創(chuàng)建了LPWAN設(shè)備制造商和解決方案供應(yīng)商所遵循的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。LoRa聯(lián)盟類似于3GPP，它標(biāo)準(zhǔn)化蜂窩技術(shù)，但LoRa是公司業(yè)務(wù)的一部分，而3GPP是一個標(biāo)準(zhǔn)組織。

LoRa聯(lián)盟維護(hù)“LoRaWAN開放標(biāo)準(zhǔn)”并證明新的IoT設(shè)備符合其規(guī)范。經(jīng)LoRaWAN認(rèn)證的設(shè)備使用專有的射頻調(diào)制方案，將信號擴(kuò)展出去，以提高接收器靈敏度，同時降低數(shù)據(jù)傳輸速率。

想象一下，你正在參加一個大規(guī)模的戶外節(jié)日，試圖傳遞數(shù)百米的低語幾乎是不可能的。這個時候LoRa通過發(fā)送簡單的消息（LoRa CHIRP信號）可解決這類問題，這些消息的傳輸可以避免噪聲干擾。

LoRaWAN接收器可以在嘈雜的環(huán)境中遠(yuǎn)距離接收這些調(diào)制的CHIRP。隨著終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備從越來越遠(yuǎn)的距離向網(wǎng)關(guān)RF接收器發(fā)送信息，擴(kuò)頻因子（調(diào)制），有效載荷大?。〝?shù)據(jù)量）和數(shù)據(jù)速率（傳輸速度）都逐漸減小。

LoRaWAN系統(tǒng)的核心特征

遠(yuǎn)程（城市> 5公里，郊區(qū)> 10公里，視線> 80公里）

電池壽命長（> 10年）

成本低（<$ 5 /模塊）

低數(shù)據(jù)速率（0.3 bps - 50 kbps，通常約為10 kB /天）

支持本地化

雙向傳播

安全

在未經(jīng)許可的光譜中操作

圖片來源：Pearson

結(jié)語

Verizon和AT＆T等主要移動電話服務(wù)提供商從智能手機(jī)獲得了很穩(wěn)定的收入，他們可以負(fù)擔(dān)得起建構(gòu)LTE-Cat M1和NB-IoT等蜂窩LPWAN網(wǎng)絡(luò)的成本。正因?yàn)槿绱耍琇ORA聯(lián)盟有理由予以對此進(jìn)行關(guān)注。

圖片來源：多技術(shù)系統(tǒng)

5G肯定會改變LPWAN格局，NB-IoT適用于LPWAN應(yīng)用，而LTE-Cat M1非常適用于關(guān)鍵任務(wù)或數(shù)據(jù)密集型的LPWAN應(yīng)用。3GPP肯定會撼動LPWAN領(lǐng)域，但正如Link Labs公司的Brian Ray所說，如果聯(lián)盟成員的LoRaWAN技術(shù)有所突破，那么LoRaWAN開放標(biāo)準(zhǔn)可能會持續(xù)被使用。