現今，我們使用的都是智能手機，智能手機會消耗較多的功耗來發送大量的數據，當手機沒電時，我們可以在家里或公共區域便捷的充電。但是，許多物聯網應用并不能做到這點，例如偏遠地區的農業土壤監測或氣候監測設備，需要傳感器以單個電池充電的方式，在幾年甚至十年內周期性地傳輸小數據包的信息。

LPWAN：傳統通信方式的革新

但是，那些遠程的、分散的IoT應用程序面臨著一個簡單的物理問題：如果用戶想要遠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，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？他們為什么重要？在本文中，小編將介紹LPWAN，關注一個特定的LPWAN協議：LoRaWAN開放標準。

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LPWAN簡史

在2000年代，SigFox普及了LPWANS作為一種有效替代蜂窩網絡的功率需求和許可成本的技術。法國初創公司CyCyo研發了較為熱門的低功率RF半導體IP，Semtech于2012年收購了這家企業，以鞏固其低功耗RF產品組合。Semtech現在控制LoRa協議下的一些核心IP，實際上已成為非蜂窩LPWAN協議，盡管Sigfox最近宣布了新的全球擴展方案。

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主要的移動運營商、3GPP及全球蜂窩標準機構，對Sigfox和Cycleo（Semtech）創建物聯網專用LPWAN的方式不滿意。于是，3GPP開始將LTE-Cat M1和NB-IoT（窄帶物聯網）標準化并推廣為蜂窩LPWAN，其主要在許可頻帶內運行。

當前的物聯網更多的是設計成蜂窩網絡，但是非蜂窩的LPWAN也不容小視，一些對LoRa技術樂觀的人甚至預測，2019年40%的LPWAN連接將會采用LoRa技術。

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——這是以前無法實現的組合。 3GPP還在考慮允許5G技術在非許可頻段中工作，特別是3.5 GHz、5 GHz和60 GHz，以進一步在非蜂窩LPWAN領域攻城略地。 然而，由于3GPP現在才剛剛完成5G標準，Verizon和AT＆T等運營商也才剛剛開始試用第一批5G網絡，還有很多準備工作要做。

作為解決方案的LPWAN

基本上，解決方案供應商設計設備用例若需要跨越十多英里的距離、周期性地發送少量數據，并且需要持續多年使用單塊電池進行設備供電。那么，這些IoT系統用例，LPWAN均可滿足。

LPWAN通過讓物聯網設備從外部觸發或在預先編程的時間間隔中喚醒，即周期性地或不頻繁地發送更新狀態、報告等，從而實現這一壯舉。然而，隨著蜂窩LPWAN的出現，現在在“低功率”和“廣域”的定義方面具有更大的靈活性，如下圖所示。

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LPWAN的一些核心優勢

基于LPWAN的物聯網系統設計都很受歡迎，因為它們成本低，電池壽命長，而且可以遠程運行。對于許多用例來說，這是一個很好的組合。

LPWAN是需要在遠程定期或不定期地傳輸數據的某些用例的理想解決方案。譬如智能垃圾處理儀表、智能停車計時器或土壤及水質傳感器。鑒于LPWAN數據包的范圍和相對簡單性，傳感器甚至可以從地下，惡劣的氣候以及遠離網關或塔樓的情況進行報告。許多LPWAN還具有簡單的體系結構和已建立的協議，使它們相對容易、可靠且有效地進行大規模部署。

LPWAN的一些基本限制

技術用例局限性。更確切地說，沒有一種技術的用例是百搭的。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據的用例。LPWAN通常攜帶從300bit/s秒--50Kbit/s的分組。還記得56 kbit / s（或“撥號”互聯網嗎）？大多數數據是通過撥號傳輸，而非LPWAN。大多數用戶不會在LPWAN上發送貓圖片，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，因為它們通常在未經許可的頻段中運行，如政府公開的工業，科學和醫療（“ISM”）頻段。常見的美國ISM頻段有915 MHz、2.4 GHz和5 GHz。LPWAN解決方案通常運行在902-928 MHz的ISM頻段，略低于GHz的門檻。露天LPWAN設備，例如在建筑物或塔樓頂部，在這些sub-GHz頻段內發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。但是對于許多關鍵物聯網應用（“MC-IoT”），例如醫療應用和自動駕駛汽車，這種干擾可能是災難性的。我們可將其歸結為了解用戶的物聯網用例的復雜性以及網絡如何與當地無線電和物理環境的局限性相互作用。

LoRaWAN開放標準

LoRa聯盟是一個非營利組織，由500家成員公司組成，致力于利用“LoRaWAN開放標準”作為一種部署LPWAN大規模集成、連貫和可互操作的方式。該聯盟創建了LPWAN設備制造商和解決方案供應商所遵循的標準和協議。LoRa聯盟類似于3GPP，它標準化蜂窩技術，但LoRa是公司業務的一部分，而3GPP是一個標準組織。

LoRa聯盟維護“LoRaWAN開放標準”并證明新的IoT設備符合其規范。經LoRaWAN認證的設備使用專有的射頻調制方案，將信號擴展出去，以提高接收器靈敏度，同時降低數據傳輸速率。

想象一下，你正在參加一個大規模的戶外節日，試圖傳遞數百米的低語幾乎是不可能的。這個時候LoRa通過發送簡單的消息（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境中遠距離接收這些調制的CHIRP。隨著終端節點設備從越來越遠的距離向網關RF接收器發送信息，擴頻因子（調制），有效載荷大小（數據量）和數據速率（傳輸速度）都逐漸減小。

LoRaWAN系統的核心特征

遠程（城市> 5公里，郊區> 10公里，視線> 80公里）

電池壽命長（> 10年）

成本低（<$ 5 /模塊）

低數據速率（0.3 bps - 50 kbps，通常約為10 kB /天）

支持本地化

雙向傳播

安全

在未經許可的光譜中操作

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結語

Verizon和AT＆T等主要移動電話服務提供商從智能手機獲得了很穩定的收入，他們可以負擔得起建構LTE-Cat M1和NB-IoT等蜂窩LPWAN網絡的成本。正因為如此，LORA聯盟有理由予以對此進行關注。

圖片來源：多技術系統

5G肯定會改變LPWAN格局，NB-IoT適用于LPWAN應用，而LTE-Cat M1非常適用于關鍵任務或數據密集型的LPWAN應用。3GPP肯定會撼動LPWAN領域，但正如Link Labs公司的Brian Ray所說，如果聯盟成員的LoRaWAN技術有所突破，那么LoRaWAN開放標準可能會持續被使用。編譯自：iotforall