纵论物联网(二):LPWAN技术

不同的物联网技术适用于不同的应用场景。对于需要远距离大范围覆盖的场景来说,我们熟悉的蓝牙、WiFi、Zigbee这些技术都不适合,我们需要低功耗广域网(LPWAN:Low Power Wide Area Network)技术。

LPWAN技术的特点是:

覆盖远,支持大范围组网;连接终端节点多,可以同时连接成千上万的节点;功耗低,只有功耗低,才能保证续航能力,减少更换电池的麻烦;传输速率低,因为主要是传输一些传感数据和控制指令,不需要传输音视频等多媒体数据,所以也就不需要太高的速率,而且低功率也限制了传输速率。
当然还有就是成本要低,这样才有应用推广的可能性。本文主要介绍一些目前比较有代表性的LPWAN技术,特别是使用免授权频段的无线技术。
无线物联原本是GPRS的天下
当移动蜂窝网络发展处于2G、3G和4G时代,对于需要广域覆盖的物联网应用来说,比如物流行业的车辆定位与跟踪,或者无人值守系统的故障监控,一般都采用传统的GPRS技术。
但GPRS数据传输单元(DTU: Data Transfer unit)的功耗和续航能力都不够理想,而且受限于GPRS网络的覆盖,对于没有GPRS信号就没法使用GPRS来传输数据了。

GPRS的物联网应用架构图

为了应对日益强烈的物联网需求,国际电联ITU-T也在LTE以及后续的5G移动通信标准中推进适合物联网应用的广域网标准,如eMTC、NB-IoT等,目前这些新的M2M技术标准尚未达到可大规模商用的成熟度。
在移动蜂窝网络面向物联网的新标准推出前,也有很多公司和组织开发了比GPRS更低功耗且容易部署的替代方案,一些方案目前正在被广泛应用中,比如LoRa,SigFox等。
SigFox
2009年,法国公司SigFox展示了自己的超窄带(UNB: Ultra Narrow Band)技术,被业界视为是LPWAN领域最早的开拓者。UNB技术每秒只能处理10到1000比特的数据,传输功耗水平非常低,却能支持成千上万的连接。
SigFox无线链路使用免授权的ISM射频频段。频率根据国家法规有所不同,在欧洲广泛使用868MHz,在美国是915MHz。SIGFOX网络中单元的密度,在农村地区大约30-50km,在城市中常有更多的障碍物和噪声距离可能减少到3-10km之间。
SigFox的UNB技术使用标准的二进制相移键控(BPSK: Binary Phase Shift Keying)的无线传输方法,采用非常窄的频谱改变无线载波相位对数据进行编码。

SigFox公司不仅是标准的制定者,同时也是网络运营者和云平台提供商,目标是与合作伙伴建造一个覆盖全球的IoT网络,独立于现有电信运营商的移动蜂窝网络。目前SigFox在欧洲已经部署了不少网络,在中国还没有部署。
LoRa
LoRa是美国Semtech公司推广的一种超远距离无线传输方案。2013年8月,Semtech公司发布了一种基于1GHz以下的超长距低功耗数据传输技术的芯片, LoRa是长距离(Long Range)的缩写。

其接受灵敏度达到了惊人的-148dbm,与业界其他先进水平的sub-GHz芯片相比,最高的接收灵敏度改善了20db以上,这确保了网络连接可靠性。
LoRa使用线性调频扩频调制技术,工作在非授权频段,数据传输速率在0.3kbps~37.5kbps。LoRa还采用了自适应速率(ADR: Adaptive Data Rate)方案来控制速率和终端设备的发射功率,从而最大化终端设备的续航能力。
LoRa与Sigfox最大的不同之处在于LoRa是技术提供商,不是网络运营商。谁都可以购买和运行LoRa设备,LoRa联盟也鼓励电信运营商部署LoRa网络。目前国内已经有一些LoRa的方案商。
Weightless
Weightless是由一个非盈利全球标准组织Weightless SIG(Weightless Special Interest Group)提出的技术。
与LoRa、SigFox类似,Weightless也是一种专为物联网设计的无线技术。Weightless既可以工作在Sub-GHz免授权频段,也可以工作在授权频段。通信距离可以达到10公里。
Weightless有三个不同的开放标准:Weightless-N、Weightless-P和Weightless-W。如果考虑成本,可选择单向通信的Weightless-N。如果考虑高性能,可选择双向通信Weightless-P。如果当地TV空白频段可用,可选择Weightless-W。
RPMA
RPMA技术的全称是随机相位多址接入(Random Phase Multiple Access)。由美国Ingenu公司开发,Ingenu在2008年成立,公司在2015年9月前的名称是ONRAMP。
RPMA技术工作在2.4GHz免授权频段,支持全双工通信,这点是比SigFox和LoRa强的地方。SigFox采用的是单向传输,LoRa采用的是半双工的通讯方式。
Ingenu为开发人员提供了收发器模组,这些模组可以连接到RPMA网络,这个网络是由Ingenu公司及其合作伙伴在全球范围内建立的网络,这与SigFox比较类似。RPMA网络将来自终端节点的信息转发至使用者的IT系统。RPMA也可适用于想要搭建私有网络的客户人群。
结语
随着各大电信运营商在原来LTE网络基础上大范围部署NB-IoT以及eMTC网络,未来物联网的无线技术竞争将更加激烈。

在各种技术在基本技术指标上没有明显差异的情况下,成本、整体解决方案、开发者生态以及整个产业链将会决定最终技术的命运。

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