低功率廣域網（LPWAN）技術解析

什麼是 LPWAN ?

物聯網(Internet of Things，IoT)是指由全球數十億個裝置鏈接到Internet所組成的一個網絡。常見的物聯網裝置包括穿戴式裝置和智能家居裝置等。這類應用基本上是以犧牲部分隱私爲代價，來得到某些便利。在工業領域，物聯網的優點極爲顯著，不只可提高生產力、下降成本、減小能源消耗，同時還可以讓機器讀取海量數據，並據此執移動做。藉助分析全部物聯網裝置所產生的數據，您可增進工做效率，或是爲客戶提供更優質的服務。因爲您可以更深刻地瞭解客戶，所以可提供新型態服務並擴大服務範圍。

不過，當今大多數無線技術仍沒法因應物聯網的要求，尤爲是在覆蓋範圍或電池使用壽命方面。

爲了知足物聯網要求，您必須在數據速率、功耗和覆蓋範圍之間加以取捨。如欲實現低功耗，則須被迫犧牲數據速率。

ZigBee、BT LE 和 NFC 能以中等數據速率和低功耗，提供短距的覆蓋範圍。

LPWAN 是一項可同時知足覆蓋範圍和電池使用壽命需求的技術。它能以極小的功耗提供最長距離的覆蓋範圍，並且數據速率僅略微下滑。

不少智慧城市和智能公用事業應用，例如智能路燈、溼度傳感器、智能計量和智能停車等，對數據速率的要求不高，但卻須要很是寬廣的覆蓋範圍。這就是 LPWAN 可以派上用場的地方。

LPWAN 技術：案例研究

讓咱們想一想看，如何在無線智能計量應用中，使用 LPWAN 來提升工做效率。

一家公用事業企業負責爲一個小城鎮的全部家庭供水。該公司必須派人挨家挨戶抄水錶，整個過程全都是靠人工完成，耗費了大量時間在路上往返。若是該公司可以在每一戶家庭中安裝水錶，而後透過無線方式追蹤用水情況，並將數據發送到雲端，如此不但可節省大量的工時，並且還能夠有效下降成本，讓公司能專一於其餘領域。此外，這家公用事業公司能夠更充分掌握客戶的用水模式，並依據相關數據優化供水能力，確保在尖峯時段家家戶戶都能得到充足的供水。

爲了以無線方式追蹤用水情況，該公司必須在水錶中加裝一個很小的硬件裝置，即物聯網客戶端或代理裝置。這個硬件可讀取水錶數據，並將讀數按期發送到雲端。在此狀況下，數據速率和延遲並不重要，最關鍵的因素是覆蓋範圍和電池使用壽命。因爲某些水錶安裝在遙遠的位置、地下室或難以到達的地方，無線技術必須支持普遍的覆蓋區域，並提供深刻的室內覆蓋率。水錶中的電池預計可連續使用 10 年以上。

此時，這些服務供貨商面臨的挑戰是：

將全部安裝於遙遠位置的水錶透過無線技術鏈接到雲端
確保這些水錶中的電池使用壽命長達 10 年以上
爲了克服這些挑戰，該公司能夠採用 LPWAN 技術。這些技術可大體分爲受權許可技術和非受權許可技術，每一項技術都有其優缺點。

LPWAN 技術比較

因爲蜂巢式網絡成本很高，用電量也很大，並需使用昂貴的硬件和服務，因而不少網絡供貨商便轉而使用非受權的頻譜(例如 LoRa、SIGFOX 和 Telensa)來開發其無線網絡。這些供貨商主要針對關鍵基礎設施和農業等應用，開發本身的低成本基地臺。他們從小覆蓋範圍開始，逐步將基礎設施的覆蓋範圍擴充到全國或全區，最後再透過蜂巢式回程鏈路鏈接到雲端。

另外一方面，3GPP NB-IoT 或 LTE Cat-M1 等須要受權的 LPWAN 技術，支持對現有蜂巢式基礎設施進行軟件更新，例如升級現有的 LTE 和 GSM 基地臺。藉助重複利用現有的 3G 或 4G頻譜，他們可迅速地實現國內和國際的覆蓋與部署。這些技術可爲須要依賴寬廣覆蓋範圍的應用提供支持，例如車輛追蹤、寵物追蹤和物流。爲因應技術演進的需求，他們持續制訂更強大的標準，以便將服務擴充到其餘領域，例如移動通信、漫遊、安保和身份驗證。

受權和非受權 LPWAN 技術有一些共同點：鏈路預算都很高、電池使用壽命很長。二者主要的差異在於，圍繞這些技術的生態體系不一樣。

SIGFOX 是一個由多家芯片商組成的生態體系，其產品使用次 GHz 頻譜波段，由 Sigfox 公司負責管理協議和認證。該公司提供很是小的封包(12 字節)和很是低的裝置成本，是最先的 LPWAN 廠商之一。

LoRa 是一項專屬技術，其芯片由 Semtech 提供。LoRaWAN 是以 LoRa 聯盟開發和認證的LoRa 技術爲基礎所創建的協議。LoRaWAN 主要是一個媒體訪問控制(MAC)層協議，爲應用提供極高的靈活性，但也給開發完整解決方案的工程師帶來了一大挑戰。

窄頻物聯網(NB-IoT)、LTE Cat-M1 和 EC-GPRS 都是蜂巢式物聯網標準，它們採用多家廠商芯片或裝置的多廠商生態體系。和其它蜂巢式格式同樣，其認證由 GCF/PTCRB 管理。您只需將現有的蜂巢式基礎設施所使用的軟件升級，即可支持這些新技術。雖然它們比非受權的技術晚幾年問世，但發佈以後便廣爲國內和國際企業採用，以支持須要大覆蓋範圍的應用，例如車輛追蹤、物流和資產追蹤。

LTE Cat-M1 根據 3GPP 發佈的 LTE 技術修訂而來，是現有技術的簡化版本。它使用更簡單、更便宜的芯片組，並可提供比其餘 LPWAN 技術更快的數據速率。LTE Cat-M1 還可藉助對現有 LTE 基礎設施進行軟件更新來得到支持。Cat-M1 最初部署於美國。

NB-IoT 是 3GPP 發佈的一項全新技術，可藉助對 LTE 或現有 RAN 基礎設施進行軟件更新來得到支持。相較於其餘技術，其優勢是裝置成本相對較低、鏈路預算良好。NB-IoT 最初主要部署於亞洲或歐洲。

EC-GPRS 是 GPRS 的改良版本，可藉助對現有 GSM 基礎設施進行軟件更新來得到支持。透過信號中繼或從新傳輸，它可實現比 GPRS 更好的鏈路預算。

其餘 LPWAN 格式還包括 Telensa、Ingenu 和 Weightless。Telensa 是單一廠商裝置，其中使用了多家廠商的芯片，而且在次 GHz 的頻段內運做。這家垂直整合製造商主要致力於智慧路燈照明業務，並開始進入停車傳感器領域。Telensa 已被普遍部署於英國、美國和亞洲的路燈照明應用上。Ingenu 以其專有的 RPMA 技術爲基礎，並在非受權的 2.4 GHz 頻段運做。Weightless 擁有三種不一樣的無線設計，並由Weightless Special Interest Group(SIG)進行管理。

LPWAN 的要求和挑戰

LPWAN 技術形形色色，各不相同，可是爲了知足物聯網應用的要求，它們都有一些共同的特性。

可靠性：提供 10 年或更長的運做時間，無需人力介入，可在物聯網服務中斷後自行恢復運做
高密度：支持大量鏈接裝置
低成本：模塊單價不到 5 美圓
出色的電池續航力：壽命長達 10 年以上，一般一天可發送幾則訊息，每則包含數十個字節，以便延長電池續航力
最大覆蓋範圍：可覆蓋難以到達或地處偏遠的區域
對於物聯網裝置供貨商來講，要想知足這些要求是一大挑戰。

可靠性：爲確保可靠性，裝置廠商必須在實驗室或生產在線重建不一樣的實際運做情境，並以高度的可重複性進行測試。他們還需測試一些不利的情境，例如物聯網服務器停機並出現鏈接故障，確保裝置可以自行恢復運做，而且不會消耗過多電量。 最大的覆蓋範圍：爲確保最大覆蓋範圍，製造商需模擬不一樣的射頻環境，包括遙遠位置、地下室、隱蔽場所、混凝土建築物及工業環境等，這些環境中的射頻條件差別很大。裝置製造商需執行和接收器特性分析，以瞭解物聯網裝置在這些不一樣射頻條件下的效能。 更長的電池續航力：爲了延長電池續航力，製造商需分析物聯網裝置在運做、閒置、待機和休眠模式下的電流消耗狀況。裝置製造商還需從新創建各類運做條件，例如遠程軟件更新、極限覆蓋條件下的重複傳輸，以及裝置沒法鏈接到服務器等條件，以充分掌握每一種情境中，分別須要消耗多大電流。 低組件成本：爲了有效下降組件成本，不少製造商使用低成本組件並簡化硬件設計。這些組件的效能必須通過精密的特性分析，以確保其可靠性不受影響。審慎挑選正確的測試裝置，能有助於下降組件成本。一套完整的解決方案可涵蓋從設計、製造到相符性測試的整個產品開發週期，以協助客戶大幅下降測試裝置的資本支出。 支持普遍的格式：不少製造商的產品採用不一樣的 LPWAN 技術，以知足不一樣應用和國家的要求。所以，他們須要支持最多 LPWAN 技術的測試解決方案。 驗收或認證測試：使用蜂巢式技術的組件，例如 NB-IoT 模塊和 Cat-M1 模塊，必須經過GCF 和 PTCRB 等認證和管理測試。您必須對這些組件執行多種使用案例測試，確保其符合相關標準。