低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)分析

劉鋒，夏瓊

(中國信息通信研究院西部分院，重慶，401336)

0 引言

低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network, LPWAN）是一種廣范圍、低功耗的遠程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，具有遠距離、低帶寬、低速率、低功耗、低成本、低占空比、支持大量終端連接等特點，是為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的M2M通信場景優(yōu)化革命性的接入技術(shù)。目前，LPWAN技術(shù)尚未形成統(tǒng)一的標準，Sigfox、LoRa、NB-IoT、Telensa、PTC等都是比較典型的LPWAN技術(shù)。本文主要就LPWAN典型技術(shù)及主要應(yīng)用進行研究闡述。

1 LPWAN應(yīng)用概述

各類LPWAN技術(shù)從使用的無線電頻段，可分為兩類：授權(quán)頻段（License Band），3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術(shù)，如NB-IoT、EC-GSM等；以及非授權(quán)頻段（Unlicense Band），如LoRa、SigFox等。

圖1 LPWAN技術(shù)頻譜分布

在物聯(lián)網(wǎng)LPWAN技術(shù)標準的推進和商用進程中，LoRa、SigFox和NB-IoT脫穎而出，從商用推進的角度，主流運營商，設(shè)備、芯片廠商均支持NB-IoT技術(shù)，因其在全球大部分地區(qū)已部署蜂窩網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上快速部署NB-IoT網(wǎng)絡(luò)并非難事。不過，LoRa、SigFox商用化的快速發(fā)展，也得到了不少電信運營商的青睞，歐洲多家運營商已經(jīng)著手搭建基于LoRa、SigFox的網(wǎng)絡(luò)，雖然與支持NB-IoT的廠商相比規(guī)模不大，但在這些運營商網(wǎng)絡(luò)和市場基礎(chǔ)上也將在多地形成運營商級低功耗廣域網(wǎng)。

這三種技術(shù)代表了三種商業(yè)模式：

(1)LoRa——技術(shù)的提供，組成全球物聯(lián)網(wǎng)；

(2)SigFox——成為全球物聯(lián)網(wǎng)運營商；

(3)NB-IoT——改進現(xiàn)有的技術(shù)，為網(wǎng)絡(luò)運營商謀取更多的利益。

2 LPWAN主要技術(shù)分析

2.1 LoRa技術(shù)

2.1.1 概述

LoRa（Long Range）是LPWAN通信技術(shù)中的一種遠距離低功耗通信技術(shù)。LoRa改變以前關(guān)于傳輸?shù)木嚯x與功耗間折衷的考慮方式，幫助用戶提供遠距離、長壽命、大容量的系統(tǒng)，擴展傳感網(wǎng)絡(luò)。LoRa使用免費頻段：433MHz、868MHz、915 MHz等。理論上可以使用150-1000MHz任一頻率，但LoRa芯片的使用有限制，并非所有的sub-GHz頻段都能使用，無法很有效的支持如433MHz、780MHz等常用頻段以外的一些頻率。

2.1.2 LoRa特性

LoRa技術(shù)具備遠距離、低功耗（電池壽命長）、多節(jié)點、低成本、易于部署和標準化等特點。

2.1.3 LoRa網(wǎng)絡(luò)

2.1.3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

LoRa網(wǎng)絡(luò)主要由終端、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器和云組成。應(yīng)用數(shù)據(jù)可支持雙向傳輸。網(wǎng)絡(luò)中，LoRa網(wǎng)關(guān)是終端和服務(wù)器的信息橋梁，是多信道的收發(fā)機。終端通過單跳與一個或多個網(wǎng)關(guān)通訊，所有的終端均是雙向通訊，同時支持軟件遠程升級；網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間通過標準IP進行連接。LoRa終端一般由LoRa模塊和傳感器等器件組成，可以使用電池供電，支持遠程定位。

2.1.3.2 網(wǎng)絡(luò)部署

LoRa主要四種網(wǎng)絡(luò)部署方式，包括：分布式部署、鏈路式部署、宏基站部署和移動式部署，其中，分布式和宏基站部署方式，支持在現(xiàn)有基站位置安裝網(wǎng)關(guān)和一個Ethernet連接即可。

2.1.4 LoRa核心技術(shù)

2.1.4.1 前向糾錯編碼技術(shù)

通過給待傳輸數(shù)據(jù)序列中增加冗余信息，使數(shù)據(jù)傳輸進程中注入的錯誤碼元在接收端被及時糾正。

2.1.4.2 新型的擴頻技術(shù)

新型擴頻技術(shù)極大改善了接收靈敏度。高達157db的鏈路預算可以保證通信距離在15公里（與環(huán)境有關(guān)）。接收電流僅10mA，睡眠電流＜200nA，大大延長了電池使用壽命。

2.1.4.3 多信道多數(shù)據(jù)速率并行處理

網(wǎng)關(guān)/集中器支持多信道、多數(shù)據(jù)速率并行處理，系統(tǒng)容量大。每個網(wǎng)關(guān)每天可處理500萬次各節(jié)點間的通信（假設(shè)每次發(fā)送10Bytes，網(wǎng)絡(luò)占用率10%）。

2.1.4.4 基于終端和集中器/網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)可以支持測距和定位

LoRa對于距離的測量是基于信號的空中傳輸時間，而非傳統(tǒng) RSSI（Received Signal Sterngth Indication），定位是基于多點（網(wǎng)關(guān)）對一點（節(jié)點）的空中傳輸時間差進行測量。定位精度可達5m（假設(shè)10km的范圍）。

2.2 SigFox技術(shù)

2.2.1 概述

SigFox主要打造低攻耗、低成本的無線物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)絡(luò)，其獨有低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)——超窄帶技術(shù)（Ultra Narrow Band，UNB），每秒只能處理10到1000比特的數(shù)據(jù)，但可支持成千上萬的連接。

2.2.2 SigFox特性

SigFox技術(shù)具備長距離、低功耗（電池壽命長）、低成本、易于部署等特點。

2.2.3 SigFox網(wǎng)絡(luò)

2.2.3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

SigFox網(wǎng)絡(luò)采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，每個基站通過點對點鏈路與SigFox云進行通信。網(wǎng)絡(luò)的傳輸過程為在終端中嵌入調(diào)制解調(diào)器，通過調(diào)制解調(diào)器將信息發(fā)出，收發(fā)器收到信息后傳到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中（傳輸方式暫時未知），服務(wù)器再將信息傳給第三方應(yīng)用。設(shè)備側(cè)，嵌入的無線模塊約為兩個拇指頭大小，發(fā)送功率只有蜂窩網(wǎng)環(huán)境下工作模塊的 1/50。模塊僅靠內(nèi)部電池即可維持長達20年的工作連接。

2.2.3.2 網(wǎng)絡(luò)部署

SigFox目前已經(jīng)開始與合作伙伴聯(lián)手在其現(xiàn)有的手機信號塔和天線中部署其網(wǎng)絡(luò)。這種部署方式被稱為“使我們能夠顯著降低資本支出和運營支出成本”的模式。

2.2.3.3 超窄帶技術(shù)（UNB）

超窄帶系統(tǒng)中的基帶信號是一般非歸零（NRZ）或其他形式的矩形信號。窄帶脈沖生成器將基帶信號變?yōu)橐淮}沖信息。零群時延濾波器是超窄帶技術(shù)所特有的，其主要特點就是群時延非常小，接近于零，且其濾波帶寬也可以窄到僅有1Hz。接收機在接收到信號后，先經(jīng)過零群時延濾波器，濾出部分帶外噪聲。然后送入解調(diào)部分恢復出含有窄脈沖的基帶信號，得到的窄脈沖信號再進一步輸入到解碼電路，恢復出最終的基帶信號。

2.3 NB-IoT技術(shù)

2.3.1 概述

基于蜂窩的通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)之間一直存在一條難以跨越的鴻溝，NB-IoT的提出正是為了朝向一個更低復雜度和低吞吐量所設(shè)計的新無線接入系統(tǒng)，以解決蜂窩式物聯(lián)網(wǎng)的通訊需求。NB-IoT主要用于解決傳統(tǒng)2G、3G、4G技術(shù)并不能充分滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備低功耗、低成本的連接需求。可以滿足改進的室內(nèi)覆蓋、支持大量低吞吐量設(shè)備、低時延敏感性、低成本、低功耗、優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.3.2 NB-IoT特性

NB-IoT技術(shù)具備頻譜窄、覆蓋廣、低功耗（電池壽命長）、低成本、強鏈接等特點。

2.3.3 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)

2.3.3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

終端通過空口連接到基站，無線網(wǎng)主要是承擔空口的接入處理、小區(qū)管理等功能，并通過S1-lite接口與IoT核心網(wǎng)連接，將非接入層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)高層網(wǎng)元進行處理，有兩種組網(wǎng)方式，一是整體式無線接入網(wǎng)（Singel RAN），包括2G/3G/4G及NB-IoT無線網(wǎng)。另一種是NB-IoT新建。核心網(wǎng)（EPC）則承擔與終端非接入層交互的功能，并將IoT業(yè)務(wù)的相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)IoT平臺處理。

2.3.3.2 網(wǎng)絡(luò)部署

NB-IoT支持三種部署場景：

(1)獨立部署，利用例如GERAN使用的頻譜；

(2)保護帶部署，利用LTE保護帶沒有使用的資源；

(3)帶內(nèi)部署，利用LTE的載波資源。

2.4 NB-IoT技術(shù)點

為了實現(xiàn)覆蓋的增強，基站與NB-IoT 終端之間通過采用較少數(shù)量的子載波，將需要傳遞數(shù)據(jù)進行重復傳送，利于接收端提高數(shù)據(jù)解出的成功率。按照目前規(guī)范的內(nèi)容，隨機存取信道、控制信道、數(shù)據(jù)信道傳遞信息的重復傳送次數(shù)，最高可達2048次。NB-IoT支持在頻段內(nèi)（In-Band）、保護頻段（Guard Band）和獨立頻段（Stand-alone），共三種模式下運行。In-Band是利用LTE載波內(nèi)PRB進行數(shù)據(jù)傳輸；Guard Band是利用LTE載波內(nèi)的Guard Band進行數(shù)據(jù)傳輸；Stand-alone是使用非LTE頻段的載波進行數(shù)據(jù)傳輸。NBIoT支持最大數(shù)據(jù)速率：上行為64Kbit/s，下行為28Kbit/s。

3 結(jié)束語

上述僅對LPWAN的三種典型技術(shù)進行了分析，但LPWAN應(yīng)用技術(shù)繁多，還有Weightless、RPMA、eMTC、ZETA等眾多的技術(shù)流派，在各種技術(shù)在基本技術(shù)指標上沒有明顯差異的情況下，成本、整體解決方案、開發(fā)者生態(tài)以及整個產(chǎn)業(yè)鏈將會決定最終技術(shù)的命運。