物联网的低功耗广域网络替代方案

诸如WiFi，ZigBee和蓝牙等无线网络技术适用于物联网（IoT）的消费者应用，但许多工业和其他物联网应用需要在这些技术可以处理的范围内运行。传统上，蜂窝和卫星机器对机器（M2M）技术填补了这一空白，但成本，功耗和可扩展性问题使得这些选择对未来的吸引力降低。许多低功耗广域网（LP-WAN）替代方案已经出现，需要开发人员仔细考虑，以寻求解决这些广泛的物联网应用。
广域物联网技术的用途很多。停车资源，交通控制，公用事业监控和配电控制以及环境监控等公民基础设施系统只是一个开端。监测作物条件和牲畜运动等农业用途需要广泛的覆盖范围。从出租车到冷藏产品的资产监控和跟踪需要区域，国家甚至全球范围的覆盖。铁路和公路等交通基础设施需要广泛的监控。甚至诸如健康监测之类的消费者应用也可以从用于广域连接的手机替代方案中受益。

LP-WAN 要素
虽然应用程序是多样的，但它们在其网络愿望列表中具有许多共同属性。这些首先包含的就是低成本，大多数广域IoT应用预计每次安装都需要数百或数千个终端节点设备。在某些情况下，例如全市范围的停车位或仪表监控，数字可以达到数百万。如此高的产量，单位价格是决定应用投资回报率（ROI）的主要考虑因素。
低能耗广域物联网的应用大多数将依赖于电池，有些甚至可能需要使用能量收集。对于那些有电池的人来说，更换耗尽的电池可能会带来巨大的后勤挑战和巨大的成本。终端节点设备的电池寿命越长越好。
扩展范围 ，连接到Internet的所有无线网络都需要通过这种或那种接入点（AP）工作：网关，集中器等。因此，物联网设计需要考虑端点成本和支持应用所需的接入点基础设施的成本。网络的运行范围或从终端节点到其接入点的允许距离可能会对基础架构成本产生重大影响。范围决定了覆盖应用程序操作区域所需的访问点的数量和位置，因此通常范围越长，基础架构成本越低。
可扩展性 ，使用广域无线物联网网络的给定安装可能运行良好，网络可能具有处理任何预期单个用户的能力。但随着时间的推移，有理由期望在同一地理区域内进行许多不同的安装。如果这些不同的安装共享公共接入点，例如手机共享塔，则接入点可以支持的设备数量可能成为限制因素，并且需要增加基础设施来克服。即使它们不共享接入点但共享频谱，安装的增加也会通过增加噪声水平来削弱应用的操作范围。在最糟糕的情况下，可用的通道容量可以填充并防止新安装完全运行。
在更成熟的无线网络技术中，只有蜂窝和卫星通信提供这些应用所需的扩展范围。诸如ZigBee之类的网状网络可能覆盖大面积但由于需要转发流量而具有有限的可扩展性。
遗憾的是，蜂窝和卫星通信技术在其他属性方面很短。他们的无线电要求涉及更高的能源使用和复杂的协议，这些协议可以降低电池寿这部分源于他们的历史； 它们最初设计用于处理语音流量。网络不适合处理短数据消息传递。
尽管如此，一些物联网应用和服务，通常被称为机器对机器（M2M），确实出现了利用蜂窝和卫星通信网络。其中许多都是基于CDMA或“2G”蜂窝技术。不幸的是，这些网络现在开始被服务提供商逐步淘汰，以便为更先进的蜂窝技术提供频谱。虽然蜂窝社区在改善M2M的情况方面取得了一些进展，但是能源使用和成本仍然存在问题。
这种情况为物联网的广域无线网络的替代方法打开了一扇大门，这些方法专注于低功耗，低成本的要求。目前，网络部署增长或开始时至少定义了六种不同的方法，还有三种正在开发中。虽然所有这些方法都试图提供相同的关键核心属性，但它们对许多其他系统属性有不同的看法，这些属性会影响它们对各种物联网应用的适用性。
理想的LP-WAN属性
这些在应用程序中重要性不同但仍需要考虑的其他属性包括：
漫游 ，许多应用程序要求将终端节点固定在其位置，但是其他应用程序可能要求节点在移动内部时运行，甚至跨越由不同接入点服务的扇区。大多数广域IoT网络替代方案允许节点从一个扇区移动到另一个扇区，但它们可以根据改变的关系适应的速度而变化。
穿透 ，一些应用程序要求终端节点位于建筑物或地下，而接入点位于另一个房间或地外和地面。在这些应用中，通过吸收墙壁和污垢可以大大减少网络的范围。这种吸收是频率相关的，较低频率通常提供比较高频率更好的穿透。
短消息处理 ， 虽然一些物联网应用程序需要经常发送大量数据，但许多人只需要发送简短的消息，而且很少发送。无线网络有效处理短消息的能力可以对网络的可扩展性和终端节点的能耗产生有益影响。这种处理包括用于连接建立，询问，确认等的任何开销。
双向通信 ， 某些终端节点可能只需要报告数据，而不是接收命令，因此单向链路似乎足以满足此类应用的需要。然而，双向链路允许诸如与接入点的握手之类的事情以提高数据传输的可靠性，用于更高安全性的认证交换，并且具有足够的带宽允许远程软件更新和端节点的管理。
安全通信，敏感数据需要终端节点和接入点之间的安全通信链路，但即使数据不敏感，安全性仍可能是一个问题。如果没有安全链接，IoT应用程序更容易受到诸如欺骗之类的攻击，其中欺诈性端节点将错误数据注入网络或欺诈性接入点劫持端节点数据。
更高级别的服务，给定的广域IoT网络替代方案可以在OSI模型中定义任意数量的级别，从物理和数据链路层到应用层。在某些情况下，网络本身由服务提供商运营和管理，该服务提供商将网络上的时间租给运行其协议的用户并为用户提供云服务。其他替代方案仅定义较低层，并使其接入点连接到Internet或专用网络，从而将更高的OSI层留给用户选择。在这种情况下，高级服务提供商的生态系统通常会随着时间推移而变得可用。
提供的各种低功耗，广域网络方案以各种方式满足了这些需求和考虑因素。每个人在交互属性之间做出了不同的权衡选择，例如电池寿命，数据速率，工作频率，可实现的范围和可扩展性。此外，他们围绕诸如安全性，定义的OSI级别和漫游支持等属性做出了不同的选择。这种多样性使得不可能提供全面的并排比较，但可以提供一个开始。