纵论物联网（二）：LPWAN技术

导语

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：

1. 覆盖远，支持大范围组网；

2. 连接终端节点多，可以同时连接成千上万的节点；

3. 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；

4. 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。

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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。

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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。

芯片商、方案商、网络运营商组成的SigFox生态系统

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。

LoRa网络的网络架构

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。

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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。

各种LPWAN技术的比较

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。