【知識科普】LPWA是什么

LPWA – Low power wide area,簡(jiǎn)稱(chēng)為低功耗廣域技術(shù)，是一種功耗低卻能實(shí)現遠距離無(wú)線(xiàn)信號傳輸的一種技術(shù)，相對于我們比較熟悉的低功耗藍牙（BLE）、wifi、zigbee等技術(shù)來(lái)說(shuō)，LPWA的傳輸距離會(huì )更遠，一般的傳輸距離都在公里級，其鏈接預算（link budget）可達160dBm，而B(niǎo)LE和zigbee等一般都在100dbm以下。和傳統的蜂窩網(wǎng)絡(luò )技術(shù)（2G、3G）相比來(lái)說(shuō)，LPWA的功耗更低，電池供電設備的使用壽命也能達到數年之久�；�于這兩個(gè)顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)，LPWA能真正的助力和引領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)（LOT）的革命。

LPWAN – Low power wide area network，低功耗廣域網(wǎng)絡(luò )，也就是使用LPWA技術(shù)搭建起來(lái)的無(wú)線(xiàn)連接網(wǎng)絡(luò )。LPWAN的網(wǎng)絡(luò )連接形式可以多種多樣，如下圖所示，以數據上傳（data uplink）為例，無(wú)線(xiàn)終端發(fā)送數據信號，基站或者是網(wǎng)關(guān)接受到數據后，把數據傳輸到云平臺，云平臺再根據設備ID把數據分發(fā)到對應的客戶(hù)服務(wù)器。對于私有的LPWAN網(wǎng)絡(luò )，云端和服務(wù)器可以是一體的。

LPWA的特性
LPWA針對物聯(lián)網(wǎng)應用的需求，具備以下技術(shù)特性：

一般的物聯(lián)網(wǎng)設備無(wú)法使用電源直接供電，電池使用壽命即成為首要考慮需求，LPWA對此進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，使得電池供電設備使用可達數年。例如使用Sigfox技術(shù)的終端設備，用AA電池供電即可達10年左右。

室內或短距離的物聯(lián)應用，可以使用低功耗藍牙，Zigbee等無(wú)線(xiàn)技術(shù)，LPWA針對的是室外或者遠距離的無(wú)線(xiàn)連接需求，傳輸速率要求較低，所以傳輸距離更遠，至少在公里級。Sigfox使用超窄帶進(jìn)行數據傳輸，并且選用較低的傳輸速率，從而使得設備和基站間的鏈接預算（link budget）可達160dBm，空曠區域的信號傳輸距離可達幾十公里。

新技術(shù)的普及離不開(kāi)成本的持續降低，更低的成本可以使得技術(shù)應用在更多的領(lǐng)域，尤其是對價(jià)格敏感的應用。用于LPWA終端設備的射頻模塊，隨著(zhù)技術(shù)成熟度的提升，應用的普及，設備連接量的增加，其一般價(jià)格在5美金之下是可期的。而Sigfox技術(shù)很早已經(jīng)完全達到商業(yè)化的成熟度，其終端模塊價(jià)格甚至可達2美金，對技術(shù)的普及起到重要作用。

傳統的無(wú)線(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò )首要的連接對象是人，物聯(lián)網(wǎng)的連接對象是物，而物的數量必將遠遠超過(guò)人的數量，這就要求LPWA網(wǎng)絡(luò )有更大的容量，避免網(wǎng)絡(luò )的擁擠和設備間的干擾。Sigfox網(wǎng)絡(luò )單個(gè)基站可以每天處理幾百萬(wàn)條設備消息，可以同時(shí)接收并處理接近300條消息，而丟包率只有0.5%，保證有很高的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)質(zhì)量（QoS）。

LPWA除了以上顯著(zhù)技術(shù)特性外，通常還有低速率，高延遲等特點(diǎn)。

LPWA技術(shù)可用于眾多物聯(lián)網(wǎng)應用場(chǎng)景，實(shí)現產(chǎn)業(yè)的數字化和智能化，從而進(jìn)一步提高效率和節約成本，促進(jìn)整個(gè)社會(huì )勞動(dòng)生產(chǎn)率的提升。

其典型的應用場(chǎng)景有：

物流定位及追蹤–實(shí)時(shí)上報物流位置及狀態(tài)信息

資產(chǎn)管理–資產(chǎn)定位，庫存狀態(tài)上報

智能抄表–儀表數字及狀態(tài)上報

智慧城市–照明，交通，基礎實(shí)施檢測智能化，智能停車(chē)等

智慧農業(yè)–牲畜追蹤管理，土壤檢測，智能灌溉等

環(huán)境/公用–災害檢測，煙感，空氣污染，設備狀態(tài)，老人看護等

智能家庭–智能家電，家庭安全系統，狀態(tài)檢測上報等

按照對無(wú)線(xiàn)頻譜的使用性質(zhì)分類(lèi)，LPWA可以分為許可頻段和公共頻段兩類(lèi)技術(shù)。

公共頻段典型的有Sigfox和LoRa，使用公共的ISM頻段，無(wú)須支付頻譜費用，但仍有政府對頻譜的使用進(jìn)行規范，確保不同技術(shù)可以相互兼容，類(lèi)似BLE和Wifi等。

許可頻段即為Cellular-IoT（簡(jiǎn)稱(chēng)C-IoT）技術(shù)，使用政府授權的特定專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)頻段，需要支付頻譜費用，傳統電信運營(yíng)商為主體部署和運營(yíng)網(wǎng)絡(luò )，技術(shù)規范基于蜂窩網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，并由3GPP來(lái)主導分布。

Sigfox技術(shù)由同名的法國Sigfox公司設計研發(fā)，成立于2010年，是最早的老牌LPWA玩家，其技術(shù)成熟度最高，截至2019年已經(jīng)在全球60多個(gè)國家實(shí)現商業(yè)化運營(yíng)。Sigfox在公共頻段使用100Hz超窄帶頻譜調制和傳輸數據消息，所以在單位頻帶有更高的功率密度，抗干擾能力更強，適合于使用公共頻段進(jìn)行數據傳輸。

Sigfox公司提供完整的網(wǎng)絡(luò )解決方案，包括基站和云端，尋求和依賴(lài)當地的合作伙伴在全球開(kāi)展網(wǎng)絡(luò )部署及運營(yíng)，Sigfox提供網(wǎng)絡(luò )設備及技術(shù)支持服務(wù)。終端設備是開(kāi)放的生態(tài)系統，任何支持Sigfox協(xié)議的射頻模塊或者芯片都可以連接Sigfox的網(wǎng)絡(luò )，對于終端設備廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)可以有更大的選擇空間，和更優(yōu)惠的價(jià)格選項。依托于強大的全球生態(tài)系統，Sigfox用戶(hù)可以得到端到端（終端到云端）的整體解決方案，使其產(chǎn)品能夠快速連接到Sigfox網(wǎng)絡(luò )，并推向市場(chǎng)。因為Sigfox網(wǎng)絡(luò )由Sigfox公司為主導進(jìn)行全球部署，這樣能最大程度保證網(wǎng)絡(luò )服務(wù)質(zhì)量的統一性和穩定性，即全球一張網(wǎng)，用戶(hù)設備即可以享受到跨國的便利性，不需要漫游服務(wù)，又能連接到同等品質(zhì)的網(wǎng)絡(luò )，這對于物流或者跨境運行等應用來(lái)說(shuō)尤其有吸引力。
LoRa

LoRa是美國Semtech公司的專(zhuān)有技術(shù)，實(shí)際是一種采用擴頻方案的無(wú)線(xiàn)調制解調技術(shù)。Semtech在2012年通過(guò)并購法國Cycleo公司獲得LoRa的IP產(chǎn)權，以此設計制造射頻芯片并進(jìn)行市場(chǎng)銷(xiāo)售，是一家純半導體公司，壟斷LoRa芯片的供貨。目前Semtech雖然也進(jìn)行少量LoRa的IP授權，如國內的阿里，但IP是Semtech專(zhuān)有，沒(méi)有授權任何公司無(wú)法設計制造LoRa芯片，所以客戶(hù)的選擇余地很小。

LoRa使用的也是公共頻段進(jìn)行射頻信號傳輸，上層協(xié)議及規范由LoRaWan定義，LoRa聯(lián)盟負責發(fā)布和維護。任何人可以購買(mǎi)LoRa芯片或者模塊來(lái)設計LoRa終端和網(wǎng)關(guān)設備，也可以設計或者購買(mǎi)設備來(lái)搭建LoRa網(wǎng)絡(luò )，所以目前多數的LoRa網(wǎng)絡(luò )都是小區域和私有的，很少有全國性的通用物聯(lián)網(wǎng)絡(luò )，而設備和網(wǎng)絡(luò )間的兼容也是一個(gè)很大的挑戰。LoRa通過(guò)擴頻技術(shù)實(shí)現高靈敏度，從而能夠進(jìn)行遠距離傳輸，但是網(wǎng)絡(luò )容量有限，無(wú)法高效實(shí)現大批量設備信息的并行接收和處理，這對于大面積或全國性的部署是個(gè)巨大挑戰。
Cellular-IoT

目前主流的Cellular-IoT（C-IoT）技術(shù)是指NB-IoT和LTE-M，他們都基于傳統的蜂窩網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，進(jìn)行裁剪和優(yōu)化以適用于物聯(lián)網(wǎng)的低成本低功耗應用。技術(shù)規范由3GPP來(lái)定義和分布，基于專(zhuān)有的許可頻譜，由傳統電信運營(yíng)商進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )部署和運營(yíng)。

因為C-IoT基于傳統蜂窩網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，所以相比與Sigfox等全新的LPWA定制技術(shù)來(lái)說(shuō)，技術(shù)復雜度和相應成本功耗等都會(huì )更高，類(lèi)似于3G/4G等，C-IoT終端設備也需要和基站進(jìn)行連接和附著(zhù)，協(xié)議握手和網(wǎng)絡(luò )參數配置，而Sigfox終端設備和基站沒(méi)有任何依賴(lài)關(guān)系，自主性更高，功耗可控。另外因為對基站的附著(zhù)，NB-IoT實(shí)際上只適用于設備位置固定的應用場(chǎng)景。全球角度來(lái)說(shuō)，C-IoT網(wǎng)絡(luò )具有分散性質(zhì)，各個(gè)運營(yíng)商只能在屬地國家或者區域進(jìn)行部署運營(yíng)，不同網(wǎng)絡(luò )的參數配置和服務(wù)質(zhì)量各不相同。以NB-IoT網(wǎng)絡(luò )為例，總共支持有十多個(gè)頻帶（Band），不同國家或者地區的網(wǎng)絡(luò )可以使用不用的Band，這對于終端設備來(lái)說(shuō)是更高的成本和技術(shù)挑戰。而不同網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)質(zhì)量更是無(wú)法進(jìn)行統一和保證，網(wǎng)絡(luò )間的切換也需要高額的漫游費用，NB-IoT網(wǎng)絡(luò )甚至不支持漫游。