科普——低功耗广域技术LPWA

　　LPWA的定义

　　LPWA – Low power wide area, 低功耗广域技术的简称，使用较低功耗实现远距离的无线信号传输。相较于熟悉的低功耗蓝牙（BLE）、Zigbee和Wifi等技术，LPWA的传输距离更远，一般在公里级，其链接预算（link budget）可达160dBm，而BLE和Zigbee等一般在100dBm以下。和传统的蜂窝网络技术（2G、3G）相比，LPWA的功耗更低，电池供电的设备使用寿命可达数年。基于这两个显著特点，LPWA可以真正使能物物互联，助力和引领物联网（IoT）革命。
LPWAN – Low power wide area network，低功耗广域网络，即使用LPWA技术搭建的无线连接网络。LPWAN的网络连接形式可以多种多样，典型的拓扑如图1所示，以数据上传（data uplink）为例，无线终端发送数据信号，基站或者网关接收并将数据传输到云平台，云平台根据设备ID将数据分发到对应的客户服务器。对于私有的LPWAN网络，云端和客户服务器可以是一体的。

图1典型LPWA网络连接

　　LPWA的特性

　　LPWA针对物联网应用的需求，具备以下技术特性：
○ 低功耗
一般的物联网设备无法使用电源直接供电，电池使用寿命即成为首要考虑需求，LPWA对此进行技术优化，使得电池供电设备使用可达数年。例如使用Sigfox技术的终端设备，用AA电池供电即可达10年左右。
○ 远距离
室内或短距离的物联应用，可以使用低功耗蓝牙，Zigbee等无线技术，LPWA针对的是室外或者远距离的无线连接需求，传输速率要求较低，所以传输距离更远，至少在公里级。Sigfox使用超窄带进行数据传输，并且选用较低的传输速率，从而使得设备和基站间的链接预算（link budget）可达160dBm，空旷区域的信号传输距离可达几十公里。
○ 低成本
新技术的普及离不开成本的持续降低，更低的成本可以使得技术应用在更多的领域，尤其是对价格敏感的应用。用于LPWA终端设备的射频模块，随着技术成熟度的提升，应用的普及，设备连接量的增加，其一般价格在5美金之下是可期的。而Sigfox技术很早已经完全达到商业化的成熟度，其终端模块价格甚至可达2美金，对技术的普及起到重要作用。
○ 大容量
传统的无线蜂窝网络首要的连接对象是人，物联网的连接对象是物，而物的数量必将远远超过人的数量，这就要求LPWA网络有更大的容量，避免网络的拥挤和设备间的干扰。Sigfox网络单个基站可以每天处理几百万条设备消息，可以同时接收并处理接近300条消息，而丢包率只有0.5%，保证有很高的网络服务质量（QoS）。
LPWA除了以上显著技术特性外，通常还有低速率，高延迟等特点。

图2 LPWA技术特性比较

　　LPWA应用场景

　　LPWA技术可用于众多物联网应用场景，实现产业的数字化和智能化，从而进一步提高效率和节约成本，促进整个社会劳动生产率的提升。
其典型的应用场景有：
◇ 物流定位及追踪–实时上报物流位置及状态信息
◇ 资产管理–资产定位，库存状态上报 ◇ 智能抄表–仪表数字及状态上报 ◇ 智慧城市–照明，交通，基础实施检测智能化，智能停车等 ◇ 智慧农业–牲畜追踪管理，土壤检测，智能灌溉等 ◇ 环境/公用–灾害检测，烟感，空气污染，设备状态，老人看护等 ◇ 智能家庭–智能家电，家庭安全系统，状态检测上报等

　　典型LPWA技术

　　按照对无线频谱的使用性质分类，LPWA可以分为许可频段和公共频段两类技术。
公共频段典型的有Sigfox和LoRa，使用公共的ISM频段，无须支付频谱费用，但仍有政府对频谱的使用进行规范，确保不同技术可以相互兼容，类似BLE和Wifi等。 许可频段即为Cellular-IoT（简称C-IoT）技术，使用政府授权的特定专用无线频段，需要支付频谱费用，传统电信运营商为主体部署和运营网络，技术规范基于蜂窝网络技术，并由3GPP来主导分布。

　　Sigfox

　　Sigfox技术由同名的法国Sigfox公司设计研发，成立于2010年，是最早的老牌LPWA玩家，其技术成熟度最高，截至2019年已经在全球60多个国家实现商业化运营。Sigfox在公共频段使用100Hz超窄带频谱调制和传输数据消息，所以在单位频带有更高的功率密度，抗干扰能力更强，适合于使用公共频段进行数据传输。
Sigfox公司提供完整的网络解决方案，包括基站和云端，寻求和依赖当地的合作伙伴在全球开展网络部署及运营，Sigfox提供网络设备及技术支持服务。终端设备是开放的生态系统，任何支持Sigfox协议的射频模块或者芯片都可以连接Sigfox的网络，对于终端设备厂商来说可以有更大的选择空间，和更优惠的价格选项。依托于强大的全球生态系统，Sigfox用户可以得到端到端（终端到云端）的整体解决方案，使其产品能够快速连接到Sigfox网络，并推向市场。
因为Sigfox网络由Sigfox公司为主导进行全球部署，这样能最大程度保证网络服务质量的统一性和稳定性，即全球一张网，用户设备即可以享受到跨国的便利性，不需要漫游服务，又能连接到同等品质的网络，这对于物流或者跨境运行等应用来说尤其有吸引力。

　　LoRa

　　LoRa是美国Semtech公司的专有技术，实际是一种采用扩频方案的无线调制解调技术。Semtech在2012年通过并购法国Cycleo公司获得LoRa的IP产权，以此设计制造射频芯片并进行市场销售，是一家纯半导体公司，垄断LoRa芯片的供货。目前Semtech虽然也进行少量LoRa的IP授权，如国内的阿里，但IP是Semtech专有，没有授权任何公司无法设计制造LoRa芯片，所以客户的选择余地很小。
LoRa使用的也是公共频段进行射频信号传输，上层协议及规范由LoRaWan定义，LoRa联盟负责发布和维护。任何人可以购买LoRa芯片或者模块来设计LoRa终端和网关设备，也可以设计或者购买设备来搭建LoRa网络，所以目前多数的LoRa网络都是小区域和私有的，很少有全国性的通用物联网络，而设备和网络间的兼容也是一个很大的挑战。
LoRa通过扩频技术实现高灵敏度，从而能够进行远距离传输，但是网络容量有限，无法高效实现大批量设备信息的并行接收和处理，这对于大面积或全国性的部署是个巨大挑战。

　　Cellular-IoT

　　目前主流的Cellular-IoT（C-IoT）技术是指NB-IoT和LTE-M，他们都基于传统的蜂窝网络技术，进行裁剪和优化以适用于物联网的低成本低功耗应用。技术规范由3GPP来定义和分布，基于专有的许可频谱，由传统电信运营商进行网络部署和运营。
因为C-IoT基于传统蜂窝网络技术，所以相比与Sigfox等全新的LPWA定制技术来说，技术复杂度和相应成本功耗等都会更高，类似于3G/4G等，C-IoT终端设备也需要和基站进行连接和附着，协议握手和网络参数配置，而Sigfox终端设备和基站没有任何依赖关系，自主性更高，功耗可控。另外因为对基站的附着，NB-IoT实际上只适用于设备位置固定的应用场景。
全球角度来说，C-IoT网络具有分散性质，各个运营商只能在属地国家或者区域进行部署运营，不同网络的参数配置和服务质量各不相同。以NB-IoT网络为例，总共支持有十多个频带（Band），不同国家或者地区的网络可以使用不用的Band，这对于终端设备来说是更高的成本和技术挑战。而不同网络的服务质量更是无法进行统一和保证，网络间的切换也需要高额的漫游费用，NB-IoT网络甚至不支持漫游。