低功耗廣域網（LPWAN）技術分析

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（Low Power Wide Area Network, LPWAN）是一種廣范圍、低功耗的遠程無線網絡通信技術，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，是為物聯網應用中的M2M通信場景優化革命性的接入技術。目前，LPWAN技術尚未形成統一的標準，Sigfox、LoRa、NB-IoT、Telensa、PTC等都是比較典型的LPWAN技術。本文主要就LPWAN典型技術及主要應用進行研究闡述。

1 LPWAN應用概述

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

圖1 LPWAN技術頻譜分布

在物聯網LPWAN技術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，設備、芯片廠商均支持NB-IoT技術，因其在全球大部分地區已部署蜂窩網絡，在此基礎上快速部署NB-IoT網絡并非難事。不過，LoRa、SigFox商用化的快速發展，也得到了不少電信運營商的青睞，歐洲多家運營商已經著手搭建基于LoRa、SigFox的網絡，雖然與支持NB-IoT的廠商相比規模不大，但在這些運營商網絡和市場基礎上也將在多地形成運營商級低功耗廣域網。

這三種技術代表了三種商業模式：

(1)LoRa——技術的提供，組成全球物聯網；

(2)SigFox——成為全球物聯網運營商；

(3)NB-IoT——改進現有的技術，為網絡運營商謀取更多的利益。

2 LPWAN主要技術分析

2.1 LoRa技術

2.1.1 概述

LoRa（Long Range）是LPWAN通信技術中的一種遠距離低功耗通信技術。LoRa改變以前關于傳輸的距離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，擴展傳感網絡。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技術具備遠距離、低功耗（電池壽命長）、多節點、低成本、易于部署和標準化等特點。

2.1.3 LoRa網絡

2.1.3.1 網絡結構

LoRa網絡主要由終端、網關、服務器和云組成。應用數據可支持雙向傳輸。網絡中，LoRa網關是終端和服務器的信息橋梁，是多信道的收發機。終端通過單跳與一個或多個網關通訊，所有的終端均是雙向通訊，同時支持軟件遠程升級；網關與網絡服務器之間通過標準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 網絡部署

LoRa主要四種網絡部署方式，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，支持在現有基站位置安裝網關和一個Ethernet連接即可。

2.1.4 LoRa核心技術

2.1.4.1 前向糾錯編碼技術

通過給待傳輸數據序列中增加冗余信息，使數據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

新型擴頻技術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（與環境有關）。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 多信道多數據速率并行處理

網關/集中器支持多信道、多數據速率并行處理，系統容量大。每個網關每天可處理500萬次各節點間的通信（假設每次發送10Bytes，網絡占用率10%）。

2.1.4.4 基于終端和集中器/網關的系統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 RSSI（Received Signal Sterngth Indication），定位是基于多點（網關）對一點（節點）的空中傳輸時間差進行測量。定位精度可達5m（假設10km的范圍）。

2.2 SigFox技術

2.2.1 概述

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

2.2.2 SigFox特性

SigFox技術具備長距離、低功耗（電池壽命長）、低成本、易于部署等特點。

2.2.3 SigFox網絡

2.2.3.1 網絡結構

SigFox網絡采用星型拓撲結構，每個基站通過點對點鏈路與SigFox云進行通信。網絡的傳輸過程為在終端中嵌入調制解調器，通過調制解調器將信息發出，收發器收到信息后傳到網絡服務器中（傳輸方式暫時未知），服務器再將信息傳給第三方應用。設備側，嵌入的無線模塊約為兩個拇指頭大小，發送功率只有蜂窩網環境下工作模塊的 1/50。模塊僅靠內部電池即可維持長達20年的工作連接。

2.2.3.2 網絡部署

SigFox目前已經開始與合作伙伴聯手在其現有的手機信號塔和天線中部署其網絡。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（UNB）

超窄帶系統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為一串窄脈沖信息。零群時延濾波器是超窄帶技術所特有的，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，先經過零群時延濾波器，濾出部分帶外噪聲。然后送入解調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

2.3.1 概述

基于蜂窩的通信技術與物聯網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計的新無線接入系統，以解決蜂窩式物聯網的通訊需求。NB-IoT主要用于解決傳統2G、3G、4G技術并不能充分滿足物聯網設備低功耗、低成本的連接需求。可以滿足改進的室內覆蓋、支持大量低吞吐量設備、低時延敏感性、低成本、低功耗、優化的網絡架構

2.3.2 NB-IoT特性

NB-IoT技術具備頻譜窄、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網絡

2.3.3.1 網絡結構

終端通過空口連接到基站，無線網主要是承擔空口的接入處理、小區管理等功能，并通過S1-lite接口與IoT核心網連接，將非接入層的數據轉發高層網元進行處理，有兩種組網方式，一是整體式無線接入網（Singel RAN），包括2G/3G/4G及NB-IoT無線網。另一種是NB-IoT新建。核心網（EPC）則承擔與終端非接入層交互的功能，并將IoT業務的相關數據轉發IoT平臺處理。

2.3.3.2 網絡部署

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)帶內部署，利用LTE的載波資源。

2.4 NB-IoT技術點

為了實現覆蓋的增強，基站與NB-IoT 終端之間通過采用較少數量的子載波，將需要傳遞數據進行重復傳送，利于接收端提高數據解出的成功率。按照目前規范的內容，隨機存取信道、控制信道、數據信道傳遞信息的重復傳送次數，最高可達2048次。NB-IoT支持在頻段內（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PRB進行數據傳輸；Guard Band是利用LTE載波內的Guard Band進行數據傳輸；Stand-alone是使用非LTE頻段的載波進行數據傳輸。NBIoT支持最大數據速率：上行為64Kbit/s，下行為28Kbit/s。

3 結束語

上述僅對LPWAN的三種典型技術進行了分析，但LPWAN應用技術繁多，還有Weightless、RPMA、eMTC、ZETA等眾多的技術流派，在各種技術在基本技術指標上沒有明顯差異的情況下，成本、整體解決方案、開發者生態以及整個產業鏈將會決定最終技術的命運。