LPWAN的優(yōu)點(diǎn)和局限性

有許多組織競爭使用LPWAN技術(shù)來充分利用物聯(lián)網(wǎng)。 在這一點(diǎn)上，關(guān)于該技術(shù)的討論太多了，我認(rèn)為最好寫一個(gè)指南來確切地說明LPWAN是什么、它可以做什么以及一些公司如何積極地推動(dòng)其發(fā)展。

首先，什么是“ LPWAN”？

LPWAN代表“低功耗，廣域網(wǎng)”。 （順便說一句，LPWA和LPN的意思完全相同。） 這是一種廣域網(wǎng)，允許配備無線電的設(shè)備進(jìn)行通信。 WANs只是電信網(wǎng)絡(luò)。 您每天所依賴的手機(jī)信號(hào)塔和5G系統(tǒng)是WAN。 如果您想獲得技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)也是如此。 您可以使用5G技術(shù)甚至有線寬帶形成物聯(lián)網(wǎng)WAN。 但是，除非您的設(shè)備帶有電源插頭，否則您將很快用盡電池電量。 取而代之的是，將在LOW POWER無線WANS – LPWAN中找到大規(guī)模、低維護(hù)、廣泛分布的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的未來。

LPWAN使用無線通信使用非常低的功率信號(hào)在很廣的范圍內(nèi)將設(shè)備鏈接在一起。 它們的主要缺點(diǎn)是與Wi-Fi或移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)相比：它們的比特率非常低。 少數(shù)LPWAN可以每通道每秒管理甚至1百萬bit，而最慢的WAN也可以每秒處理1百bit。 這個(gè)缺點(diǎn)是可以接受的，因?yàn)樗鼈兇_實(shí)是低功耗應(yīng)用。 許多LPWAN連接相距數(shù)英里的電池供電傳感器，并且在兩次電池更換之間必須運(yùn)行數(shù)年才能實(shí)用。

LPWAN可以在私有級(jí)別上進(jìn)行開發(fā)和部署，但這需要設(shè)置自己的網(wǎng)關(guān)，我們將在稍后討論。 其中一項(xiàng)技術(shù)MXC極域協(xié)議鼓勵(lì)第三方建立網(wǎng)關(guān)，并允許傳感器所有者或運(yùn)營商以商業(yè)方式使用其網(wǎng)絡(luò)。 在這里，我們可以看到大多數(shù)真正有趣的創(chuàng)新。

因此，有一個(gè)方便的通用LPWAN協(xié)議，對(duì)嗎？

哈哈！ 您見過電子工程師嗎？ 不。 有許多競爭協(xié)議。 這可能會(huì)造成混亂和一些不必要的重復(fù)，但同時(shí)也允許該技術(shù)與眾不同，將不同的事情做得很好。

LPWAN協(xié)議分為兩大類：蜂窩和非蜂窩。 蜂窩LPWAN系統(tǒng)使用許可的蜂窩頻率（與電話使用的信號(hào)范圍相同），而非蜂窩系統(tǒng)則不使用。 相反，他們使用為“工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)”用途預(yù)留的ISM無線電頻段，這些頻段根本沒有獲得許可。

流行的蜂窩LPWAN協(xié)議包括：

• EC-GSM-IoT

• LTE-M (也稱為 LTE Cat-M1 和 Cat-M1)

• NB-IoT (又稱Cat-M2)

其中，也許最受歡迎的是LTE-M，它使用智能手機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施，確實(shí)使它成為一個(gè)非常廣泛的網(wǎng)絡(luò)。 “M”代表LTE標(biāo)準(zhǔn)手機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施上的MTC（機(jī)器類型通信）。 LTE-M網(wǎng)絡(luò)以高達(dá)1 Mbps的比特率在高端運(yùn)行。

電信提供商可以通過添加一些軟件來構(gòu)建LTE-M LPWAN網(wǎng)關(guān)，而無需添加新硬件。 Verizon，AT＆T和Bell已經(jīng)開始推出網(wǎng)關(guān)。

NB-IoT代表窄帶物聯(lián)網(wǎng)，作用如其名字。 它的最大比特率約為LTE-M系統(tǒng)的四分之一，約為250 kbps，并且它不像移動(dòng)設(shè)備那樣使用LTE。 它依靠DSSS調(diào)制。 它可以用于LTE頻段或180 kHz左右的GSM頻段。

有趣的是，NB-IoT不需要網(wǎng)關(guān)。 如果已建立其他物理和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，設(shè)備可以將數(shù)據(jù)直接發(fā)送到服務(wù)器。 它也被認(rèn)為是非常可靠的協(xié)議，因此對(duì)于高優(yōu)先級(jí)監(jiān)視應(yīng)用程序是首選。 與LTE-M相比，運(yùn)行消耗的電源更少。

該標(biāo)準(zhǔn)在歐洲比在美國更受歡迎，并且可能由于缺乏投資而受阻。 制造的窄帶芯片組數(shù)量不多，這使得單位成本相當(dāng)高。 有傳言說，更多的數(shù)量即將出現(xiàn)，所以這種情況可能會(huì)改變。

最后但并非最不重要的一點(diǎn)，讓我們看一下EC-GSM-IoT。 這代表移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的擴(kuò)展覆蓋全球系統(tǒng)。 它在GPRS（通用分組無線服務(wù)）頻段上工作。 只要運(yùn)行該軟件，任何GSM網(wǎng)絡(luò)都可以運(yùn)行該協(xié)議。

與其他兩“大”標(biāo)準(zhǔn)相比，EC-GSM-IoT在用戶或開發(fā)人員中并不十分受歡迎。 我并不是說這是因?yàn)樗拿趾軤€，但是……這個(gè)名字真的太糟糕了。

非蜂窩LPWAN協(xié)議包括：

• LoRa（包括LoRaWAN和Symphony Link）

• MXC極域協(xié)議

• Ingenu （也稱RPMA）

• Sigfox

• Weightless （包含 Nwave 和 Weightless-p）

其中，LoRaWAN是最著名的。 它由LoRa聯(lián)盟推出，該聯(lián)盟由500多家公司組成，包括IBM、Cisco和阿里巴巴等真正的影響者。 請(qǐng)注意，LoRaWAN規(guī)范可供開發(fā)人員公開使用，但核心的LoRa技術(shù)是專有的，并且在售出的每個(gè)芯片上都要支付使用費(fèi)。

要使用LoRaWAN，您需要整個(gè)套件-服務(wù)器、斷路器、訪問點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)。 好消息是，在這500家公司中，有許多公司出售諸如網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器之類的單個(gè)產(chǎn)品。 一方面，這可能很麻煩，但它可以確保您完全控制網(wǎng)絡(luò)，并可以按照自己喜歡的任何方式對(duì)其進(jìn)行配置。

LoRa系統(tǒng)最多可以支持222個(gè)字節(jié)，這雖然不大，但確實(shí)提供了一定的靈活性。 如果您足夠耐心的話，它甚至可以保留最新消息。 它在美國以915 MHz運(yùn)行，在歐洲以869 MHz運(yùn)行。

帶有MXC極域協(xié)議的LoRAWAN MXC極域協(xié)議使用先進(jìn)的防沖突協(xié)調(diào)器，可以通過在許多平方英里的地理區(qū)域內(nèi)進(jìn)行雙路通信，使大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接成千上萬的設(shè)備。 它使具有重疊區(qū)域的網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)傳輸成為可能。

MXC極域協(xié)議添加到LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的4個(gè)主要功能：

它最大程度地減少了跨多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包沖突：

• 它可以在不同網(wǎng)絡(luò)之間動(dòng)態(tài)分配資源

• 它可以使多余的網(wǎng)絡(luò)資源得到充分利用-實(shí)質(zhì)上允許LoRaWAN傳感器進(jìn)行“網(wǎng)絡(luò)漫游”

• 它使用加密貨幣（Machine eXchange Coin）創(chuàng)建貨幣化系統(tǒng)

• 他們有白皮書，涵蓋了所有詳細(xì)信息。

Symphony Link使用LoRa PHY層，但其他所有操作也自己運(yùn)行。 它從未真正起飛，不是因?yàn)樗惺裁磫栴}，而是因?yàn)榕cLoRa聯(lián)盟主宰者無法與之抗衡。 如今，Link Labs致力于開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序。

Sigfox是ISM頻段上最古老的標(biāo)準(zhǔn)，并且在915和869 MHz上運(yùn)行。 它實(shí)質(zhì)上創(chuàng)建了類別。 它已被廣泛使用，在近5個(gè)國家擁有網(wǎng)絡(luò)，并計(jì)劃在2018年底之前擴(kuò)展到60個(gè)國家。

Sigfox的獨(dú)特之處在于，他們擁有并運(yùn)營基礎(chǔ)架構(gòu)，并向用戶/所有者收費(fèi)以發(fā)送數(shù)據(jù)。 一般來說，它便宜。 如果您的設(shè)備每天僅發(fā)送少量消息，那么您最終將僅需為該服務(wù)每年支付幾美元。 Sigfox不向芯片供應(yīng)商收取專利使用費(fèi)，并免費(fèi)提供其大部分IP。 畢竟，他們希望您設(shè)計(jì)使用其系統(tǒng)的設(shè)備。

不利的一面是，每個(gè)Sigfox消息都被限制為最小12個(gè)字節(jié)。 您還必須等待他們?yōu)槟⒕W(wǎng)絡(luò)。 但是，如果您可以將信號(hào)縮減為12個(gè)1和0，并且可以按照其時(shí)間表工作，那么這是一種無需基礎(chǔ)架構(gòu)的選項(xiàng)，具有良好的安全性和低功耗需求。

Ingenu（RPMA）在承載藍(lán)牙和Wi-Fi的2.4 GHz頻段上運(yùn)行。 該頻段遍布世界各地，這是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。 總體來說，這也是一個(gè)更廣泛的范圍。

Ingenu的隨機(jī)相位多路訪問（RPMA）系統(tǒng)既是PHY層又是MAC層。 它使Ingenu網(wǎng)絡(luò)可以做一些非常有趣的事情，例如使用單個(gè)網(wǎng)關(guān)每小時(shí)在176平方英里的地方發(fā)送半百萬條消息。 單只電池的發(fā)射器就可以使用10到20年（估計(jì)），并且安裝的第一個(gè)發(fā)射器如今仍在歡快地鳴叫。

該系統(tǒng)提供了Ingenu所期待的已制定LPWA標(biāo)準(zhǔn)的功能：廣播功能、身份驗(yàn)證、響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)、靈活的數(shù)據(jù)包大小、交付確認(rèn)、甚至與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的全雙向通信。

Ingenu的機(jī)器網(wǎng)絡(luò)目前覆蓋30個(gè)國家（以及美國30個(gè)城市）的100,000平方英里以上的領(lǐng)土。 他們也正在采取行動(dòng)在平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）的基礎(chǔ)上提供RPMA。

然后，我們有了無線通信LPWAN標(biāo)準(zhǔn)。 無線通信可能在163 MHz至923 MHz的任何sub-GHz ISM頻段上運(yùn)行。 當(dāng)然，這些都是未經(jīng)許可的。

Weightless-N，Weightless-W和Weightless-P都是由Weightless Special Interest Group提供的，但是N和W幾乎都被放棄了，P被重新命名為簡單的“Weightless”。

有趣的是，無線通信SIG是非營利性組織。 他們已經(jīng)制定了無線通信和開放標(biāo)準(zhǔn)，理想情況下可以增加吸引力和創(chuàng)新。 但是，它不是很流行，并且沒有很多可用的硬件。 一個(gè)例外是Nwave智能停車場公司，他們使用的舊版Weightless N標(biāo)準(zhǔn)的專有版本非常廣泛。