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user: 2. 低功耗广域网技术 低功耗广域网(low-power Wide-Area Network (LPWAN))是为了满足越来越多远距离物联网设备的连接要求，即为了物联网应用中的M2M通信场景而优化，发展的一项新技术。LPWAN具有低功耗，远距离，低运维成本等特点，可以真正的实现大区域物联网低成本全覆盖，在未来的智慧城市的建设发展过程中，LPWAN的应用将会越来越多。下面介绍的是LPWAN中几种典型的无线技术。 2.1. LoRa 2.1.1. 技术简介 LoRa的全称是“Long Rang”，是LPWAN一种成熟的通信技术，是美国(Semtech)公司的一种基于扩频技术的低功耗超长距离无线通信技术，是Semtech公司的私有物理层技术，主要采用的是窄带扩频技术，抗干扰能力强，大大的改善了接收灵敏度，在一定程度上奠定了LoRa技术的远距离和低功耗性能的基础 [ 1 ] 。2015年3月建立了LoRa全球技术联盟，LoRa联盟是一个开放的，非营利性协会，其成员包括多国的电信运营商、设备制造商、传感器生产商、半导体公司、系统集成商。联盟成员之间分享知识和技术，为了共同开展LoRaWAN标准的制定，并通过构建生态系统的方式推动LoRa的推广与普及。目前来看，LoRa网络已经在世界多个地点进行试点，最新公布的数据，已经有17个国家公开宣布了建网计划，120多个城市地区拥有正在运行的LoRa网络，例如美国、法国、德国、澳大利亚、印度等等，而荷兰、瑞士、韩国更是部署或者计划部署覆盖全国的LoRa网络。国外正在如火如荼的进行着，国内则有点冷清，LoRa的应用似乎并不多，可看到的公开应用是国内AUGTEK公司在京杭大运河开展的LoRa网络建设，据了解目前已经完成江苏段的全线覆盖。总体看来，LoRa是为了解决物联网中M2M (物对物)无线通信的需求，主要是在全球免费频段运行，包括433、470、868、915 MHz等非授权频段的低功耗广域接入网技术。 2.1.2. 关键技术 1) LoRa调制方式 LoRa技术采用的是基于线性调频信号(Chirp)扩频技术，同时结合了数字信号处理和前向纠错编码技术 [ 2 ] ，然后数字信号通过调制Chirp信号，将原始信号频带展宽至Chirp信号的整个线性频谱区间，这样大大增加了通信范围。此前，扩频调制技术具有通信距离远和高鲁棒性的特点，在军事和航天通信领域得了广泛的运用，这是第一次运用在商业用途，达到了意想不到的效果。而且随着LoRa的引入，嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变。高的时间带宽积和非常宽的频带是LoRa调制方式的显著优点，拥有高的时间带宽积(BT > 1)可以避免无线电信号遭受带内和带外的干扰，足够宽带的调制利于抵抗室内传播的多径衰落 [ 1 ] 。Lora调制拥有六个可调的扩频因子(SF)，分别是SF = 7、8、9、10、11、12，当扩频因子发生变化的时候，有效的数据率也会随之发生变化。多个不同的扩展信号可以在同一个频带内传播，相互不会干扰，不仅提高了频谱效率而且不会降低通信性能。 2) LoRa通信协议 基于LoRa技术的网络层协议主要是LoRaWAN，定义了网络通信协议和系统架构，LoRaWAN的通信系统网络是星状网架构。主要分为以下三种 [ 2 ] ，第一个，点对点通信，就是A点发起，B点接收。第二个，星状网轮询，一点对多点的方式，一个中心点和N个节点，由节点出发，中心点接收然后确认接收完成，下一个节点继续上传，直到N个节点完成，这算一个循环周期。第三个，星状网并发，也是一点对多点的通信，不同的是多个节点可以同时与中心点通讯，这样就节约了节点的功耗，避免了个别节点的故障而引起网络的瘫痪，网络的稳定性得到了提高。 2.1.3. LoRa的应用 LoRa无线技术使用全球免费频段，基站或者网关有很强的穿透能力，在郊区连接传感器的距离可以达到15~30 km。LoRa使用异步协议，节点可以根据完成具体的任务而进行长短不一的休眠，辅以较低的数据速率，使得电池的寿命可达到3~10年。覆盖范围广、使用时间长，而且LoRa的节点可以达到百万级，这些显著的特征使得LoRa技术可以应用在要求功耗低、远距离、大量连接等物联网应用。如智慧交通，准确的提供车速、车距、车流量等交通数据；智能停车，通过对车位进行实时监测，实现信息透明，从而实现收费准确和减少人工费的目的；智慧桥梁，通过及时评估桥梁状态，可减少事故发生概率；城市智能井盖，通过监测井盖位置，实现减少车辆事故、人员伤亡；智能农业，通过对温度、湿度、风速等检测，把握生长状况，提高产量；除此之外，还可以用在智能医疗、智能海洋、智能追踪等方面。 2.2. NB-IOT 2.2.1. 技术简介 NB-IoT (Narrow Band Internet of Things)是可与蜂窝网融合演进的低成本电信级高可靠性、高安全性广域物联网技术。NB-IoT构建于蜂窝网络之上，只消耗约180 KHz的频段，可以直接部署于GSM网络，UMTS网络和LTE网络。NB-IoT采用的是授权频带技术，以降低成本。NB-IoT具有四大优势 [ 3 ] ，一是海量链接的能力，在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50~100倍的接入数。一个扇区能够支持，10万个连接，设备成本降低，设备功耗降低，网络架构得到优化。二是覆盖广，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益提升了20 dB，相当于提升了100倍的覆盖面积。三是低功耗，NB-IoT借助PSM (Power Saving Mode，节电模式)和eDRX (Extended Discontinuous Reception，超长非连续接收)可实现更长待机，它的终端模块待机时间可长达10年之久。四是低成本，NB-IOT和LoRa不同，不需要重新建网，射频和天线都是可以复用的，企业预期的模块价格也不会超过5美元。 2.2.2. 关键技术 1) NB-IoT的部署方式 NB-IoT占用180 KHz的带宽，再考虑两边的保护带，共计200 KHz，支持三种部署场景 [ 4 ] ，如图1所示，分别是独立部署(Stand-alone)，GSM的信道带宽是200 KHz，正好给NB-IoT带宽腾出了空间，两边还有10 KHz的保护间隔，还与LTE中的频带不重叠，因此适合用于GSM频段的重耕；保护带部署(Guard-band)，就是利用LTE系统中无用的边缘频带，将NB-IoT部署在LTE的保护带内；带内部署(In-band)，可利用LTE载波中间内的任何资源块，无限接近于LTE资源块，为了避免干扰，3 GPP要求NB-IoT信号的功率谱密度与LTE信号的功率谱密度不得超过6 dB。 2) NB-IoT物理层特性 NB-IoT的物理信道很大程度上是基于LTE的，NB-IoT的下行采用正交频多分址(OFDMA)技术，载波带宽是180KHz，这确保了下行与LTE的相容性。对于下行链路，NB-IoT设计了三种物理信道 [ 5 ] ，包括窄带物理广播信道(NPBCH)、窄带物理下行控制信道(NPDCCH)、窄带物理下行共享信道(NPDSCH)；还定义了两种物理信号，窄带参考信号(NRS)、主同步信号和辅同步信号(NPSS和NSSS)。通过缩短下行物理信道类型，既满足了下行传输带宽的特点也增强了覆盖面积的要求。NB-IoT上行支持多频传输和单频传输，多频传输的子载波间隔是15 KHz，对速率要求高的可以采用这个；单频传输的子载波间隔是15 KHz或者3.75 KHz，对广覆盖范围有要求，可以使用这个。NB-IoT定义了两种物理信道，有窄带物理上行共享信道(NPUSCH)，窄带物理随机接入信道(NPRACH)和一种上行解调参考信号(DMRS)。 图1. NB-IoT支持的三种部署方式 2.2.3. NB-IoT的应用 [ 6 ] NB-IoT得到华为、爱立信、中兴通信、中国移动、中国联通、沃达丰、GSMA、GTI等公司的支持和加入，其技术日趋成熟，正在飞速的渗入人们的生活。根据NB-IoT低功耗、广覆盖、大连接、低成本、低速率等特点，再结合移动性能不强，适合静止的场景，我们可以考虑的应用领域就显而易见了，智能计量，对水、煤气、电力的数据采集，数据量小，节省人力；智能报警，如家庭温度和烟雾的增加，通过传感器与网络进行通信，达到保护家庭安全；智慧工业和农业，进行物流，资产跟踪，农林牧渔控制等；智能自行车，最近较火爆的共享单车，随处可见，对于共享单车公司，最重要的是可以实时监测自行车的位置，公司将SIM卡隐藏到自行车上，这样自行车的被盗数量和成本就会大幅度减少；智能垃圾桶，智能停车，智能医疗等等，都可以使用这项技术。 2.3. Sigfox 2.3.1. 技术简介 Sigfox公司以建设全球性物联网专网为目标，最初是在法国部署的，现在已经覆盖到西班牙、法国、俄罗斯、英国、荷兰、美国、澳大利亚、新西兰、德国等几十个国家，覆盖人口已达到3.11亿，注册终端已超过1000万 [ 7 ] 。Sigfox模块可以在多个供应商获得，未来硬件的价格会降低，Sigfox期望很大，意图想成为全球IoT运营商。 2.3.2. 关键技术 Sigfox以其超窄带(UNB)技术开始了低功耗广域网络的布局，超窄带技术每秒只能处理10到1000比特的数据，但能支持成千上万的连接。它使用称为二进制相移键控(BPSK)的标准无线电传输方法，采用非常窄的频谱块，通过改变载波无线电波的相位以对数据进行编码。UNB技术不仅成本远低于传统的蜂窝网络，而且其网络所占用的900 MHz无线频段在美国不需要授权。Sigfox只面向物联网中的短信息类业务，接入Sigfox网络的设备每条消息最大的长度大约为12字节，并且每天每个设备所能发送的消息不能超过140条，可以满足类似温湿度、位置等简单信息的传输要求。还通过限定单个节点对信道资源的占用时间，使得网络可以服务更多的节点。Sigfox在城市内的覆盖范围有3~10 km，而在空旷地带的覆盖距离可达到30~50 km，这样就可以使用很少的基站对一个区域进行网络覆盖，在法国，仅仅使用了1500个基站 [ 1 ] 就完成了对全国的覆盖，大大降低了网络的资费。 2.4. Weightless 2.4.1. 技术简介 Weightless是一组较早公开的物联网无线通信标准。由Weightless SIG主导和管理通信标准，标准免费提供给Accenture和ARM成员使用。Weightless提供低功耗广域网的无线连接技术，专为物联网而设计的。Weightless自2012年12月公布以来，已经发布了三项标准，有Weightless-N，Weightless-P，Weightless-W。 2.4.2. 关键技术 Weightless也是低功耗广域网的一种无线连接技术，和其他的LPWAN一样具有低功耗，低速率，通信距离远等特点，Weightless是一种开放的标准，有别于其他专有的无线连接技术。Weightless目前有三种版本，表1是对三种版本的基本比较：考虑成本，可以选择单项通信的Weightless-N；想要得到高性能，则适合双向通信的Weightless-P；如果当地的空白频段可以用的话，就选择Weightless-W。 Weightless-W是针对电视白频谱的低功耗广域网协议，该频谱并不具备区域的普遍性，极大地阻碍 Table 1 Three different types open standards of Weightles Weightless-N Weightless-P Weightless-W 方向性 1 2 2 特征 简单 完整 完善 范围 5 km+ 2 km+ 5 km+ 电池寿命 10年 3~8年 3~5年 场站成本 非常低 低 中低等 网络成本 非常低 中等 中等 表1. Weightless三种不同的开放标准 了该技术的发展，所以后面发布了Weightless-N，来解决这一问题，Weightless-N同样采用的是星状拓扑，终端节点可随时加入和退出网络，不影响其他节点的正常工作。 Weightless-N使用Sub-GHz频谱和超窄带技术，拥有良好讯号传播特性，即使在复杂的城市环境中，也可以将讯号传送几公里外的范围。该技术具备极低功耗，因此能延长传统小型电池和先进设计电池的寿命，减少终端硬体和网路成本。 Weightless-P提供灵活的信道分配，使用的是12.5 kHz信道，在大规模部署中可以通过频率来进一步提高网络性能，自适应数据速率是从200 b/s到100 Kb/s来优化无线电资源使用以达到最大的性能 [ 8 ] 。 2.5. 低功耗局域网技术比较 表2，从各个方面进行技术比较，可以更加直观的看出低功耗广域网技术方面的差异。