LPWAN的優點和局限性

有許多組織競爭使用LPWAN技術來充分利用物聯網。 在這一點上，關于該技術的討論太多了，我認為最好寫一個指南來確切地說明LPWAN是什么、它可以做什么以及一些公司如何積極地推動其發展。

首先，什么是“ LPWAN”？

LPWAN代表“低功耗，廣域網”。 （順便說一句，LPWA和LPN的意思完全相同。） 這是一種廣域網，允許配備無線電的設備進行通信。 WANs只是電信網絡。 您每天所依賴的手機信號塔和5G系統是WAN。 如果您想獲得技術，互聯網也是如此。 您可以使用5G技術甚至有線寬帶形成物聯網WAN。 但是，除非您的設備帶有電源插頭，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中找到大規模、低維護、廣泛分布的物聯網應用的未來。

LPWAN使用無線通信使用非常低的功率信號在很廣的范圍內將設備鏈接在一起。 它們的主要缺點是與Wi-Fi或移動數據網絡相比：它們的比特率非常低。 少數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。 這個缺點是可以接受的，因為它們確實是低功耗應用。 許多LPWAN連接相距數英里的電池供電傳感器，并且在兩次電池更換之間必須運行數年才能實用。

LPWAN可以在私有級別上進行開發和部署，但這需要設置自己的網關，我們將在稍后討論。 其中一項技術MXC極域協議鼓勵第三方建立網關，并允許傳感器所有者或運營商以商業方式使用其網絡。 在這里，我們可以看到大多數真正有趣的創新。

因此，有一個方便的通用LPWAN協議，對嗎？

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

LPWAN協議分為兩大類：蜂窩和非蜂窩。 蜂窩LPWAN系統使用許可的蜂窩頻率（與電話使用的信號范圍相同），而非蜂窩系統則不使用。 相反，他們使用為“工業、科學和醫學”用途預留的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，它使用智能手機基礎設施，確實使它成為一個非常廣泛的網絡。 “M”代表LTE標準手機基礎設施上的MTC（機器類型通信）。 LTE-M網絡以高達1 Mbps的比特率在高端運行。

電信提供商可以通過添加一些軟件來構建LTE-M LPWAN網關，而無需添加新硬件。 Verizon，AT＆T和Bell已經開始推出網關。

NB-IoT代表窄帶物聯網，作用如其名字。 它的最大比特率約為LTE-M系統的四分之一，約為250 kbps，并且它不像移動設備那樣使用LTE。 它依靠DSSS調制。 它可以用于LTE頻段或180 kHz左右的GSM頻段。

有趣的是，NB-IoT不需要網關。 如果已建立其他物理和數據基礎結構，設備可以將數據直接發送到服務器。 它也被認為是非常可靠的協議，因此對于高優先級監視應用程序是首選。 與LTE-M相比，運行消耗的電源更少。

該標準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量不多，這使得單位成本相當高。 有傳言說，更多的數量即將出現，所以這種情況可能會改變。

最后但并非最不重要的一點，讓我們看一下EC-GSM-IoT。 這代表移動物聯網的擴展覆蓋全球系統。 它在GPRS（通用分組無線服務）頻段上工作。 只要運行該軟件，任何GSM網絡都可以運行該協議。

與其他兩“大”標準相比，EC-GSM-IoT在用戶或開發人員中并不十分受歡迎。 我并不是說這是因為它的名字很爛，但是……這個名字真的太糟糕了。

非蜂窩LPWAN協議包括：

• LoRa（包括LoRaWAN和Symphony Link）

• MXC極域協議

• Ingenu （也稱RPMA）

• Sigfox

• Weightless （包含 Nwave 和 Weightless-p）

其中，LoRaWAN是最著名的。 它由LoRa聯盟推出，該聯盟由500多家公司組成，包括IBM、Cisco和阿里巴巴等真正的影響者。 請注意，LoRaWAN規范可供開發人員公開使用，但核心的LoRa技術是專有的，并且在售出的每個芯片上都要支付使用費。

要使用LoRaWAN，您需要整個套件-服務器、斷路器、訪問點和網關。 好消息是，在這500家公司中，有許多公司出售諸如網關和服務器之類的單個產品。 一方面，這可能很麻煩，但它可以確保您完全控制網絡，并可以按照自己喜歡的任何方式對其進行配置。

LoRa系統最多可以支持222個字節，這雖然不大，但確實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運行，在歐洲以869 MHz運行。

帶有MXC極域協議的LoRAWAN MXC極域協議使用先進的防沖突協調器，可以通過在許多平方英里的地理區域內進行雙路通信，使大規模物聯網網絡連接成千上萬的設備。 它使具有重疊區域的網關協調傳輸成為可能。

MXC極域協議添加到LoRaWAN網絡的4個主要功能：

它最大程度地減少了跨多個網絡的數據包沖突：

• 它可以在不同網絡之間動態分配資源

• 它可以使多余的網絡資源得到充分利用-實質上允許LoRaWAN傳感器進行“網絡漫游”

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

• 他們有白皮書，涵蓋了所有詳細信息。

Symphony Link使用LoRa PHY層，但其他所有操作也自己運行。 它從未真正起飛，不是因為它有什么問題，而是因為與LoRa聯盟主宰者無法與之抗衡。 如今，Link Labs致力于開發物聯網應用程序。

Sigfox是ISM頻段上最古老的標準，并且在915和869 MHz上運行。 它實質上創建了類別。 它已被廣泛使用，在近5個國家擁有網絡，并計劃在2018年底之前擴展到60個國家。

Sigfox的獨特之處在于，他們擁有并運營基礎架構，并向用戶/所有者收費以發送數據。 一般來說，它便宜。 如果您的設備每天僅發送少量消息，那么您最終將僅需為該服務每年支付幾美元。 Sigfox不向芯片供應商收取專利使用費，并免費提供其大部分IP。 畢竟，他們希望您設計使用其系統的設備。

不利的一面是，每個Sigfox消息都被限制為最小12個字節。 您還必須等待他們為您建立網絡。 但是，如果您可以將信號縮減為12個1和0，并且可以按照其時間表工作，那么這是一種無需基礎架構的選項，具有良好的安全性和低功耗需求。

Ingenu（RPMA）在承載藍牙和Wi-Fi的2.4 GHz頻段上運行。 該頻段遍布世界各地，這是一個很大的優勢。 總體來說，這也是一個更廣泛的范圍。

Ingenu的隨機相位多路訪問（RPMA）系統既是PHY層又是MAC層。 它使Ingenu網絡可以做一些非常有趣的事情，例如使用單個網關每小時在176平方英里的地方發送半百萬條消息。 單只電池的發射器就可以使用10到20年（估計），并且安裝的第一個發射器如今仍在歡快地鳴叫。

該系統提供了Ingenu所期待的已制定LPWA標準的功能：廣播功能、身份驗證、響應網絡、靈活的數據包大小、交付確認、甚至與物聯網設備的全雙向通信。

Ingenu的機器網絡目前覆蓋30個國家（以及美國30個城市）的100,000平方英里以上的領土。 他們也正在采取行動在平臺即服務（PaaS）的基礎上提供RPMA。

然后，我們有了無線通信LPWAN標準。 無線通信可能在163 MHz至923 MHz的任何sub-GHz ISM頻段上運行。 當然，這些都是未經許可的。

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。 他們已經制定了無線通信和開放標準，理想情況下可以增加吸引力和創新。 但是，它不是很流行，并且沒有很多可用的硬件。 一個例外是Nwave智能停車場公司，他們使用的舊版Weightless N標準的專有版本非常廣泛。