低功耗广域网（LPWAN）技术分析

2022-01-22刘锋夏琼

电子测试 2021年21期

刘锋，夏琼

(中国信息通信研究院西部分院，重庆，401336)

0 引言

低功耗广域网（Low Power Wide Area Network, LPWAN）是一种广范围、低功耗的远程无线网络通信技术，具有远距离、低带宽、低速率、低功耗、低成本、低占空比、支持大量终端连接等特点，是为物联网应用中的M2M通信场景优化革命性的接入技术。目前，LPWAN技术尚未形成统一的标准，Sigfox、LoRa、NB-IoT、Telensa、PTC等都是比较典型的LPWAN技术。本文主要就LPWAN典型技术及主要应用进行研究阐述。

1 LPWAN应用概述

各类LPWAN技术从使用的无线电频段，可分为两类：授权频段（License Band），3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术，如NB-IoT、EC-GSM等；以及非授权频段（Unlicense Band），如LoRa、SigFox等。

图1 LPWAN技术频谱分布

在物联网LPWAN技术标准的推进和商用进程中，LoRa、SigFox和NB-IoT脱颖而出，从商用推进的角度，主流运营商，设备、芯片厂商均支持NB-IoT技术，因其在全球大部分地区已部署蜂窝网络，在此基础上快速部署NB-IoT网络并非难事。不过，LoRa、SigFox商用化的快速发展，也得到了不少电信运营商的青睐，欧洲多家运营商已经着手搭建基于LoRa、SigFox的网络，虽然与支持NB-IoT的厂商相比规模不大，但在这些运营商网络和市场基础上也将在多地形成运营商级低功耗广域网。

这三种技术代表了三种商业模式：

(1)LoRa——技术的提供，组成全球物联网；

(2)SigFox——成为全球物联网运营商；

(3)NB-IoT——改进现有的技术，为网络运营商谋取更多的利益。

2 LPWAN主要技术分析

2.1 LoRa技术

2.1.1 概述

LoRa（Long Range）是LPWAN通信技术中的一种远距离低功耗通信技术。LoRa改变以前关于传输的距离与功耗间折衷的考虑方式，帮助用户提供远距离、长寿命、大容量的系统，扩展传感网络。LoRa使用免费频段：433MHz、868MHz、915 MHz等。理论上可以使用150-1000MHz任一频率，但LoRa芯片的使用有限制，并非所有的sub-GHz频段都能使用，无法很有效的支持如433MHz、780MHz等常用频段以外的一些频率。

2.1.2 LoRa特性

LoRa技术具备远距离、低功耗（电池寿命长）、多节点、低成本、易于部署和标准化等特点。

2.1.3 LoRa网络

2.1.3.1 网络结构

LoRa网络主要由终端、网关、服务器和云组成。应用数据可支持双向传输。网络中，LoRa网关是终端和服务器的信息桥梁，是多信道的收发机。终端通过单跳与一个或多个网关通讯，所有的终端均是双向通讯，同时支持软件远程升级；网关与网络服务器之间通过标准IP进行连接。LoRa终端一般由LoRa模块和传感器等器件组成，可以使用电池供电，支持远程定位。

2.1.3.2 网络部署

LoRa主要四种网络部署方式，包括：分布式部署、链路式部署、宏基站部署和移动式部署，其中，分布式和宏基站部署方式，支持在现有基站位置安装网关和一个Ethernet连接即可。

2.1.4 LoRa核心技术

2.1.4.1 前向纠错编码技术

通过给待传输数据序列中增加冗余信息，使数据传输进程中注入的错误码元在接收端被及时纠正。

2.1.4.2 新型的扩频技术

新型扩频技术极大改善了接收灵敏度。高达157db的链路预算可以保证通信距离在15公里（与环境有关）。接收电流仅10mA，睡眠电流＜200nA，大大延长了电池使用寿命。

2.1.4.3 多信道多数据速率并行处理

网关/集中器支持多信道、多数据速率并行处理，系统容量大。每个网关每天可处理500万次各节点间的通信（假设每次发送10Bytes，网络占用率10%）。

2.1.4.4 基于终端和集中器/网关的系统可以支持测距和定位

LoRa对于距离的测量是基于信号的空中传输时间，而非传统 RSSI（Received Signal Sterngth Indication），定位是基于多点（网关）对一点（节点）的空中传输时间差进行测量。定位精度可达5m（假设10km的范围）。

2.2 SigFox技术

2.2.1 概述

SigFox主要打造低攻耗、低成本的无线物联网专用网络，其独有低功耗广域网技术——超窄带技术（Ultra Narrow Band，UNB），每秒只能处理10到1000比特的数据，但可支持成千上万的连接。

2.2.2 SigFox特性

SigFox技术具备长距离、低功耗（电池寿命长）、低成本、易于部署等特点。

2.2.3 SigFox网络

2.2.3.1 网络结构

SigFox网络采用星型拓扑结构，每个基站通过点对点链路与SigFox云进行通信。网络的传输过程为在终端中嵌入调制解调器，通过调制解调器将信息发出，收发器收到信息后传到网络服务器中（传输方式暂时未知），服务器再将信息传给第三方应用。设备侧，嵌入的无线模块约为两个拇指头大小，发送功率只有蜂窝网环境下工作模块的 1/50。模块仅靠内部电池即可维持长达20年的工作连接。

2.2.3.2 网络部署

SigFox目前已经开始与合作伙伴联手在其现有的手机信号塔和天线中部署其网络。这种部署方式被称为“使我们能够显著降低资本支出和运营支出成本”的模式。

2.2.3.3 超窄带技术（UNB）

超窄带系统中的基带信号是一般非归零（NRZ）或其他形式的矩形信号。窄带脉冲生成器将基带信号变为一串窄脉冲信息。零群时延滤波器是超窄带技术所特有的，其主要特点就是群时延非常小，接近于零，且其滤波带宽也可以窄到仅有1Hz。接收机在接收到信号后，先经过零群时延滤波器，滤出部分带外噪声。然后送入解调部分恢复出含有窄脉冲的基带信号，得到的窄脉冲信号再进一步输入到解码电路，恢复出最终的基带信号。

2.3 NB-IoT技术

2.3.1 概述

基于蜂窝的通信技术与物联网之间一直存在一条难以跨越的鸿沟，NB-IoT的提出正是为了朝向一个更低复杂度和低吞吐量所设计的新无线接入系统，以解决蜂窝式物联网的通讯需求。NB-IoT主要用于解决传统2G、3G、4G技术并不能充分满足物联网设备低功耗、低成本的连接需求。可以满足改进的室内覆盖、支持大量低吞吐量设备、低时延敏感性、低成本、低功耗、优化的网络架构

2.3.2 NB-IoT特性

NB-IoT技术具备频谱窄、覆盖广、低功耗（电池寿命长）、低成本、强链接等特点。

2.3.3 NB-IoT网络

2.3.3.1 网络结构

终端通过空口连接到基站，无线网主要是承担空口的接入处理、小区管理等功能，并通过S1-lite接口与IoT核心网连接，将非接入层的数据转发高层网元进行处理，有两种组网方式，一是整体式无线接入网（Singel RAN），包括2G/3G/4G及NB-IoT无线网。另一种是NB-IoT新建。核心网（EPC）则承担与终端非接入层交互的功能，并将IoT业务的相关数据转发IoT平台处理。

2.3.3.2 网络部署

NB-IoT支持三种部署场景：

(1)独立部署，利用例如GERAN使用的频谱；

(2)保护带部署，利用LTE保护带没有使用的资源；

(3)带内部署，利用LTE的载波资源。

2.4 NB-IoT技术点

为了实现覆盖的增强，基站与NB-IoT 终端之间通过采用较少数量的子载波，将需要传递数据进行重复传送，利于接收端提高数据解出的成功率。按照目前规范的内容，随机存取信道、控制信道、数据信道传递信息的重复传送次数，最高可达2048次。NB-IoT支持在频段内（In-Band）、保护频段（Guard Band）和独立频段（Stand-alone），共三种模式下运行。In-Band是利用LTE载波内PRB进行数据传输；Guard Band是利用LTE载波内的Guard Band进行数据传输；Stand-alone是使用非LTE频段的载波进行数据传输。NBIoT支持最大数据速率：上行为64Kbit/s，下行为28Kbit/s。