无线物联网的低功耗广域网络技术

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：低功耗广域网络具有以下4个特点：超低功耗：海量的物联网终端由于无法实现电源持续供电，只能通过电池供电，要求10年以上的电池寿命，通信芯片和网络需要做到超低功耗。这些设备呈现广泛、碎片化分布，数据传输也具有低频率、小数据的特点，17%～20%的设备需要低功耗广域网络来连接。有不少是通过传统蜂窝网络连接，大部分没有高带宽和高实时性的要求，因此，更多使用低功耗广域网络连接。

从人与人之间的通信发展到人与物、物与物的交流，远距离、低功耗的通信需求催生了低功耗广域网（LPWAN），具有覆盖范围广、服务成本低、能耗低的特点，能够满足物联网环境下广域范围内数据交换频率低、连接成本低、适用复杂环境的需求（图8-2）。

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图8-2　低功耗广域网（LPWAN）

在复杂的城市环境中，低功耗广域网（LPWAN）技术的传输距离可以超过传统蜂窝网络，空旷地域甚至高达 15 km以上，且穿透性较强；支持窄带数据传输，网络通信成本极低；由于低数据传输速率，加上网络节电技术，基于LPWAN 设备功耗极低，电池供电可以支撑数年，甚至十多年。低功耗广域网络具有以下4个特点：超低功耗：海量的物联网终端由于无法实现电源持续供电，只能通过电池供电，要求10年以上的电池寿命，通信芯片和网络需要做到超低功耗。覆盖更广：相对于目前的2G/3G/4G 网络，单基站的覆盖范围提升数十倍，通过增强覆盖，在很多恶劣的环境下可以实现较好的信号穿透，增加终端通信有效性。超大连接：为实现海量物联网设备连接的需求，单个基站需要拥有数万个连接容量，相对于传统蜂窝网络该容量大大提升。低成本：相对于其他蜂窝网络芯片，LPWAN 终端芯片设计大大简化，从而大幅度降低成本，模组、终端的成本也随之大幅降低，使得设备接入门槛降低。

1.LPWAN主要技术

基于无线频谱的授权与否，低功耗广域网技术可以分为授权频谱技术和非授权频谱技术两大阵营，前者主要包括 NB-IoT、eMTC、EC-GSM，后者的技术较多，包括LoRa、SigFox 等（表8-6）。

表8-6　低功耗广域网的授权频谱和非授权频谱技术

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（续表）

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全球参与低功耗广域网络技术研发的企业和组织非常多，但基于授权频谱的技术主要还是由通信标准化组织3GPP 来推动的；非授权频谱技术由大量分散的企业和组织来完成，各自拥有知识产权并各自推动商用。

2.LPWAN 的主要应用领域

对于物联网未来的市场规模，大量的市场研究机构都发布过相关的预测报告，比如 IDC、Gartner、麦肯锡、思科、Machina Research、IHS Markit、Strategy Analytics、Analysys Mason 等，联网的物联网设备数量为200亿～1 000亿，直接和间接产生的经济效益都在万亿美元的级别。这些设备呈现广泛、碎片化分布，数据传输也具有低频率、小数据的特点，17%～20%的设备需要低功耗广域网络来连接。

（1）长时间免维护：如对环境监测需要大量部署传感器，但传感器数据传输设备供电不方便；建筑、桥梁、大坝的震动倾斜监测，设备部署后没法经常更换和维护；井盖盗窃和水位监测也不方便市电供电，也无法经常人力维护，这就需要低功耗广域网络的协助。

（2）对广泛分布设备的统一管理需求：大量设备分布范围非常广泛，用户需要对这些设备有统一管理，广域网络就非常合适。有不少是通过传统蜂窝网络连接，大部分没有高带宽和高实时性的要求，因此，更多使用低功耗广域网络连接（约占70%以上）。

（3）低频使用但保持在线的需求：有一些资产联网后，并不需要时刻保持着数据的交互，仅仅在需要的时候以非常低频次、小数据包的交互即可解决问题，这也是低功耗广域网络存在的必要。典型的如资产跟踪、宠物防丢、抄表等，只是按需提供网络服务即可。

无线物联网的低功耗广域网络技术

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