采用LP-WAN的智能城市和智能建筑的无线设计

分析人士预测，到 2023 年，低功耗广域网 （LP-WAN） 上的设备可能会超过 10 亿台。本文解释了为什么这些网络的射频特性使其非常适合智能建筑应用，例如资产跟踪和泄漏检测，以及带有传感器的智能停车应用。我们还为设备设计提供了一些建议。

什么是 LP-WAN？

LP-WAN 是使用频率低于 1GHz 的无线网络。此类网络多年来一直用于 M2M（机器对机器）流量。它们提供了低功耗、安全性、远距离和移动工作的综合优势——因此，它们的受欢迎程度随着物联网的扩展而增长。

四种技术主导行业：NB-IoT、LTE-M、LoRa-WAN 和 SigFox。所有这些都提供低比特率的远程通信，适用于 M2M 流量的小型、间歇性数据包。

LoRa 通常使用以下频率：亚洲为 433 MHz，欧洲为 868 MHz，美国为 915Mhz。NB-IoT 使用每个国家/地区可用的移动网络运营商频段，通常为 700 MHz、800 MHz 或 900 MHz。

低频射频

无线电波长在低频处较长，在高频处较短。更高的频率可以传输更多的数据，但在更长的距离以及在墙壁和砖石阻碍传输的建筑物内，它们的信号损失更大。

无线电波可以穿越不同的大气条件、大多数建筑材料和茂密的树叶。然而，在较长波长的较低频率下，来自墙壁和建筑物等障碍物的信号的吸收或损失比在较高频率下要少，因此信号可以传播得更远并且需要更少的功率。这意味着频率低于 1GHz 的 LP-WAN 可以以较低的数据速度覆盖更长的范围。

这也意味着在更多的城市地区，无线电信号可以更容易地穿过建筑物并到达地下，而在更多的农村地区，LP-WAN 信号将传播更远的距离，从而有利于智能农业（例如，跟踪牲畜或监测土壤湿度传感器）。LP-WAN 连接不如宽带快，但它们以低功率要求和低运营成本提供有用的远程通信。

为什么 LP-WAN 适用于智能建筑和智能城市

从技术角度来看，LP-WAN 是低数据速率应用的一个有吸引力的选择。它可以在相当长的范围内运行——2 公里到 15 公里的距离是可行的——而且连接比蜂窝网络便宜。数据包大小可以从 10 到 1，000 字节，上行速度可以高达 200 Kbps。这使得 LP-WAN 能够完美地支持具有小数据包的应用程序，同时消耗很少的功率。对于分布在网络中的大量电池供电设备来说，这是一个很大的优势。

这些特性使 LP-WAN 适用于跟踪车辆和集装箱以及连接传感器网络以测量位置、振动、温度、负载和速度。在智慧城市中，各种应用都是可能的：智能停车应用，在停车位中配备传感器，帮助市民找到可用空间；仅当有人在附近时才打开的照明；可以监测供水服务是否有泄漏或污染迹象。

LP-WAN 是大规模物联网部署或传感器网络的不错选择，其中设备只需要低功耗，数据包相对较小，并且时序不太关键。

LP-WAN 提供了一种有效的方法来远程监控设备，如果它们难以通过其他方式到达，例如，当它们位于偏远地区或危险地方时。它也适用于连接通常位于地下室或地下的智能电表。

许可或未许可的网络？

四种领先的无线技术都使用相似的频率，并提供广泛的覆盖范围和可扩展性。但是，它们具有不同的技术和商业特性。

NB-IoT 使用非常窄的信道频率带宽并提供更远的传输距离，而 LTE-M 适用于传输距离更短的移动设备。与 NB-IoT 相比，LTE-M 具有更高的数据速率和更低的延迟，并支持非静止和在基站之间移动的设备。NB-IoT 和 LTE-M 都需要蜂窝覆盖，这在农村地区可能并不总是可用。

此外，NB-IoT 和 LTE-M 使用已获得许可的蜂窝频率（使用它们需要成本），但它们受到的干扰更少，服务质量更高。蜂窝频段提供更高的速度和可靠性，这使得 NB-IoT 和 LTE-M 适用于关键任务工作，例如一旦检测到泄漏就关闭气阀。它们通常最适合可能需要 QOS 的计量应用。

对于数据需求较小的应用，SigFox 和 LoRa 可能更适合。SigFox 和 LoRaWAN 不受监管，但在这些网络上，没有什么可以防止干扰。

SigFox 和 LoRa 都在未经许可的频段中运行，并且可以以较低的功耗覆盖很远的距离，但数据速度较慢，并且发送消息的频率受到限制。此外，数据负载通常一次少于 100 个字节。解决方案提供商还可以选择使用 SigFox 或 LoRa 构建自己的专用网络并安装自己的网关。

物联网设备通常设计为在不更换电池的情况下原位运行 8-10 年，而 LP-WAN 网络非常高效，因为网络上的设备大部分时间都处于休眠状态，只有在发送消息时才会唤醒。因此，设备设计人员应保持数据消息简短，以延长电池寿命。

为 LP-WAN 设计无线设备

无线设备的好坏取决于它的天线。如果天线断开其连接，或者如果其辐射效率以某种方式受到损害，则产品将停止按设计运行。天线是设备和网络之间的接口，天线的效率和增益是决定信号可以传播多远的两个关键因素。这意味着正确放置在设备内的更高效、性能更高的天线将使设备在现实环境中的网络上表现得更好。

天线可以在自由空间中完美工作，但在现实环境中表现不同。无线电波会受到折射、 偏振、 衍射和 吸收的影响。特别是设备的金属部件和外壳会引起反射，人体的某些部位会引起吸收。这可能会导致天线失谐并耗尽电池电量，因为它必须增​​加无线电的发射功率以补偿较低的天线性能。对于 LoRa 或 Sigfox，发射器无法调整功率电平，因此缩短了范围。

如果一个设备中有多个天线，通常会产生一种耦合效应，可以吸收无线电的发射功率。确定正确射频性能的唯一方法是小心放置每个天线以确保预期性能，并在消声室中测试设计——首先将天线置于自由空间，然后引入用例场景以确保设备将按预期执行。

在设计中放置天线非常重要，这样它才能以最有效的方式进行辐射，而不会迫使发射器以最大功率运行，从而耗尽电池寿命。这就是为什么天线专家建议设计人员在设计过程中尽早解决天线集成问题。

审核编辑：郭婷