LPWAN和LoRaWAN开放标准是什么有什么作用

工业应用要求设备在单个电池上远程发送少量数据，对此，低功耗广域网（LANPW）就是不错的选择。LoRaWAN开放标准是一种接受范围广且有效的LANPW协议。

现今，我们使用的都是智能手机，智能手机会消耗较多的功耗来发送大量的数据，当手机没电时，我们可以在家里或公共区域便捷的充电。但是，许多物联网应用并不能做到这点，例如偏远地区的农业土壤监测或气候监测设备，需要传感器以单个电池充电的方式，在几年甚至十年内周期性地传输小数据包的信息。

LPWAN：传统通信方式的革新

但是，那些远程的、分散的IoT应用程序面临着一个简单的物理问题：如果用户想要远程周期性地传输信息，那就必须增加信号功率或降低信号带宽。试想一下：如果水流过管道，并且想要水流的更远，那要么必须增加水后面的压力（功率），要么使用更窄的管道（带宽），要么两者兼有。

你可能听说过LPWAN和LoRaWAN这两个词，但并不知道它们是什么。你可能想知道，是什么LPWAN？什么是LoRaWAN？他们为什么重要？在本文中，小编将介绍LPWAN，关注一个特定的LPWAN协议：LoRaWAN开放标准。

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LPWAN简史

在2000年代，SigFox普及了LPWANS作为一种有效替代蜂窝网络的功率需求和许可成本的技术。法国初创公司CyCyo研发了较为热门的低功率RF半导体IP，Semtech于2012年收购了这家企业，以巩固其低功耗RF产品组合。Semtech现在控制LoRa协议下的一些核心IP，实际上已成为非蜂窝LPWAN协议，尽管Sigfox最近宣布了新的全球扩展方案。

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主要的移动运营商、3GPP及全球蜂窝标准机构，对Sigfox和Cycleo（Semtech）创建物联网专用LPWAN的方式不满意。于是，3GPP开始将LTE-Cat M1和NB-IoT（窄带物联网）标准化并推广为蜂窝LPWAN，其主要在许可频带内运行。

当前的物联网更多的是设计成蜂窝网络，但是非蜂窝的LPWAN也不容小视，一些对LoRa技术乐观的人甚至预测，2019年40%的LPWAN连接将会采用LoRa技术。

5G有望撼动整个LPWAN格局。它集低延迟、低功耗和高速率于一身——这是以前无法实现的组合。 3GPP还在考虑允许5G技术在非许可频段中工作，特别是3.5 GHz、5 GHz和60 GHz，以进一步在非蜂窝LPWAN领域攻城略地。 然而，由于3GPP现在才刚刚完成5G标准，Verizon和AT＆T等运营商也才刚刚开始试用第一批5G网络，还有很多准备工作要做。

作为解决方案的LPWAN

基本上，解决方案供应商设计设备用例若需要跨越十多英里的距离、周期性地发送少量数据，并且需要持续多年使用单块电池进行设备供电。那么，这些IoT系统用例，LPWAN均可满足。

LPWAN通过让物联网设备从外部触发或在预先编程的时间间隔中唤醒，即周期性地或不频繁地发送更新状态、报告等，从而实现这一壮举。然而，随着蜂窝LPWAN的出现，现在在“低功率”和“广域”的定义方面具有更大的灵活性，如下图所示。

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LPWAN的一些核心优势

基于LPWAN的物联网系统设计都很受欢迎，因为它们成本低，电池寿命长，而且可以远程运行。对于许多用例来说，这是一个很好的组合。

LPWAN是需要在远程定期或不定期地传输数据的某些用例的理想解决方案。譬如智能垃圾处理仪表、智能停车计时器或土壤及水质传感器。鉴于LPWAN数据包的范围和相对简单性，传感器甚至可以从地下，恶劣的气候以及远离网关或塔楼的情况进行报告。许多LPWAN还具有简单的体系结构和已建立的协议，使它们相对容易、可靠且有效地进行大规模部署。

LPWAN的一些基本限制

技术用例局限性。更确切地说，没有一种技术的用例是百搭的。LPWAN非常适合上述场景，但是，它们不适合需要频繁或大量传输数据的用例。LPWAN通常携带从300bit/s秒--50Kbit/s的分组。还记得56 kbit / s（或“拨号”互联网吗）？大多数数据是通过拨号传输，而非LPWAN。大多数用户不会在LPWAN上发送猫图片，小狗视频或漫无边际的语音邮件，那就是物非所用了。

信号易受干扰，因为它们通常在未经许可的频段中运行，如政府公开的工业，科学和医疗（“ISM”）频段。常见的美国ISM频段有915 MHz、2.4 GHz和5 GHz。LPWAN解决方案通常运行在902-928 MHz的ISM频段，略低于GHz的门槛。露天LPWAN设备，例如在建筑物或塔楼顶部，在这些sub-GHz频段内发送微弱信号可能会受到高于GHz边界的高能信号的干扰。

通常，这种干扰无关紧要。好比说错过了一些土壤测试间隔，无伤大雅。但是对于许多关键物联网应用（“MC-IoT”），例如医疗应用和自动驾驶汽车，这种干扰可能是灾难性的。我们可将其归结为了解用户的物联网用例的复杂性以及网络如何与当地无线电和物理环境的局限性相互作用。

LoRaWAN开放标准

LoRa联盟是一个非营利组织，由500家成员公司组成，致力于利用“LoRaWAN开放标准”作为一种部署LPWAN大规模集成、连贯和可互操作的方式。该联盟创建了LPWAN设备制造商和解决方案供应商所遵循的标准和协议。LoRa联盟类似于3GPP，它标准化蜂窝技术，但LoRa是公司业务的一部分，而3GPP是一个标准组织。

LoRa联盟维护“LoRaWAN开放标准”并证明新的IoT设备符合其规范。经LoRaWAN认证的设备使用专有的射频调制方案，将信号扩展出去，以提高接收器灵敏度，同时降低数据传输速率。

想象一下，你正在参加一个大规模的户外节日，试图传递数百米的低语几乎是不可能的。这个时候LoRa通过发送简单的消息（LoRa CHIRP信号）可解决这类问题，这些消息的传输可以避免噪声干扰。

LoRaWAN接收器可以在嘈杂的环境中远距离接收这些调制的CHIRP。随着终端节点设备从越来越远的距离向网关RF接收器发送信息，扩频因子（调制），有效载荷大小（数据量）和数据速率（传输速度）都逐渐减小。

LoRaWAN系统的核心特征

远程（城市> 5公里，郊区> 10公里，视线> 80公里）

电池寿命长（> 10年）

成本低（<$ 5 /模块）

低数据速率（0.3 bps - 50 kbps，通常约为10 kB /天）

支持本地化

双向传播

安全

在未经许可的光谱中操作

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结语

Verizon和AT＆T等主要移动电话服务提供商从智能手机获得了很稳定的收入，他们可以负担得起建构LTE-Cat M1和NB-IoT等蜂窝LPWAN网络的成本。正因为如此，LORA联盟有理由予以对此进行关注。

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5G肯定会改变LPWAN格局，NB-IoT适用于LPWAN应用，而LTE-Cat M1非常适用于关键任务或数据密集型的LPWAN应用。3GPP肯定会撼动LPWAN领域，但正如Link Labs公司的Brian Ray所说，如果联盟成员的LoRaWAN技术有所突破，那么LoRaWAN开放标准可能会持续被使用。