#頭條創作挑戰賽##頭号周刊#
低功耗廣域網絡(LPWAN)涵蓋了一系列用于連接配接低功耗裝置的技術，如物聯網(IoT)和機器對機器(M2M)通信中的傳感器和控制器。物聯網和M2M通信要求無線傳感器網絡具有一定的要求，如遠端、延長電池壽命和極低的終端成本[1]。LPWAN技術成功地滿足了物聯網和M2M通信的所有這些要求。是以，它們在物聯網行業中得到了更廣泛的認可。Machina Research預測，到2022年LPWAN連接配接将達到14億個，是以LPWAN連接配接将超過2G、3G和4G，成為物聯網和M2M連接配接的領先技術。
在大多數LPWAN技術中，在實體層使用兩種主要的替代通信技術，超窄帶(UNB)和擴頻(SS)。UNB技術用于傳輸帶寬非常小的信号，主要适用于較小的上行流量。由于信号處理技術的進步，這種舊的UNB技術再次被用于物聯網和M2M通信。在UNB中，信号用突變相移調制調制。随後，通過UNB濾波器進行處理，以過濾所有的邊帶和諧波，保持一個單邊帶。
SS技術是軍事應用中最古老的通信技術之一，通過在大頻段内傳播原始信号實作安全通信。SS技術使用比實際信号額外的帶寬，盡管它保持相同的信号功率。它在頻譜中沒有明顯的峰值，類似于噪聲，是以很難幹擾或攔截。
UNB和SS都滿足了工業物聯網系統的遠端覆寫和長電池壽命的要求。但是UNB和SS是不同的技術，其中最明顯的差別是使用超窄帶和寬帶。兩者對于物聯網/M2M連接配接都有各自的優勢和局限性。本文通過研究影響LPWAN技術性能的一些最關鍵因素，如幹擾、容量、鍊路預算和共存，解決了UNB和SS的這種選擇困境。此外，它評估了最流行的基于unb的LPWAN技術Sigfox和Telensa，以及基于ss的LPWAN技術LoRa和RPMA，調查它們在物聯網應用中的優勢和局限性。
LPWAN是什麼?
低功率廣域網(LPWAN)是由低功耗(低功耗的消耗)和廣域網絡(遠距離通信)兩個短語組合而成，描述了它的兩個内在特征:小功率預算(即較長的電池壽命)和擴充的傳輸範圍。LPWAN的這些特點，例如，低成本和低資料率，使其成為無線通信的獨特通信技術和物聯網和M2M應用的首選。雖然LPWAN不是單一的技術，但它包含了一系列技術，用于連接配接物聯網和M2M通信中的傳感器和控制器等低功耗裝置。LPWAN技術可以在許可或未許可的頻譜上運作，包括專有、聯盟或開放标準選項。網絡設計師利用LPWAN技術設計定制的無線傳感器網絡，并為特定的物聯網和M2M應用定制傳輸的成本、覆寫範圍和功耗。
為什麼LPWAN适合物聯網和M2M?
今天，有幾種無線通信技術可用于設計無線網絡，然而，就資料速率、通信範圍和功耗(電池壽命)而言，大多數都不完全适合物聯網和M2M通信。如下圖所示：
- 一些無線通信技術提供了更高的資料速率、更遠的距離和更高的功率需求(如蜂窩LTE、WiMax);
- 一些通信技術提供較低的資料速率、較短的距離和較低的功率需求(如藍牙/BLE);或一些通信技術提供更高的資料速率，短的距離和更高的電力需求(如WiFi)。
然而，大多數物聯網和M2M解決方案需要一個無線傳感器網絡，提供更低的資料速率，更長的距離和更低的電源需求(更長的電池壽命)，這是不能完全滿足現有的無線通信技術，如前所述。LPWAN技術旨在滿足這些要求，是以，它們非常适合在保持長電池壽命的同時，遠距離發送少量資料的物聯網和M2M通信。此外，許多LPWAN技術在城市和惡劣的戶外環境等有障礙物的環境中表現良好。
LPWAN的特點
要成功支援物聯網和M2M系統的商業部署，LPWAN技術的主要特征是:
- 遠距離
- 低功耗
- 低資料速率
- 裝置和部署成本低
- 簡化網絡拓撲和部署
- 全覆寫(改進的室外和室内滲透覆寫)
- 容量更新的網絡可擴充性
LPWAN分類
在物聯網和M2M通信中，選擇LPWAN技術取決于具體的應用領域及其具體要求，如資料速率、範圍、能量預算、頻帶、雙向性、網絡成本、可擴充性和安全性。雖然有許多LPWAN技術，但大緻可以分為兩類:授權的LPWAN技術(如NB - IOT、LTE-M-IoT、EC-ISM-IoT和5G IoT)和免授權或未授權的LPWAN技術(如Sigfox、Telensa、LoRa和RPMA)。大多數LPWAN技術使用兩種主要的替代方法來支援實體層通信超窄帶(UNB)和擴頻(SS)。除了選擇許可的和未許可的LPWAN外，在選擇滿足特定物聯網/M2M應用需求的UNB和SS時，了解它們的優缺點是至關重要的。
超窄帶(UNB-ULTRA NARROW BAND )和擴頻頻譜(SS-SPREAD SPECTRUM)技術
超窄帶：采用超窄頻譜信道(工業物聯網系統的LPWAN技術。此外，其超高的功率譜密度(PSD)可以抵禦幹擾和幹擾，使UNB在共享頻段上友好共存。許多傳統的調制方法需要在整個載頻中留出上下側帶。UNB調制是一種改進的不太依賴其側帶的資料傳輸方法。
擴頻：是工業物聯網系統的一種替代技術，它使用寬帶(類噪聲信号)傳輸資料，并将資料信号傳播到比實際資料信号帶寬大得多的帶寬上。與窄帶不同，窄帶的資料是通過單個射頻波段傳輸的;而在SS中，資料通過交替地改變其載波頻率或連續地改變資料的模式來傳輸。SS發射機與窄帶發射機的發射功率水準相同。這是因為SS信号較寬，是以，與窄帶發射機相比，它們可以以較低的譜功率密度(W/Hz)發射。這是SS的最大優勢之一，它在低功耗物聯網裝置中很受歡迎。此外，SS信号難以檢測、攔截、解調和幹擾。SS技術可分為DSSS、FHSS和CSS等幾類。
SS和UNB的技術名額對比
主要從幾個名額，抗幹擾，信道容量，鍊路預算，網絡共存的問題。
- 抗幹擾
UNB技術采用窄小的射頻信道，相鄰子載波可以正交，避免了子載波之間的幹擾，将功率配置設定到子載波之間，補償了每個載波的衰落環境。LPWAN應用的UNB主要是每個終端的上行使用一個子載波，基站可以處理多個上行子載波，這與使用多個子載波的寬帶系統非常相似。利用多個窄帶子載波減少了共享給定信道通路的端點數量，以減少與其他窄帶使用者的幹擾機會。如下圖所示，UNB中單個窄帶所遇到的噪聲水準也是最小的。是以，接收機不需要通過頻率解擴處理增益來解碼信号，這有利于簡單和廉價的收發器設計。盡管如此，在UNB中，小頻率随時間的變化相對于信号帶寬可能會變得比較顯著。這些頻率漂移造成了一些負面影響，如難以檢測和解調信号和增加消息之間碰撞的可能性。
SS是一種寬帶技術(盡管反過來不是真的)，它提供了一些好處，包括抗幹擾和幹擾。大多數幹擾(窄帶或寬帶)和幹擾信号都被拒絕，因為它們在接收機的解擴過程中沒有SS鍵。所有SS對幹擾都有一個門檻值/容忍限度，超過這個限度通信就會停止。該門檻值限制由SS處理增益決定，SS處理增益是射頻帶寬與資訊帶寬的比值。盡管有這些好處，SS可以迅速飽和，并可能有進一步的幹擾問題，如在密集的環境中自噪聲。自噪聲的原因是每個裝置/使用者都是其他裝置/使用者的幹擾源。此外，接收器必須從每個發射機獲得相等的功率，如果它從任何裝置/使用者接收到額外的功率，這意味着該裝置/使用者正在對其他裝置/使用者造成進一步的幹擾。功率控制保證它們在接收端以相等的功率PRX接收，以避免幹擾。
簡單地說，在LPWAN中，範圍是根據資料速率決定的。是以，由于接收機的靈敏度增加，較低的資料速率提供較長的範圍。然而，這是範圍和傳輸時間之間的權衡，因為較低的資料速率将需要較長的資料包傳輸時間，這将增加與其他LPWAN網絡的幹擾/碰撞的可能性。一般來說，UNB提供的資料速率比SS低，是以UNB的資料速率慢和頻率漂移問題可能會增加基于UNB的LPWAN的幹擾可能性。否則，由于使用寬帶，SS中幹擾的可能性高于UNB(下圖)，實作損耗不能完全被處理增益(信噪比的下降被處理增益抵消)抵消。
- 信道容量
在LPWAN技術中，覆寫範圍決定了有效傳輸資料的範圍/區域，而容量使我們能夠使用該連結執行各種操作。容量是在鍊路上減去MAC資料和所有其他開銷(包括安全性、幹擾和所有實際開銷)後可利用的吞吐量(實際資料量)。然而，資料速率是PHY層的度量，它表示總體資料，而不是使用者體驗到的實際吞吐量。上行鍊路和下行鍊路的容量也不同。UNB和SS技術的标準加性高斯白噪聲(AWGN)信道容量可以根據香農信道容量進行評估。在這裡，它是以所有使用者每機關可用帶寬的總體比特率的形式定義的。單使用者帶寬B (Hz)下最大理論資料速率C (bps)和接收功率PRX (W)的香農信道容量公式為:
其中N0為噪聲密度(W/Hz)， BN0為信道帶寬中的噪聲功率(W)。UNB的容量可以基于純FDMA系統計算，整體帶寬可以配置設定給k個使用者，接收功率PRX，帶寬B/k。是以，k個使用者的系統可用容量為:
同理，假設每個使用者的信噪比要求(即上行鍊路的完美功率控制)相同，可以計算出k個使用者的SS容量:
根據上面的公式，假設可以利用的功率通量密度不受限制，如果信道被進一步劃分為更小的頻率段，在UNB技術中系統容量将會增加。是以，在相同的帶寬下，UNB技術可能比SS有更高的信道，如下圖所示。然而，UNB需要複雜的信号處理和額外的接收機同步。在SS技術中，優化頻譜的使用是相對困難的，因為在編碼中添加了備援資料來抵消較高的噪聲下限。此外，越來越多的使用者共享信道會給其他使用者帶來額外的噪聲，最終這種自噪聲的情況會限制整個網絡的容量。此外，在SS中使用較低的褪色邊緣是一個主要優勢，但在LPWAN中，它甚至沒有幫助。在低電平雙向通信中，功率控制是一項具有挑戰性的任務。從理論上講，多使用者檢測SS的進階功率控制将允許與UNB相同的容量，但代價是更大的複雜性。
總而言之，在LPWAN中，SS網絡很難達到與UNB網絡相同容量的優化狀态。另外，在SS編碼中添加一個額外的資料來抵消更高的噪聲基數，這降低了SS的容量。是以，與SS技術相比，UNB技術可以在相對簡單的系統中支援更大的容量。理論上，在孤立的環境中，UNB網絡的上行容量可能是SS網絡[20]的近5倍。然而，由于基站接收器的功能限制，UNB的實際容量可能遠遠低于理論容量。
- 鍊路預算
鍊路預算可以被視為比較任何兩種無線技術的單一名額。更高的鍊路預算意味着該特定無線技術的更好覆寫。鍊路預算包括決定到達接收器的信号強度的所有參數。它是對任何傳輸系統(在發射機和接收機之間)中所有可能的增益和損耗的計算。這包括發射機功率、天線增益、路徑損耗、傳播損耗、電纜損耗、調制方式選擇、接收機靈敏度和其他系統相關的增益和損耗。LPWAN是一個受限制的網絡，是以，鍊路預算是設計優化和定制物聯網系統的最關鍵因素，以成功傳遞所需的功能，而不需要額外的成本進行過度設計。大多數LPWAN解決方案的鍊路預算在156dB到172dB的範圍内，其中常見的值在160dB左右。LPWAN的鍊路預算計算如式所示:
對上述式進行較長的描述，對應的參數如式所示:
最後，鍊路預算産生系統運作裕度(SOM)，如式所示
上述公式裡面符号代表：
PRX =接收功率(dBm)
PTX =發射機輸出功率(dBm)
•GTX =發射機天線增益(dBi)
•GRX =接收天線增益(dBi)
•LTX =傳輸饋線和相關損耗(如饋線、連接配接器等)(dB)
•LFS =空閑空間損失或路徑損失(dB)
•LM =雜信号傳播損耗(例如，衰落邊緣，偏振失配，媒體損耗等)(dB)
•LRX =接收饋電和相關損耗(例如，饋線、連接配接器等)(dB)
•SRX=接收器靈敏度(dBm)
一般來說，上表計算的标準下行鍊路和上行鍊路預算适用于以UNB為基礎的和以SS為基礎的LPWAN系統;然而，他們提供這個合理的連結預算的方式是不同的。基于UNB的LPWAN技術通過在UNB中編碼信号(通過将每個載波信号壓縮到100Hz左右)提供了高的鍊路預算。在使用了UNB後，這些調制技術在多個鍊路之間非常有效地共享了整個頻譜，并增加了每機關帶寬支援的端裝置數量。SS-based LPWAN技術使用125kHz帶寬(允許2個通道用于250kHz相對高功率的歐洲子帶)将有大約24dB(下行)或28dB(上行)的處理增益。
簡而言之，在LPWAN中，在有限的傳輸功率下管理如此高的路徑損耗是一項困難的任務，但可以在有限的資料速率下實作。通常情況下，由于監管限制和有效輻射功率(ERP)的限制，遠端傳輸的上行和下行鍊路預算是不對稱的。UNB和SS技術都可以實作合理和相似的連結預算，假設提供相同的參數值和環境，如上表所示。
- 網絡共存
在LPWAN中多個網絡共存是很常見的，是以，它們的協調對于不間斷通信是至關重要的。這種共存可能是兩個UNB、兩個SS或一個UNB和SS。任何兩個網絡的共存都會導緻兩個主要問題：共享信道的兩個網絡的互相幹擾和主要的上行阻塞。在LPWAN中，隻有在非常低的容量部署下，當幹擾系統中同時活動的使用者非常少時，兩個網絡才可能公平共存。
在基于UNB的LPWAN中，兩個網絡共存導緻的問題更少，可以友好地共享可用的頻譜/容量。通過在兩個系統中使用額外的信道，可以減少系統之間的幹擾。然而，這将要求基站處理額外的信道，但不會對系統性能産生任何不利影響。如果尺寸計算過程考慮并解決了幹擾的可能性，部署兩個不協調的UNB也是可能的。在基于ss的LPWAN中，兩個網絡的共存比UNB網絡在共享可用頻譜/容量時産生更多的問題。它們被稱為“壞鄰居”，減輕幹擾影響相對困難。
總而言之，在LPWAN中兩個網絡共存的情況下，上行鍊路的幹擾問題比下行鍊路的幹擾問題多。兩個UNB網絡的成功共存需要頻率重新配置設定和尺寸調整。同樣，兩個SS網絡的成功共存也需要同步。分析了LPWAN中UNB和SS網絡共存的條件及其影響和緩解措施見下表。
目前的一些UNB和SS的技術
UNB比較出名的就是SigFox，曾經全球最引人注目的物聯網明星企業最終破産出售，也宣告其此前探索的低功耗廣域物聯網模式失敗。經過多年的實踐，從僅提供連接配接到提供智能應用的模式更新已成為業界共識。今年1月，法國知名物聯網公司Sigfox向法國司法機構送出了破産保護申請，法國圖盧茲商事法庭接管了Sigfox及其子公司Sigfox France SAS，并開始尋找新的買家。經過3個月的經營權角逐，這一出售案終于塵埃落定。近日，圖盧茲商事法庭宣布，總部位于新加坡的物聯網公司UnaBiz勝出，正式接管Sigfox的經營權。曾經全球最引人注目的物聯網明星企業最終破産出售，也宣告其此前探索的低功耗廣域物聯網模式失敗。
SS比較出名的就是Lora，Lora是semtech旗下的一種LPWAN技術，目前市場做的比較好，具體介紹簡介參見：Lora技術介紹。
國内做的比較好的是磐啟微的ChirpIOT技術，具體介紹參見ChirpIOT技術介紹
備注：本文注意翻譯來自《LPWAN Technologies for IoT Systems: Choice Between Ultra Narrow Band and Spread Spectrum》--Nitin Naik