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低功耗广域网络(LPWAN)涵盖了一系列用于连接低功耗设备的技术，如物联网(IoT)和机器对机器(M2M)通信中的传感器和控制器。物联网和M2M通信要求无线传感器网络具有一定的要求，如远程、延长电池寿命和极低的终端成本[1]。LPWAN技术成功地满足了物联网和M2M通信的所有这些要求。因此，它们在物联网行业中得到了更广泛的认可。Machina Research预测，到2022年LPWAN连接将达到14亿个，因此LPWAN连接将超过2G、3G和4G，成为物联网和M2M连接的领先技术。
在大多数LPWAN技术中，在物理层使用两种主要的替代通信技术，超窄带(UNB)和扩频(SS)。UNB技术用于传输带宽非常小的信号，主要适用于较小的上行流量。由于信号处理技术的进步，这种旧的UNB技术再次被用于物联网和M2M通信。在UNB中，信号用突变相移调制调制。随后，通过UNB滤波器进行处理，以过滤所有的边带和谐波，保持一个单边带。
SS技术是军事应用中最古老的通信技术之一，通过在大频段内传播原始信号实现安全通信。SS技术使用比实际信号额外的带宽，尽管它保持相同的信号功率。它在频谱中没有明显的峰值，类似于噪声，因此很难干扰或拦截。
UNB和SS都满足了工业物联网系统的远程覆盖和长电池寿命的要求。但是UNB和SS是不同的技术，其中最明显的区别是使用超窄带和宽带。两者对于物联网/M2M连接都有各自的优势和局限性。本文通过研究影响LPWAN技术性能的一些最关键因素，如干扰、容量、链路预算和共存，解决了UNB和SS的这种选择困境。此外，它评估了最流行的基于unb的LPWAN技术Sigfox和Telensa，以及基于ss的LPWAN技术LoRa和RPMA，调查它们在物联网应用中的优势和局限性。
LPWAN是什么?
低功率广域网(LPWAN)是由低功耗(低功耗的消耗)和广域网络(远距离通信)两个短语组合而成，描述了它的两个内在特征:小功率预算(即较长的电池寿命)和扩展的传输范围。LPWAN的这些特点，例如，低成本和低数据率，使其成为无线通信的独特通信技术和物联网和M2M应用的首选。虽然LPWAN不是单一的技术，但它包含了一系列技术，用于连接物联网和M2M通信中的传感器和控制器等低功耗设备。LPWAN技术可以在许可或未许可的频谱上运行，包括专有、联盟或开放标准选项。网络设计师利用LPWAN技术设计定制的无线传感器网络，并为特定的物联网和M2M应用定制传输的成本、覆盖范围和功耗。
为什么LPWAN适合物联网和M2M?
今天，有几种无线通信技术可用于设计无线网络，然而，就数据速率、通信范围和功耗(电池寿命)而言，大多数都不完全适合物联网和M2M通信。如下图所示：
- 一些无线通信技术提供了更高的数据速率、更远的距离和更高的功率需求(如蜂窝LTE、WiMax);
- 一些通信技术提供较低的数据速率、较短的距离和较低的功率需求(如蓝牙/BLE);或一些通信技术提供更高的数据速率，短的距离和更高的电力需求(如WiFi)。
然而，大多数物联网和M2M解决方案需要一个无线传感器网络，提供更低的数据速率，更长的距离和更低的电源需求(更长的电池寿命)，这是不能完全满足现有的无线通信技术，如前所述。LPWAN技术旨在满足这些要求，因此，它们非常适合在保持长电池寿命的同时，远距离发送少量数据的物联网和M2M通信。此外，许多LPWAN技术在城市和恶劣的户外环境等有障碍物的环境中表现良好。
LPWAN的特点
要成功支持物联网和M2M系统的商业部署，LPWAN技术的主要特征是:
- 远距离
- 低功耗
- 低数据速率
- 设备和部署成本低
- 简化网络拓扑和部署
- 全覆盖(改进的室外和室内渗透覆盖)
- 容量升级的网络可扩展性
LPWAN分类
在物联网和M2M通信中，选择LPWAN技术取决于具体的应用领域及其具体要求，如数据速率、范围、能量预算、频带、双向性、网络成本、可扩展性和安全性。虽然有许多LPWAN技术，但大致可以分为两类:授权的LPWAN技术(如NB - IOT、LTE-M-IoT、EC-ISM-IoT和5G IoT)和免授权或未授权的LPWAN技术(如Sigfox、Telensa、LoRa和RPMA)。大多数LPWAN技术使用两种主要的替代方法来支持物理层通信超窄带(UNB)和扩频(SS)。除了选择许可的和未许可的LPWAN外，在选择满足特定物联网/M2M应用需求的UNB和SS时，了解它们的优缺点是至关重要的。
超窄带(UNB-ULTRA NARROW BAND )和扩频频谱(SS-SPREAD SPECTRUM)技术
超窄带：采用超窄频谱信道(工业物联网系统的LPWAN技术。此外，其超高的功率谱密度(PSD)可以抵御干扰和干扰，使UNB在共享频段上友好共存。许多传统的调制方法需要在整个载频中留出上下侧带。UNB调制是一种改进的不太依赖其侧带的数据传输方法。
扩频：是工业物联网系统的一种替代技术，它使用宽带(类噪声信号)传输数据，并将数据信号传播到比实际数据信号带宽大得多的带宽上。与窄带不同，窄带的数据是通过单个射频波段传输的;而在SS中，数据通过交替地改变其载波频率或连续地改变数据的模式来传输。SS发射机与窄带发射机的发射功率水平相同。这是因为SS信号较宽，因此，与窄带发射机相比，它们可以以较低的谱功率密度(W/Hz)发射。这是SS的最大优势之一，它在低功耗物联网设备中很受欢迎。此外，SS信号难以检测、拦截、解调和干扰。SS技术可分为DSSS、FHSS和CSS等几类。
SS和UNB的技术指标对比
主要从几个指标，抗干扰，信道容量，链路预算，网络共存的问题。
- 抗干扰
UNB技术采用窄小的射频信道，相邻子载波可以正交，避免了子载波之间的干扰，将功率分配到子载波之间，补偿了每个载波的衰落环境。LPWAN应用的UNB主要是每个终端的上行使用一个子载波，基站可以处理多个上行子载波，这与使用多个子载波的宽带系统非常相似。利用多个窄带子载波减少了共享给定信道访问的端点数量，以减少与其他窄带用户的干扰机会。如下图所示，UNB中单个窄带所遇到的噪声水平也是最小的。因此，接收机不需要通过频率解扩处理增益来解码信号，这有利于简单和廉价的收发器设计。尽管如此，在UNB中，小频率随时间的变化相对于信号带宽可能会变得比较显著。这些频率漂移造成了一些负面影响，如难以检测和解调信号和增加消息之间碰撞的可能性。
SS是一种宽带技术(尽管反过来不是真的)，它提供了一些好处，包括抗干扰和干扰。大多数干扰(窄带或宽带)和干扰信号都被拒绝，因为它们在接收机的解扩过程中没有SS键。所有SS对干扰都有一个阈值/容忍限度，超过这个限度通信就会停止。该阈值限制由SS处理增益决定，SS处理增益是射频带宽与信息带宽的比值。尽管有这些好处，SS可以迅速饱和，并可能有进一步的干扰问题，如在密集的环境中自噪声。自噪声的原因是每个设备/用户都是其他设备/用户的干扰源。此外，接收器必须从每个发射机获得相等的功率，如果它从任何设备/用户接收到额外的功率，这意味着该设备/用户正在对其他设备/用户造成进一步的干扰。功率控制保证它们在接收端以相等的功率PRX接收，以避免干扰。
简单地说，在LPWAN中，范围是根据数据速率决定的。因此，由于接收机的灵敏度增加，较低的数据速率提供较长的范围。然而，这是范围和传输时间之间的权衡，因为较低的数据速率将需要较长的数据包传输时间，这将增加与其他LPWAN网络的干扰/碰撞的可能性。一般来说，UNB提供的数据速率比SS低，因此UNB的数据速率慢和频率漂移问题可能会增加基于UNB的LPWAN的干扰可能性。否则，由于使用宽带，SS中干扰的可能性高于UNB(下图)，实现损耗不能完全被处理增益(信噪比的下降被处理增益抵消)抵消。
- 信道容量
在LPWAN技术中，覆盖范围决定了有效传输数据的范围/区域，而容量使我们能够使用该链接执行各种操作。容量是在链路上减去MAC数据和所有其他开销(包括安全性、干扰和所有实际开销)后可利用的吞吐量(实际数据量)。然而，数据速率是PHY层的度量，它表示总体数据，而不是用户体验到的实际吞吐量。上行链路和下行链路的容量也不同。UNB和SS技术的标准加性高斯白噪声(AWGN)信道容量可以根据香农信道容量进行评估。在这里，它是以所有用户每单位可用带宽的总体比特率的形式定义的。单用户带宽B (Hz)下最大理论数据速率C (bps)和接收功率PRX (W)的香农信道容量公式为:
其中N0为噪声密度(W/Hz)， BN0为信道带宽中的噪声功率(W)。UNB的容量可以基于纯FDMA系统计算，整体带宽可以分配给k个用户，接收功率PRX，带宽B/k。因此，k个用户的系统可用容量为:
同理，假设每个用户的信噪比要求(即上行链路的完美功率控制)相同，可以计算出k个用户的SS容量:
根据上面的公式，假设可以利用的功率通量密度不受限制，如果信道被进一步划分为更小的频率段，在UNB技术中系统容量将会增加。因此，在相同的带宽下，UNB技术可能比SS有更高的信道，如下图所示。然而，UNB需要复杂的信号处理和额外的接收机同步。在SS技术中，优化频谱的使用是相对困难的，因为在编码中添加了冗余数据来抵消较高的噪声下限。此外，越来越多的用户共享信道会给其他用户带来额外的噪声，最终这种自噪声的情况会限制整个网络的容量。此外，在SS中使用较低的褪色边缘是一个主要优势，但在LPWAN中，它甚至没有帮助。在低电平双向通信中，功率控制是一项具有挑战性的任务。从理论上讲，多用户检测SS的高级功率控制将允许与UNB相同的容量，但代价是更大的复杂性。
总而言之，在LPWAN中，SS网络很难达到与UNB网络相同容量的优化状态。另外，在SS编码中添加一个额外的数据来抵消更高的噪声基数，这降低了SS的容量。因此，与SS技术相比，UNB技术可以在相对简单的系统中支持更大的容量。理论上，在孤立的环境中，UNB网络的上行容量可能是SS网络[20]的近5倍。然而，由于基站接收器的功能限制，UNB的实际容量可能远远低于理论容量。
- 链路预算
链路预算可以被视为比较任何两种无线技术的单一指标。更高的链路预算意味着该特定无线技术的更好覆盖。链路预算包括决定到达接收器的信号强度的所有参数。它是对任何传输系统(在发射机和接收机之间)中所有可能的增益和损耗的计算。这包括发射机功率、天线增益、路径损耗、传播损耗、电缆损耗、调制方式选择、接收机灵敏度和其他系统相关的增益和损耗。LPWAN是一个受约束的网络，因此，链路预算是设计优化和定制物联网系统的最关键因素，以成功交付所需的功能，而不需要额外的成本进行过度设计。大多数LPWAN解决方案的链路预算在156dB到172dB的范围内，其中常见的值在160dB左右。LPWAN的链路预算计算如式所示:
对上述式进行详细描述，对应的参数如式所示:
最后，链路预算产生系统运行裕度(SOM)，如式所示
上述公式里面符号代表：
PRX =接收功率(dBm)
PTX =发射机输出功率(dBm)
•GTX =发射机天线增益(dBi)
•GRX =接收天线增益(dBi)
•LTX =传输馈线和相关损耗(如馈线、连接器等)(dB)
•LFS =空闲空间损失或路径损失(dB)
•LM =杂信号传播损耗(例如，衰落边缘，偏振失配，介质损耗等)(dB)
•LRX =接收馈电和相关损耗(例如，馈线、连接器等)(dB)
•SRX=接收器灵敏度(dBm)
一般来说，上表计算的标准下行链路和上行链路预算适用于以UNB为基础的和以SS为基础的LPWAN系统;然而，他们提供这个合理的链接预算的方式是不同的。基于UNB的LPWAN技术通过在UNB中编码信号(通过将每个载波信号压缩到100Hz左右)提供了高的链路预算。在使用了UNB后，这些调制技术在多个链路之间非常有效地共享了整个频谱，并增加了每单位带宽支持的端设备数量。SS-based LPWAN技术使用125kHz带宽(允许2个通道用于250kHz相对高功率的欧洲子带)将有大约24dB(下行)或28dB(上行)的处理增益。
简而言之，在LPWAN中，在有限的传输功率下管理如此高的路径损耗是一项困难的任务，但可以在有限的数据速率下实现。通常情况下，由于监管限制和有效辐射功率(ERP)的限制，远程传输的上行和下行链路预算是不对称的。UNB和SS技术都可以实现合理和相似的链接预算，假设提供相同的参数值和环境，如上表所示。
- 网络共存
在LPWAN中多个网络共存是很常见的，因此，它们的协调对于不间断通信是至关重要的。这种共存可能是两个UNB、两个SS或一个UNB和SS。任何两个网络的共存都会导致两个主要问题：共享信道的两个网络的相互干扰和主要的上行阻塞。在LPWAN中，只有在非常低的容量部署下，当干扰系统中同时活动的用户非常少时，两个网络才可能公平共存。
在基于UNB的LPWAN中，两个网络共存导致的问题更少，可以友好地共享可用的频谱/容量。通过在两个系统中使用额外的信道，可以减少系统之间的干扰。然而，这将要求基站处理额外的信道，但不会对系统性能产生任何不利影响。如果尺寸计算过程考虑并解决了干扰的可能性，部署两个不协调的UNB也是可能的。在基于ss的LPWAN中，两个网络的共存比UNB网络在共享可用频谱/容量时产生更多的问题。它们被称为“坏邻居”，减轻干扰影响相对困难。
总而言之，在LPWAN中两个网络共存的情况下，上行链路的干扰问题比下行链路的干扰问题多。两个UNB网络的成功共存需要频率重新分配和尺寸调整。同样，两个SS网络的成功共存也需要同步。分析了LPWAN中UNB和SS网络共存的条件及其影响和缓解措施见下表。
目前的一些UNB和SS的技术
UNB比较出名的就是SigFox，曾经全球最引人注目的物联网明星企业最终破产出售，也宣告其此前探索的低功耗广域物联网模式失败。经过多年的实践，从仅提供连接到提供智能应用的模式升级已成为业界共识。今年1月，法国知名物联网公司Sigfox向法国司法机构提交了破产保护申请，法国图卢兹商事法庭接管了Sigfox及其子公司Sigfox France SAS，并开始寻找新的买家。经过3个月的经营权角逐，这一出售案终于尘埃落定。近日，图卢兹商事法庭宣布，总部位于新加坡的物联网公司UnaBiz胜出，正式接管Sigfox的经营权。曾经全球最引人注目的物联网明星企业最终破产出售，也宣告其此前探索的低功耗广域物联网模式失败。
SS比较出名的就是Lora，Lora是semtech旗下的一种LPWAN技术，目前市场做的比较好，具体介绍简介参见：Lora技术介绍。
国内做的比较好的是磐启微的ChirpIOT技术，具体介绍参见ChirpIOT技术介绍
备注：本文注意翻译来自《LPWAN Technologies for IoT Systems: Choice Between Ultra Narrow Band and Spread Spectrum》--Nitin Naik