LPWAN技术的特点及应用

LPWAN(低功耗广域网)，也称为LPWA)或LPN，是一种用于物联网(例如，以电池为电源的传感器)的类型，这是一种能够以低比特率进行远距离通信的无线网络。LPWAN可以同时满足覆盖和续航的要求。以最小的功耗提供最长的距离覆盖是LPWAN最大的技术优势。

3个LPWAN技术的特点

LPWAN技术是近年来国际上一项物联网接入的革命性技术。远距离、低功耗、低运维是LPWAN技术最大的特点。与现有的WiFi、蓝牙、ZigBee等技术相比，LPWAN真正实现了广阔的发展，并且能够实现物联网的低成本完全覆盖。

1广域覆盖

LPWAN技术使物联网设备之间的通信距离达到3-20公里。低功耗LPWAN技术的运用，让数据可以在智能城市中进行长距离传输。

2低功耗

使用LPWAN的主要优势之一是低功耗。有了LPWAN，当不使用物联网设备时，设备会自动进入休眠模式。并且物联网设备处于休眠模式时耗电非常少，所以这一优势有助于节省电力。低功耗和低使用率又引起连锁反应，使用LPWAN的这些物联网设备的电池寿命预计为5到10年。

3降低成本

LPWAN技术的运用大大降低了物联网设备的相关成本。低功耗的特点让物联网设备可以使用电池成本降低，物联网设备的成本也相应减少。除此之外，设备的维护成本也得到的了大幅降低。此外，通过LPWAN传输数据的网关数量将相应减少，从而进一步降低基础设施成本。

LPWAN在智慧城市上的应用

3种LPWAN的主流技术

LPWAN技术是一种无线通信解决方案，它可以解决许多以前无法解决的需求，但目前的LPWAN市场上已经出现了各种类型的技术。目前市场上主要的LPWAN技术包括NB-IoT、eMTC、LORA。

NB-IoT是物联网领域的一项新兴技术，支持广域网中低功耗设备的蜂窝数据连接。它也称为低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持设备有效连接，待机时间长，对网络连接要求高。据称，NB-IoT设备的电池续航时间可以提高到至少10年。

eMTC作为物联网的一种应用场景。它具有超可靠和低延迟的特点。eMTC主要应用在设备之间的通信需求上。

Lora是一项专有技术， Semtech为其提供芯片。Lora技术改变了以往在传输距离和功耗之间的折衷，为用户提供了一个简单的系统，可以实现远距离、长续航、大容量，进而扩展传感器网络。

目前，与NB-IoT相比，LORA 无线模块 是目前最成熟、最稳定的窄带物联网通信技术。它的免费网络专用网络远远优于运营商持续不断收费的NB网络，而且LoRa不需要终生付费。然而，LORA在物联网通信发展中的应用难度大、长期性强、准入门槛高。运营商将采用NB-IoT和eMTC，而Lora将专注于企业级应用。

3种LPWAN技术应用场景

LPWAN技术能够在智慧城市的建设中起到举足轻重的作用。例如，智能路灯、湿度传感器、智能电表和智能停车场不需要很高的数据速率，但需要非常广泛的覆盖。特别是在停车管理、智能冷链、智能抄表等方面。

LPWAN的应用

LPWAN技术在智能抄表中的应用

在智能抄表解决应用中，水、电、气、热等抄表终端通过LoRaWAN通信模块将数据上传到本地LoRaWAN基站，该模块可以控制一个LoRaWAN基站的数千个终端，然后通过蜂窝骨干网，将数据上传到服务器。

LPWAN技术在智能冷链中的应用

在智能冷链解决方案中，温湿度信息由具有LORA传输模块的各个采集器采集，然后上传到LORA网关，蜂窝网络和互联网上传到云平台，客户可以在后台实时监控状态。

LPWAN技术在智能路灯中的应用

在智能路灯解决方案中，LoRaWAN解决方案的架构类似于抄表。需要通过基站采集各个节点的数据，然后通过后台管理系统上传到云端，实现路灯故障报警、安全监控、紧急呼叫等功能。

NB－IoT特点

NB－IoT在带宽和成本上优势明显，构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署UMTS网络、LTE网络和GSM网络，很容易实现网络的升级。同时，相对于4G网络，它支持的待机时间长，连接高效，而且联网设备的电池寿命很高。

NB－IoT的优势应用场景：正是因为NB－IoT技术成本低、功耗低，所以在定位、水表和停车等领域应用很广泛，如共享单车里就有内置NB－IoT模组，实现物联网通讯。

更重要的是，NB－IoT背靠运营商对于室内场景覆盖有着天然的优势。确定的频谱资源，并可利用运营商原有的室分系统完成覆盖，可通过融合套餐，设备体验等方式将NB－IoT设备推入到用户家庭当中。广泛应用于如智能家居、智能零售和智慧城市等行业中。

NB－IoT虽然优势明显，但在国内的发展现状是缺乏一个统一的开放产业平台，同时标准、芯片、网络和相关的应用层厂商以中小企业为主，还需要壮大自身联盟的实力，打造强大的生态。

LoRa特点

目前在国内，由于备受国家政策、电信运营商和业内大厂的青睐，NB－IoT技术的发展可谓如火如荼。相比而言，此前因频段授权问题沉寂许久的LoRa技术低调很多。

然而，随着阿里巴巴和中国铁塔合作，以及腾讯等互联网巨头宣布加入LoRa联盟的消息又为该产业注入一支“强心剂”，LoRa技术或将在国内迎来又一个春天。

LoRa的一大特点是在同样功耗下比其它无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，LoRa网络主要由基站（也可以是网关）、服务器、LoRa终端和物联网云四部分组成，其特点是应用端和服务器端数据双向传递。

LoRa的优势是超低功耗和多信道数据传输，增加了系统数据容量，网关和终端系统能够支持测距和定位，非常适用于位置敏感的应用。

LoRa拥有着阿里、腾讯、谷歌等的支持，可直接获得围绕在这些头部互联网玩家周围的生态支持。

可以预见，在未来的室内场景中，NB－IoT与LoRa无疑将依托各自的生态进行长期的龙争虎斗。

NB－IoT和LoRa对比

（1） 频段、成本、服务质量

NB－IOT和蜂窝通信使用的是运营商提供的授权频段，因为是专门划分的频段，因此干扰相对要少很多，虽然实际应用中会收取一定的通信费用，但是相应的也会提供更好的信号服务质量，安全性和认证。而且针对目前蜂窝网络基站的建成更有利于快速大规模应用。

LoRa工作在Sub－1G的非授权频段，无需申请便可以建立网络设备，相对来说网络架构简单，而且实际应用中不需要额外付通信费用，但是因为是开放频段，所以实际应用非常广泛，容易受到其他相同频段设备的干扰。

（2） 通信距离

NB－IOT信号覆盖范围取决于其基站密度和链路预算，借助前期的资源优势，能够实现比LoRa更广的范围覆盖和更好的QoS，且NB－IoT自身具有高达164dB的链路预算，使其传输距离可达15km～20km。

LoRa使用线性调频扩频调制技术，既保持了像FSK（频移键控）一样的低功耗特性，也显著增加了通信传输距离，从而提高网络效率和抗干扰能力，即不同扩频序列的终端在使用相同的频率同时发送时不会相互干扰，在此基础上研发的网关能实现多路并行的数据接受，大大扩展了网络容量。LoRa节点的传输距离可达 12～15 km覆盖范围（空旷郊区环境，市区环境传输距离会下降）。

（3） 低功耗、电池寿命

低功耗是物联网的指标之一，关于电池寿命方面需要考虑协议内容和节点电流消耗两个重要因素。

NB－IOT同步协议的节点必须定期地联网，所需要的“峰值电流”比采用非线性调制的LoRa多出了几个数量级，尤其是在唤醒后请求基站到接入服务器的过程中，会存在大量电池电量的消耗。

LoRa是基于ALOHA协议的异步通信方式，因此可以根据具体应用需求进行精准的休眠时间设定，达到充分利用电池电量的目的。

（4） 设备成本

对终端节点来说，LoRa相比NB－IOT更加简单，更容易开发，NB－IOT的协议和调制机制比较复杂，需要更复杂的电路设计和更多的花费，同时NB－IOT采用授权频段，通信需要收取一定的费用。

通过以上的分析，LoRa和NB－IoT最大的区别是：NB－IoT是工作在蜂窝授权频段上，网络由运营商进行部署和维护，为保证能与基站进行正常的通信以及工作，有必要在产品实际部署之前对其功能进行有效的验证。

而LoRa是非蜂窝网络，其标准细节的非公开性，使得产生用于验证的标准信号是个难点。LoRa可以利用传统的信号塔、工业基站甚至是便携式家庭网关来进行。构建基站和家庭网关价格便宜。在成本上来看，LoRa无线模块和NB－IoT无线模块成本相差不大，但在隐形成本上NB－IoT明显是要高于LoRa无线模块。

NB－IoT和LoRa目前都还处于发展的起步阶段，需要各方投入和共同发展。当大规模部署成为可能的时候，NB－IoT和LoRa的模组成本也会进一步降低。就技术方案而言，在短时间内，NB－IoT和LoRa肯定会并行，各有优点、各有缺点，很难说谁压倒谁；但是，如果受到技术方案以外的因素影响，比如赢利模式的创新，与应用行业的紧密结合，借助行业的影响力，两者都有可能率先占据市场。

2009年9月17日，一家法国公司Cycleo向人们展示了一种创新的半导体技术-LoRa，给无线数据传输带来了前所未有的距离。基于这种颠覆性的专利技术，LoRa以最低的成本实现了前所未有的低功率远程无线通信。10mW RF输出功率可提供超过25km视线距离。LoRa技术作为一个低功耗数字IP，不到50K门，可以运行在纽扣或AA电池上。

2012年3月，Semtech公司收购了无线长距离IP服务商Cycleo。Cycelo技术并入到了Semtech RF平台。

 2015年2月，LoRa联盟成立于巴塞罗那移动世界大会。 LoRaMAC被重新命名为“LoRaWAN”，成为LoRa联盟成员的规范。LoRa调制解调：LoRa (Long Range，远距离)是一种调制技术，与同类技术相比，提供更长的通信距离。调制是基于扩频技术，线性调制扩频（CSS）的一个变种，具有前向纠错（FEC）。LoRa显著地提高了接受灵敏度，与其他扩频技术一样，使用了整个信道带宽广播一个信号，从而使信道噪声和由于使用低成本晶振而引起频率偏移的不敏感性更健壮。LoRa可以调制信号195dB低于底噪声，而大多数频移键控（FSK）在底噪声上需要一个8-10dB的信号功率才可以正确调制。LoRa调制是物理层（PHY），可为不同协议和不同网络架构所用-Mesh、Star、点对点等等

LoRaWAN：LoRa调制解调是PHY，LoRaWAN是MAC协议，用于大容量远距离低功耗的星型网络，LoRa联盟正在对低功耗广域网（LPWAN）进行标准化。LoRaWAN协议针对低功耗、电池供电的传感器进行了优化，包括了不同级别的终端节点以优化网络延迟和电池寿命间的平衡关系。它是完全双向的，由安全专家构建确保了可靠性和安全性。LoRaWAN架构还可轻松定位移动目标用于资产跟踪，这是物联网增长量最快的应用。主要的电信运营商正在将LoRaWAN部署为全国网络，LoRa联盟正在标准化LoRaWAN以确保不同的国家网络是可以互操作的。

 LoRaWAN 是一种低功耗广域网络（LPWAN）规范，面向在地区、国家或全球网络中电池供电的无线设备。LoRaWAN 针对物联网的关键要求，如安全的双向通讯、移动化和本地化服务。LoRaWAN规范提供智能设备间无缝的互操作性，不需要复杂的本地安装，给用户、开发者、企业以自由，使其在物联网中发挥作用。

 LoRaWAN网络结构通常部署成一个星型拓扑结构，其中网关是一个透明桥接，在终端设备和后台中央网络服务器之间中继消息。网关通过标准IP连接连接到网络服务器，而终端设备使用单跳无线通信到一个或多个网关。所有终端节点通信一般都是双向的，但还支持如组播操作实现软件空中升级（OTA）或其他大量信息分发以减少空中通信时间。

终端设备和网关之间的通信在不同频道和数据速率上传播。数据速率的选择需要在通信距离和消息持续时间上做一个权衡。由于扩频技术，不同数据速率的通信不会相互干扰，并创建一组“虚拟”通道以增加网关容量。LoRaWAN的数据速率范围从03kbps到50kbps。为最大限度地提高终端设备的电池寿命和整体网络容量，LoRaWAN网络服务器通过自适应数据速率（ADR）的方案单独管理每个终端设备的数据速率和RF输出。

针对物联网的全国范围网络，如重要的基础设施、保密的个人数据或社会对安全通信有特殊需求的社会重要功能。这已通过几层的加密解决了。

唯一网络密钥（EU164），确保网络层安全

唯一应用密钥（EU164），确保应用层端到端的安全

设备专用密钥（EUI128）

    LoRaWAN有几种不同类型的终端设备以解决广泛应用中的不同需求：

双向通讯终端设备（A类）：A类的终端设备允许双向通信，因此每个终端设备的上行链路传输跟着两个短的下行链路接受窗口。传输时隙由终端设备基于其自身的通讯需求安排，根据随机时基有一个小的变化（ALOHA类型协议）。在终端设备发送一个上行链路传输后，对仅简短地要求服务器的下行链路通讯的应用来说，这种A类操作是功耗最低的终端设备系统。在其他任何时间来自服务器的下行链路通讯必须等到下一个调度的上行链路通讯。

具备调度接受时隙的双向通讯终端设备（B类）：除A类随机的接受窗口外，B类设备还在预定时间打开接受窗口。为使终端设备在预定时间打开接受窗口，它接受网关的一个时间同步信标。这使得服务器知道终端设备什么时候在侦听。

具备最大接受时隙的双向通讯终端设备（C类）：C类终端设备几乎是连续地打开接受窗口，仅在发送时关闭。