非蜂窝制式的LPWAN

2020-11-21 来源:华信咨询设计研究院有限公司 李燕春

LPWAN是面向物联网中远距离和低功耗的通信需求而演变出的一种物联网通信技术。LPWAN的技术特点包括传输距离远、节点功耗低、网络结构简单、运行维护成本低。LPWAN填补了现有无线通信技术的空白,为物联网的更大规模发展奠定了坚实的基础。

如今,物联网领域的无线通信技术选择之多已经超乎想象。在一个平台上,不仅联网设备高速增长,同时,还对电池寿命和低数据速率提出了更高的要求。于是,LPWAN被视为支撑这一需求的核心要素。在LPWAN领域相继出现了多种无线通信的创新技术,这一领域的竞争愈演愈烈。物联网的世界不可能仅有一个标准,短距离与长距离多种通信技术共存是最合理和最能解决问题的手段。物联网应用需要考虑许多因素,如节点成本、网络成本、电池寿命、数据传输速率、时延、移动性、网络覆盖范围和部署类型等。

LPWAN 技术又分为两大类。

1)工作在非授权频谱的非蜂窝技术,包括LoRaSigFox 

2)工作在授权频谱的蜂窝物联网技术,包括第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project3GPP)组织定义的NB-IoTeMTC 国际标准。

以下对非蜂窝LPWAN技术做个简要介绍。

一、SigFox

2009年,法国公司SigFox展示了自己的超窄带(Ultra Narrow BandUNB)技术,被业界视为是LPWAN领域最早的开拓者。UNB技术每秒只能处理101000 bit的数据,传输功耗水平非常低,却能支持成千上万的连接。

SigFox无线链路使用未授权的ISMIndustrial Scientific Medical)射频频段。具体频率根据各个国家的法规有所不同,在欧洲广泛使用868MHz,在美国使用915MHzSigFox网络中单元的密度,在农村地区大约为3050km,在城市中常有更多的障碍物和噪声影响,单元密度可能减少到310 kmSigFoxUNB技术使用标准的二进制相移键控(Binary Phase Shift KeyingBPSK)的无线传输方式,采用非常窄的频谱改变无线载波相位对数据进行编码。

SigFox公司不仅是标准的制定者,同时也是网络运营者和云平台提供商,目标是与合作伙伴建造一个覆盖全球IoT网络,独立于现有电信运营商的移动蜂窝网络。目前,SigFox在欧洲已经部署了不少网络。

二、LoRa

LoRaLong Range)是美国Semtech公司推广的一种超远距离无线传输方案。2013 8 月,Semtech公司发布了一种基于1 GHz以下的超长距低功耗数据传输技术的芯片,接受灵敏度为-148 dBm,与业界其他先进水平的Sub-GHz 芯片相比,最高的接收灵敏度改善了20 dB以上,这确保了网络连接的可靠性。LoRa使用线性调频扩频调制技术,工作在非授权频段,数据传输速率为0.3 kbit/s37.5 kbit/sLoRa还采用了自适应速率(Adaptive Data RateADR)方案来控制速率和终端设备的发射功率,从而最大化终端设备的续航能力。

LoRaSigfox最大的不同之处在于LoRa是技术提供商,不是网络运营商,谁都可以购买和运行LoRa设备,LoRa联盟也鼓励电信运营商部署LoRa网络。

三、Weightless

Weightless是由一个非营利全球标准组织Weightless特别兴趣小组(Weightless Special Interest GroupWeightless SIG)提出的技术。与LoRaSigFox类似,Weightless也是一种专为物联网设计的无线技术。Weightless既可以工作在Sub-GHz免授权频段,也可以工作在授权频段,其通信距离可以达到10 kmWeightlessWeightless-NWeightless-P Weightless-W三个不同的开放标准:如果考虑成本,可选择单向通信的Weightless-N;如果考虑高性能,可选择双向通信Weightless-P;如果当地TV 空白频段可用,可选择Weightless-W

四、RPMA

随机相位多址接入技术(Random Phase Multiple AccessRPMA)是由美国Ingenu公司开发的。RPMA技术工作在2.4 GHz 免授权频段,支持全双工通信,这点是比SigFoxLoRa有优势的地方:SigFox采用的是单向传输,LoRa 采用的是半双工的通信方式。Ingenu为开发人员提供了收发器模组,可以连接到RPMA网络,这个网络是由Ingenu 公司及其合作伙伴在全球范围内建立的网络,这与SigFox比较类似。RPMA网络将来自终端节点的信息转发至使用者的IT系统,RPMA也可适用于想要搭建私有网络的客户人群。