什么是LPWAN和LoRaWAN开放标准?

低功率广域网(LPWAN)非常适合要求设备使用单电池长时间在远距离上发送少量数据的工业应用。LoRaWAN开放标准是一种流行且有效的LPWAN协议。

许多物联网应用需要远距离收集和发送数据,有时传感器之间相隔数英里。对于在农业环境或仓库中工作的IoT部署,可能需要设备在一次电池充电后几年甚至十年内定期传输小信息包。

但是那些远程的,长期分布的物联网应用面临一个简单的物理问题:如果要长距离无线传输信息,则必须增加信号功率或减少信号带宽。考虑一下:如果水通过管道流动,你想把它送到离水源更远的地方,那么您要么必须增加水的压力(功率),要么使用较窄的管道(带宽),或者两者兼而有之。

后一个物理问题启发了某种类型的无线网络:“低功耗广域网”或“LPWAN”(有时称为“LPWA”)。你可能听说过LPWAN和LoRaWAN,但不知道它们是什么。您可能想知道,LPWAN是什么?LoRaWAN是什么?它们为什么重要?在本文中,我将首先介绍LPWAN,然后重点介绍一个特殊的LPWAN协议:LoRaWAN开放标准。

LPWAN简史

Sigfox在21世纪初普及了LPWAN,将其作为蜂窝网络的电源要求和许可成本的高效替代方案。法国一家初创公司Cycleo开发了一些引人注目的低功耗射频半导体IP,Semtech于2012年收购了这些它们,以巩固其低功耗射频产品组合。Semtech现在控制了LoRa协议下的一些核心IP,这已经成为事实上的非蜂窝LPWAN协议,尽管Sigfox最近宣布了一个新的全球重新扩展。

主要的蜂窝运营商和全球蜂窝标准机构3GPP对Sigfox和Cycleo (Semtech)创建IoT专用LPWAN的方式感到不满,这将蜂窝运营商与LPWAN市场隔离开来,而LPWAN市场已经开始吸引许多工业客户。3GPP开始将LTE-Cat M1和NB-IoT(窄带IoT)标准化并普及为主要在许可频段内运行的蜂窝LPWAN。

蜂窝式物联网在物联网系统中越来越受欢迎,在近十年的时间里,这些系统都将被设计成非蜂窝式LPWAN,然而,LoRaWAN仍然很强大。Semtech预测,到2020年,多达40%的LPWAN将在LoRa上运行(我们稍后将深入研究LoRa)。

5G势必会撼动整个LPWAN格局。它保证了低延迟,低功耗和高数据传输率,这是以前无法实现的。3GPP还考虑允许5G技术在非许可频段(特别是3.5 GHz,5 GHz和60 GHz)中运行,从而进一步蚕食非蜂窝LPWAN。但是,由于3GPP现在才刚刚确定标准,而Verizon和AT&T才刚刚开始试行第一个5G网络,因此还有很多事情要做。

LPWAN解决方案

基本上,LPWANs允许解决方案提供商为需要设备定期通过跨越多英里的远程网络发送少量数据的情况设计物联网系统,并且使用电池供电的设备需要使用多年。

LPWANs通过让他们的物联网设备在从外部触发器中醒来或在预先编程的时间间隔中只定期或甚至不频繁地发送少量信息包(状态更新、报告等)来实现这一壮举。然而,随着蜂窝LPWAN的出现,“低功耗”和“广域”的定义现在有了更多的灵活性,如下图所示。

一些核心优势

LPWAN设计之所以受欢迎,是因为它们成本低,电池寿命长,而且工作距离远。这是一个很好的组合。

对于需要在很长一段时间内进行周期性或不一致数据传输的某些用例,LPWANs是很好的解决方案。想想智能垃圾处理仪表,智能停车仪表,或者土壤和水质传感器。考虑到LPWAN数据包的范围和相对简单性,传感器甚至可以在地下、恶劣的气候下、远离网关或发射塔的地方进行报告。许多LPWANs也有简单的架构和已建立的协议,这使得它们在大规模部署时相对容易、便宜、可靠和有效。

一些基本限制

每种技术都有局限性。更准确地说,没有任何一种技术与用例无关。LPWANs非常适合上面描述的场景,但是不适用于需要频繁和/或大量传输数据的用例。LPWAN通常承载范围从300 bit / s到50 kbit / s的数据包。还记得56 kbit / s或“拨号”互联网吗?与大多数数据密集型LPWANs相比,通过拨号传输的数据更多,所以在大多数LPWANs中,您不会发送猫的图片、小狗的视频或杂乱的语音邮件。这不是他们的目的。

LPWAN也可能会遇到问题,因为它们通常在未经许可的频段内运行:政府不开放的工业、科学和医学(ISM)频段。美国常见的ISM频段包括915 MHz,2.4 GHz和5 GHz。LPWAN解决方案通常在902-928 Mhz ISM频段内工作,刚好低于GHz阈值。露天LPWAN设备,例如在建筑物或塔顶上,在这些低于GHz的频带中发送微弱的信号可能会受到工作在GHz边界上方的高能量信号的干扰。

通常,这样的干扰无关紧要。如果你错过了一些土壤测试间隔,这不是生死攸关的问题,但对于许多关键任务物联网应用(“MC-IoT”),例如医疗应用和自动驾驶汽车,这样的干扰可能是灾难性的。这一切都取决于了解用例的复杂性以及网络如何与本地无线电和物理环境的局限性进行交互。

LoRaWAN系统的核心功能

1)远距离(市区> 5 km,郊区> 10 km,视线> 80 km)

2)电池寿命长(> 10年)

3)低成本(每模块<$ 5)

4)低数据速率(0.3 bps – 50 kbps,通常约10 kB /天)

5)本地化支持

6)双向的

7)安全

8)在非授权频谱中运行

LPWANs在一个蜂窝通信越来越多的世界里

诸如Verizon和AT&T等主要的蜂窝服务提供商从智能手机获得如此稳定的收入,以至于他们可以负担得起以美分的价格提供诸如LTE-Cat M1和NB-IoT以及不久的5G的蜂窝LPWAN选项。因此,LoRa联盟公司有理由感到担忧。

5G必将改变LPWAN的格局。NB-IoT对于LPWAN应用很有前景,LTE Cat M1对于类似LPWAN的任务关键型或更高数据密集型的应用非常有用。

3GPP无疑即将颠覆LPWAN领域,但正如Link Labs的Brian Ray所指出的,如果联盟成员能在LPWAN领域找到自己擅长的地方,那么LoRaWAN开放标准可能仍然会非常有用。

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