低功耗广域网技术简介

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物联网被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮,被广泛应用于各个领域。低功耗广域网(low-power Wide-Area Network ,LPWAN)作为物联网网络通信的方式之一,是当今世界的研究和应用热点。LPWAN 具有低功耗,远距离,低运维成本等特点,真正的实现大区域物联网低成本全覆盖【1】,可以预见在未来的智能领域将会有更多元的应用。

当今主流的LPWAN技术,包括LoRa(远程广域网)、NB-IoT(窄带物联网)、Weightless、Sigfox四个,下面将做简要介绍。

1 LoRaWAN

LoRa(Long Range),是美国(Semtech)公司的一种基于扩频技术的低功耗超长距离无线通信技术。 

该技术主要采用了窄带扩频技术,抗干扰能力强,大大改善了接收灵敏度,在一定程度上奠定了LoRa技术的远距离和低功耗性能的基础。在物理层LoRa技术支持远距离低功耗通信的基础上,LoRaWAN在网络协议和系统架构方面的设计可进一步满足物联网应用对终端电池寿命、网络容量、服务质量、传输可靠性和安全性等的要求【2】。

基于 LoRa 技术的网络层协议主要是LoRaWAN。主要分为以下三种【3】:第一个,点对点通信,就是A 点发起,B 点接收。第二个,星状网轮询,一点对多点的方式,一个中心点和N 个节点,由节点出发,中心点接收然后确认接收完成,下一个节点继续上传,直到N 个节点完成,这算一个循环周期。第三个,星状网并发,也是一点对多点的通信,不同的是多个节点可以同时与中心点通讯,这样就节约了节点的功耗,避免了个别节点的故障而引起网络的瘫痪,网络的稳定性得到了提高。

LoRa技术的特点可以应用于大量数据连接的领域,例如智能停车、道路状态评估等。

2 NB-IoT

NB-IoT (Narrow Band Internet of Things)是由3GPP负责标准化、目标克服物联网主流蜂窝标准设置中的功耗高和距离限制,并且采用授权频带的技术【4】。

NB-IoT具备四大能力:一是广覆盖,在同样的频段下,NB-IoT比现有的网络增益提高20dB,覆盖面积扩大100倍;二是具备支撑海量连接的能力,NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接;三是更低功耗,NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年;四是更低的模块成本【2】。

NB-IoT技术上采用的窄带通信,可有效降低干扰能力;为降低终端功耗,减小终端处理的复杂度,支持用户上行使用单子载波传输,以提升上行传输的功率谱密度,增加覆盖能力。三种部署方式:独立部署(Stand-alone)、保护带部署(Guard-band)、带内部署(In-band)依据实际情况可灵活运用。加上近几年,NB-IoT 得到华为、爱立信、中兴通信、中国移动、中国联通、沃达丰、GSMA、GTI 等公司的支持,其技术不断提升,正在飞速的渗入人们的生活,最近热门的共享单车就是使用了这项技术。

3 Weightless

Weightless 是一组较早公开的物联网无线通信标准。

Weightless自2012年12月公布以来,现已发布三项标准,包括Weightless-N、Weightless-P和Weightless-W【2】。对比三种版本的基本性能:成本较低的情况,可以考虑单项通信的Weightless-N;双向通信的Weightless-P,则满足高性能的需求;如果当地的空白频段有富余,Weightless-W就会是比较好的选择。

4 Sigfox

Sigfox在2010年成立初期即推出了工作在Sub-GHz非授权频段的低功耗广域网络技术,旨在构建低成本、低功耗的物联网专用网络。

该技术从物联网的实际传输需求出发,从数据包格式、系统带宽、网络拓扑、核心网等各方面都进行限制和简化,以最大程度降低功耗、延长传输距离、扩充网络容量【2】。

Sigfox只面向物联网应用中的短信息类业务,其数据包的大小被限定在12个字节,这样不仅可以满足类似温湿度、位置等简单信息的传输需求,也限定了单个节点对信道资源的占用时间,使网络可服务更多的节点;在物理层,采用超窄带调制方式,频谱效率高,占用信道资源非常少,网络部署的灵活性也相对较高;在网络架构方面,Sigfox采用了LoRaWAN类似的简单的星型拓扑,终端节点直接与基站进行交互,并且只在有消息推送的时候才会唤醒,传送完毕即进入休眠状态;Sigfox还限定了消息的推送次数,上行每天最多140个消息,而下行每天最多4个消息,极大地节省了功耗;Sigfox采用固定的传输速率,且仅有100b/s,故无需使用复杂的调制方式,核心处理器成本低;核心网也直接部署在云平台上,大大简化了网络的运营【2】。

总的来说,Sigfox将服务定位在短信息类业务,通过限制数据包大小、传输速率、传输频次等并采用简单灵活的组网方式,以获得更好的传输距离、更低的成本【2】。

参考文献

【1】张琴, 杨胜龙, 伍玉梅, 戴阳. 几种常见的物联网通讯方式及其技术特点[J]. 计算机科学与应用, 2017,7(10): 984-993.

【2】郑宁, 杨曦, 吴双力. 低功耗广域网络技术综述[J]. 信息通信术, 2017(1): 47-54.

【3】郑浩. LoRa 技术在低功耗广域网络中的实现和应用[J]. 信息通信术, 2017(1): 19-26.

【4】WANG Y P E, LIN X, Adhikary A, et al. A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things (NB-IoT)[EB/OL].[2016-12-07].

来源:福田青年学社

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