物聯(lián)網(wǎng)低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)(LPWAN)技術(shù)全面詳解
物聯(lián)網(wǎng)希望通過通信技術(shù)將人與物,物與物進行連接。在智能家居、工業(yè)數(shù)據(jù)采集等局域網(wǎng)通信場景一般采用短距離通信技術(shù),但對于廣范圍、遠距離的連接則需要遠距離通信技術(shù)。LPWAN技術(shù)正式為滿足物聯(lián)網(wǎng)需求應(yīng)運而生的遠距離無線通信技術(shù)。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201710/368042.htm提到遠距離無線通信,你可能會有疑問不是有移動蜂窩通信技術(shù)嗎?的確,目前全球電信運營商已經(jīng)構(gòu)建了覆蓋全球的移動蜂窩網(wǎng)絡(luò),然而2G、3G、4G等蜂窩網(wǎng)絡(luò)雖然覆蓋距離廣,但基于移動蜂窩通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備有功耗大、成本高等劣勢。當初設(shè)計移動蜂窩通信技術(shù)主要是用于人與人的通信。根據(jù)權(quán)威的分析報告,當前全球真正承載在移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)上的物與物的連接僅占連接總數(shù)的6%。如此低的比重,主要原因在于當前移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)的承載能力不足以支撐物與物的連接。想要了解蜂窩通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng),請查看《從技術(shù)角度看移動通信技術(shù)發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)》
LPWAN(Low Power Wide Area Network),低功耗廣域網(wǎng)絡(luò),專為低帶寬、低功耗、遠距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計。
LPWA可分為兩類:一類是工作于未授權(quán)頻譜的LoRa、SigFox等技術(shù);另一類是工作于授權(quán)頻譜下,3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術(shù),比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。
接下來電子發(fā)燒友小編為你帶來LPWA的兩類技術(shù)詳解:
LoRa并不是一個陌生的技術(shù),它目前應(yīng)用最為廣泛的LPWAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一,這一協(xié)議源于SemTech公司,該公司計劃將逐步授權(quán)其他源文件。
LoRa無線技術(shù)的主要特點:
長距離:1 ~ 20 km
節(jié)點數(shù):萬級,甚至百萬級
電池壽命:3~10年
數(shù)據(jù)速率0.3~50kbps
LoRa作為一種無線技術(shù),基于Sub-GHz的頻段使其更易以較低功耗遠距離通信,可以使用電池供電或者其他能量收集的方式供電。較低的數(shù)據(jù)速率也延長了電池壽命和增加了網(wǎng)絡(luò)的容量。LoRa信號對建筑的穿透力也很強。LoRa的這些技術(shù)特點更適合于低成本大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)部署。
在城市里,一般無線距離范圍在1~2公里,郊區(qū)或空曠地區(qū),無線距離會更遠些。網(wǎng)絡(luò)部署拓撲布局可以根據(jù)具體應(yīng)用和和場景設(shè)計部署方案。LoRa適合于通信頻次低,數(shù)據(jù)量不大應(yīng)用。一個網(wǎng)關(guān)可以連接多少個節(jié)點或終端設(shè)備,按照Semtech官方的解釋:一個SX1301有8個通道,使用LoRaWAN協(xié)議每天可以接受約150萬包數(shù)據(jù)。如果你的應(yīng)用每小時發(fā)送一個包,那么一個SX1301網(wǎng)關(guān)可以處理大約62500個終端設(shè)備。
LoRa應(yīng)用
從目前的LoRa應(yīng)用情況來看,主要有數(shù)據(jù)透傳和LoRaWAN協(xié)議應(yīng)用。目前還是用LoRa作為數(shù)據(jù)透傳的多,由于網(wǎng)關(guān)技術(shù)和開發(fā)的門檻比較高,使用LoRaWAN協(xié)議組網(wǎng)的應(yīng)用還是比較少。
從LoRa網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面看,有大網(wǎng)和小網(wǎng)之分。小網(wǎng)是指用戶自設(shè)節(jié)點、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器,自成一個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò);大網(wǎng)就是大范圍基礎(chǔ)性的網(wǎng)絡(luò)部署,就像中國移動的通信網(wǎng)絡(luò)一樣。從LoRa行業(yè)從業(yè)者來看,有不少電信運營商也參與其中。隨著LoRa設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的增多,相互之間的頻譜干擾是存在的,這就對通信頻譜的分配和管理提出了要求,需要一個統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理的機制,一個大網(wǎng)的管理。
LoRa應(yīng)用需要考慮的幾個問題:
距離或范圍
供電或功耗
節(jié)點數(shù)
應(yīng)用場景
成本
相對于其他無線技術(shù)(如Sigfox、NB-IOT等),LoRa產(chǎn)業(yè)鏈較為成熟、商業(yè)化應(yīng)用較早。此前,Microchip公司宣布推出支持LoRa的通信模組,法國Bouygues電信運營商宣布將建設(shè)一張新的LoRa網(wǎng)絡(luò)。Semtech也與一些半導(dǎo)體公司(如ST,Microchip等)合作提供芯片級解決方案,有利于客戶獲得LoRa產(chǎn)品并采用LoRa無線技術(shù)并實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
另外,LoRa聯(lián)盟已于今年年初成立,是LPWAN領(lǐng)域第一個產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,旨在通過構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)的方式推動LoRa的普及。
SigFox
SigFox也是商用化速度較快的一個LPWAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù),它采用超窄帶技術(shù),使得網(wǎng)絡(luò)設(shè)備消耗50微瓦的功率為雙向單向通信或100微瓦。相比較而言,移動電話通信則需要約5000微瓦。這就意味著,接入Sigfox網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備每條消息最大的長度大約為12字節(jié),并且每天每個設(shè)備所能發(fā)送的消息不能超過140條。再說說覆蓋范圍,該公司希望他們的網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋至1000公里并且每個基站能夠處理一百萬個對象。
這一協(xié)議由SigFox公司擁有,其創(chuàng)始人是法國企業(yè)家Ludovic Le Moan,主要打造低攻耗、低成本的無線物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)絡(luò)。
Sigfox今年建網(wǎng)動作
2016年2月,SigFox開始在捷克建網(wǎng),該項目稱為SimpleCell。經(jīng)過一個半月的部署,其網(wǎng)絡(luò)覆蓋的城市和直轄市已經(jīng)超過3300個,超過了原計劃要覆蓋6245個地點的一半。在與T-Mobile合作下,如今已經(jīng)建成了60多個的SimpleCell基站,并計劃在今年5月份完成對所有地區(qū)的部署。
2016年4月,SigFox攜手Thinxtra在澳大利亞和新西蘭部署物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò),從而為成千上萬待聯(lián)網(wǎng)的傳感器提供全球性、效益高、節(jié)能的通信解決方案。通過本次合作SigFox也將部署全球網(wǎng)絡(luò)的觸角伸到了到亞太地區(qū),為該公司在亞太地區(qū)部署自己的網(wǎng)絡(luò)樹立了一塊里程碑,標志著該公司2016年在30多個國家推出服務(wù)跨出了重要的一步。
Sigfox與模塊制造商、設(shè)備制造商、芯片制造商、物聯(lián)網(wǎng)平臺提供商等產(chǎn)業(yè)鏈上的眾多企業(yè)都建立了合作關(guān)系,如:
與芯科實驗室的合作,將該實驗室的EZRadioPRO無線收發(fā)器和UNB技術(shù)相結(jié)合;
與Atmel在遠程物聯(lián)網(wǎng)連接領(lǐng)域也開展了合作,通過了SIGFOXReadyTM認證的ATA8520器件,是首款通過該認證的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案;
攜手TI共同打造高成本效益、遠程、低功耗物聯(lián)網(wǎng)連接,讓TI的CC1120 Sub-1GHz RF收發(fā)器在搭配UNB技術(shù)后提供最遠范圍的連通性及強大的抗干擾性;
同基礎(chǔ)設(shè)施提供商Arqiva合作啟用了第一個站點。
3GPP主要有三種標準:LTE-M、EC-GSM和NB-IoT,分別基于LTE演進、GSM演進和Clean Slate技術(shù)。
面對各種興起的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),3GPP主要有三種標準:LTE-M、EC-GSM和NB-IoT,分別基于LTE演進、GSM演進和Clean Slate技術(shù)。
●LTE-M
LTE-M,即LTE-Machine-to-Machine,是基于LTE演進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),在R12中叫Low-Cost MTC,在R13中被稱為LTE enhanced MTC (eMTC),旨在基于現(xiàn)有的LTE載波滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需求。
知道LTE UE categories的朋友并不會陌生。為了適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景,3GPP在R11中定義了最低速率的UE設(shè)備為UE Cat-1,其上行速率為5Mbps,下行速率為10Mbps。為了進一步適應(yīng)于物聯(lián)網(wǎng)傳感器的低功耗和低速率需求,到了R12,3GPP又定義了更低成本、更低功耗的Cat-0,其上下行速率為1Mbps。
●EC-GSM
EC-GSM,即擴展覆蓋GSM技術(shù)(Extended Coverage-GSM)。
各種LPWA技術(shù)的興起,傳統(tǒng)GPRS應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的劣勢凸顯。2014年3月,3GPP GERAN #62會議“Cellular System Support for Ultra Low Complexity and Low Throughput Internet of Things”研究項目提出,將窄帶(200 kHz)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)遷移到GSM上,尋求比傳統(tǒng)GPRS高20dB的更廣的覆蓋范圍,并提出了5大目標:提升室內(nèi)覆蓋性能、支持大規(guī)模設(shè)備連接、減小設(shè)備復(fù)雜性、減小功耗和時延。2015年,TSG GERAN #67會議報告表示,EC-GSM已滿足5大目標。
GERAN(GSM EDGE Radio Access Network)是GSM/EDGE 無線通信網(wǎng)絡(luò)(Radio Access Network)的縮寫。GERAN由3GPP主導(dǎo),主要制定GSM標準。由于早期的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是基于GSM的,所以一些物聯(lián)網(wǎng)立項都是GERAN進行的。
隨著技術(shù)的發(fā)展,蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信需要進行重新定義,我們形象的叫做“clean-slate”方案,類似于“打掃干凈屋子再請客”的說法,這就出現(xiàn)了NB-IoT。由于NB-IoT技術(shù)并不基于GSM,是一種clean-slate方案,所以,蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的工作內(nèi)容轉(zhuǎn)移至RAN組。GERAN將繼續(xù)研究EC-GSM,直到R13 NB-IoT標準凍結(jié)。
●NB-IoT
2015年8月,3GPP RAN開始立項研究窄帶無線接入全新的空口技術(shù),稱為Clean Slate CIoT,這一Clean Slate方案覆蓋了NB-CIoT。
NB-CIoT是由華為、高通和Neul聯(lián)合提出,NB-LTE是由愛立信、諾基亞等廠家提出。
NB-CIoT提出了全新的空口技術(shù),相對來說在現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)上改動較大,但NB-CIoT是提出的6大Clean Slate技術(shù)中,唯一一個滿足在TSG GERAN #67會議中提出的5大目標(提升室內(nèi)覆蓋性能、支持大規(guī)模設(shè)備連接、減小設(shè)備復(fù)雜性、減小功耗和時延)的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),特別是NB-CIoT的通信模塊成本低于GSM模塊和NB-LTE模塊。
NB-LTE更傾向于與現(xiàn)有LTE兼容,其主要優(yōu)勢在于容易部署。
最終,在2015年9月的RAN #69會議上經(jīng)過激烈撕逼后協(xié)商統(tǒng)一,NB-IoT可認為是NB-CIoT和NB-LTE的融合。
這里引用一段3GPP RAN會議報告關(guān)于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的描述:
物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Thing, IoT)是未來重要技術(shù),3GPP在R12/R13雖然也有MTC(Machine Type Communication)相關(guān)技術(shù),但其基本做法是在既有LTE技術(shù)與架構(gòu)上進行優(yōu)化,并非針對物聯(lián)網(wǎng)特性進行全新的設(shè)計。 相對于MTC技術(shù)優(yōu)化的做法,蜂窩物聯(lián)網(wǎng)(Cellular Internet of Thing, CIoT)技術(shù)項目建議針對物聯(lián)網(wǎng)特性全新設(shè)計,不一定要相容于既有的LTE技術(shù)框架。
關(guān)于NB-CIoT和NB-LTE的區(qū)別:
除了我們耳熟能詳?shù)腖oRa、SigFox LTE-M、EC-GSM和NB-IoT外,這一領(lǐng)域也是多家爭鳴的狀態(tài),包括NWave、OnRamp、Platanus、Telensa、Weightless、Amber Wireless等。
NWave
NWave技術(shù)公司自己擁有該協(xié)議的所有權(quán),該協(xié)議是Weightless-N協(xié)議的基礎(chǔ)。它以虛擬化Hub的方式實現(xiàn)多數(shù)據(jù)流傳輸,中央處理器對數(shù)據(jù)進行分類確保數(shù)據(jù)歸屬性。
實際上,今年7月份,Nwave 技術(shù)公司和企業(yè)加速器組織Accelerace與Next Step City攜手合作,在丹麥部署Weightless-N網(wǎng)路,范圍遍及首都哥本哈根,以及南丹麥能源產(chǎn)業(yè)重鎮(zhèn)埃斯比約,這一網(wǎng)絡(luò)即采用NWave協(xié)議搭建。此網(wǎng)絡(luò)是首次的公共網(wǎng)路建設(shè)行動,是極具開創(chuàng)性的里程碑,為丹麥物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市建設(shè)提供網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。
OnRamp
OnRamp使用其自有的協(xié)議,稱為RPMA(隨機分配,多址接入)。OnRamp公司以授權(quán)方式讓合作伙伴使用該技術(shù),且該公司撰寫了一份非常詳盡的白皮書,白皮書中給出充足理由證明他們將優(yōu)于SigFoax和LoRa。
Platanus
這一協(xié)議是由云創(chuàng)科技(M2COMM)所擁有,是為處理一定距離下超高密度節(jié)點而設(shè)計的,它可以廣泛用于電子標簽類應(yīng)用中,這一協(xié)議也成為Weightless-P技術(shù)的基礎(chǔ)。
Platanus原始技術(shù)瞄準在100m左右中等范圍,為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)位價格標簽提供室內(nèi)覆蓋。這些數(shù)位價格標簽采用電子墨水(e- ink)或LCD顯示器,能夠取代商店貨架上的紙類價格標簽, 讓商店得以透過無線方式調(diào)整產(chǎn)品價格。Platanus技術(shù)的其他主動式應(yīng)用還包括工廠中的生產(chǎn)批次的資訊顯示器,提供包括即時狀態(tài)與待處理的下一個步驟等資訊。由于這是一種雙向的通訊,這些顯示器還能整合感測器,監(jiān)測貨品的環(huán)境狀況。
Telensa(原稱Senaptic)
Telensa公司是一家無線監(jiān)控系統(tǒng)供應(yīng)商,將其智能無線技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療、安全、車輛跟蹤和智能計量等市場,特別關(guān)注于街道照明和停車的遠程控制和管理。其掌握的低功耗無線通信技術(shù)僅開放用戶界面,協(xié)議本身并不開放,該公司認為自己在應(yīng)用層具有差異化的優(yōu)勢,而不是在底層協(xié)議層上。
Weightless
Weightless實際上包括三個協(xié)議,初始協(xié)議是Weightless-W,它是為充分利用廣電白頻譜(TVWS),但全球并未著眼于開發(fā)空白頻譜的可用性,因此該協(xié)議一直被擱置直到頻道可用的時候。
另一協(xié)議Weightless-N作為Weightless-W的補充,是一個非授權(quán)頻譜下窄帶網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,源于NWave技術(shù),今年五月發(fā)布,瞄準在高達7Km的距離內(nèi)以低速率為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備到基站提供低成本的單向通訊。Weightless特別興趣小組(SIG)之前即針對Weightless-N標準展開一連串制定工作,目前已公布 Weightless 1.0版架構(gòu),是以低功耗、大范圍網(wǎng)路覆蓋為目標基礎(chǔ)所制定,使用sub-GHz頻譜和超窄頻段(Ultra Narrow Band)技術(shù),期能滿足更多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
但還有一系列的應(yīng)用需要雙向通訊,以便確認信息接收、軟件更新等,它們需要比Weightless-N更高的速率。于是第三個協(xié)議Weightless-P應(yīng)運而生,正瞄準了這些市場需求近期,這一協(xié)議是基于M2COMM 公司的Platanus技術(shù)。根據(jù)Weightless SIG介紹,Weightless-P將利用窄頻通道以及12.5kHz通道的FDMA+TDMA調(diào)變,作業(yè)于免授權(quán)的sub-GHz ISM頻段。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與基站的通訊將可實現(xiàn)時間同步,從而管理無線電資源與處理交換機制以實現(xiàn)裝置漫游,可用的通訊速率能夠根據(jù)鏈路品質(zhì)與所取得的資源,在200bps-100kbps之間調(diào)整。
Weightless作為開放的協(xié)議,并允許開發(fā)者使用特定供應(yīng)商或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商的資源,每家公司都能免費利用Weightless技術(shù)發(fā)展低成本的基站和終端設(shè)備,因此成為繼LoRa和SigFox之后具有商業(yè)化前景的技術(shù)。
Amber Wireless:Amber Wireless是一個私有專利協(xié)議,當前暫無詳細的商用化案例。
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