低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)技術(shù)已成為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的基礎(chǔ)連接層。隨著各類機(jī)構(gòu)部署數(shù)以百萬計的傳感器和分布式設(shè)備,它們愈發(fā)需要一種既能實現(xiàn)長距離小數(shù)據(jù)量傳輸、又能保持極低能耗的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
這正是 LPWAN 技術(shù)所解決的難題。通過支持電池供電設(shè)備進(jìn)行長距離通信,LPWAN 連接技術(shù)推動了公用事業(yè)、物流、農(nóng)業(yè)和智慧城市等領(lǐng)域的大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)部署。
關(guān)鍵要點(diǎn)
LPWAN 技術(shù)實現(xiàn)了極低功耗下的長距離無線通信。
它們專為那些間歇性傳輸小數(shù)據(jù)包(而非持續(xù)高帶寬數(shù)據(jù)流)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備而設(shè)計。
主要的 LPWAN 技術(shù)包括 LoRaWAN、Sigfox、NB-IoT 和 LTE-M。
LPWAN 廣泛應(yīng)用于智能計量、資產(chǎn)追蹤、環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。
盡管 LPWAN 在低數(shù)據(jù)量應(yīng)用中效率極高,但在延遲、吞吐量和消息傳輸頻率方面存在一定的權(quán)衡取舍。
什么是 LPWAN:賦能低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)連接的技術(shù)?
LPWAN(低功耗廣域網(wǎng))是一類無線通信技術(shù)的統(tǒng)稱,旨在以極低能耗實現(xiàn)大量電池供電物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的長距離連接。LPWAN 網(wǎng)絡(luò)通常支持低數(shù)據(jù)速率和小載荷傳輸,因此非常適合那些定期上報測量數(shù)據(jù)(而非傳輸連續(xù)數(shù)據(jù)流)的傳感器和設(shè)備。
在物聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)版圖中,LPWAN 占據(jù)了一個獨(dú)特的細(xì)分市場,介于藍(lán)牙或 Wi-Fi 等短距離技術(shù)與高帶寬蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間。其目標(biāo)并非追求高吞吐量,而是為那些必須依靠小型電池運(yùn)行數(shù)年的設(shè)備提供高效且可擴(kuò)展的連接能力。
當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)部署涉及分布在廣闊地理區(qū)域內(nèi)的成千上萬甚至數(shù)百萬臺設(shè)備時,LPWAN 技術(shù)的價值尤為突出。典型應(yīng)用場景包括遍布城市的智能水表、監(jiān)測農(nóng)田的環(huán)境傳感器,以及附著在物流網(wǎng)絡(luò)中流轉(zhuǎn)的集裝箱上的追蹤設(shè)備。
通過優(yōu)先優(yōu)化通信距離和能效而非帶寬,LPWAN 促成了許多在傳統(tǒng)無線連接方案下難以實現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)項目。
LPWAN(低功耗廣域網(wǎng))技術(shù)如何實現(xiàn)低功耗、廣覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)連接
LPWAN 網(wǎng)絡(luò)依賴于一種旨在最大限度降低能耗,同時保持可靠的遠(yuǎn)距離連接的通信架構(gòu)。盡管不同技術(shù)在具體實現(xiàn)上存在差異,但大多數(shù) LPWAN 系統(tǒng)都具備一些共同的架構(gòu)特征。
網(wǎng)絡(luò)邊緣部署了配備低功耗
無線模塊的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。這些設(shè)備會定期發(fā)送包含溫度、位置或設(shè)備狀態(tài)等測量數(shù)據(jù)的小型數(shù)據(jù)包。
這些設(shè)備與附近的基站或網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信;基站或網(wǎng)關(guān)接收無線信號,并將其轉(zhuǎn)發(fā)至基于云的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。隨后,數(shù)據(jù)由物聯(lián)網(wǎng)平臺或企業(yè)應(yīng)用程序進(jìn)行處理。
LPWAN 連接之所以能實現(xiàn)長距離傳輸和低功耗運(yùn)行,主要得益于以下幾項技術(shù)原理:
采用優(yōu)化的無線調(diào)制方案,提高了信號靈敏度。
利用低數(shù)據(jù)速率傳輸,延長了通信距離。
采用簡單的通信模式,設(shè)備僅在必要時進(jìn)行偶爾傳輸。
網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計能夠支持海量終端節(jié)點(diǎn)。
根據(jù)具體技術(shù)的不同,通信既可以在授權(quán)蜂窩頻段上進(jìn)行,也可以在無需許可的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段上進(jìn)行。部分 LPWAN 系統(tǒng)依賴運(yùn)營商管理的基礎(chǔ)設(shè)施,而另一些系統(tǒng)則允許企業(yè)或機(jī)構(gòu)部署專用網(wǎng)絡(luò)。
這種架構(gòu)上的靈活性推動了 LPWAN 技術(shù)在公共和私有物聯(lián)網(wǎng)部署中的廣泛應(yīng)用。
關(guān)鍵技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)
LPWAN(低功耗廣域網(wǎng))生態(tài)系統(tǒng)包含多種相互競爭的技術(shù),它們在頻譜使用、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和性能特征上各不相同。盡管它們擁有共同的目標(biāo)——實現(xiàn)低功耗、長距離的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)連接——但不同的設(shè)計選擇導(dǎo)致了各異的部署模式。
應(yīng)用最廣泛的 LPWAN 技術(shù)包括:
LoRaWAN – 一種廣泛使用的開放式 LPWAN 協(xié)議,運(yùn)行于免許可頻譜。LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)依賴連接到云端網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的網(wǎng)關(guān),常用于私有或市政物聯(lián)網(wǎng)部署。
Sigfox – 一種專有的 LPWAN 技術(shù),專為長距離超低數(shù)據(jù)量傳輸而設(shè)計。Sigfox 網(wǎng)絡(luò)通常由專門的服務(wù)提供商運(yùn)營。
NB-IoT(窄帶物聯(lián)網(wǎng)) – 由 3GPP 定義的蜂窩 LPWAN 標(biāo)準(zhǔn)。NB-IoT 運(yùn)行于許可頻譜,由移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商進(jìn)行部署。
LTE-M (LTE-Cat-M) – 另一種 3GPP 蜂窩技術(shù),針對需要稍高數(shù)據(jù)速率和移動性支持的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。
這些技術(shù)各自滿足不同的應(yīng)用需求。免許可頻譜 LPWAN 技術(shù)通常吸引那些希望部署自有基礎(chǔ)設(shè)施的機(jī)構(gòu),而蜂窩 LPWAN 網(wǎng)絡(luò)則利用運(yùn)營商現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)覆蓋提供托管式連接服務(wù)。
支持 LPWAN 連接的硬件模塊現(xiàn)已集成到各類物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中,涵蓋從工業(yè)傳感器到智能電表及資產(chǎn)追蹤標(biāo)簽等多種設(shè)備。
主要的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景
LPWAN 技術(shù)具備支持長電池壽命和廣域覆蓋的能力,這使其特別適合涉及分布式傳感器和遠(yuǎn)程監(jiān)控的大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)部署。
多個行業(yè)已采用 LPWAN 連接技術(shù),以提升運(yùn)營透明度和自動化水平。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) – 監(jiān)控工廠、倉庫及基礎(chǔ)設(shè)施場所的設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境條件和運(yùn)營指標(biāo)。
智慧城市 – 應(yīng)用包括智能路燈、停車傳感器、空氣質(zhì)量監(jiān)測及廢棄物管理系統(tǒng)。
公用事業(yè)與能源 – 水、氣、電網(wǎng)絡(luò)的智能計量,要求設(shè)備在無需維護(hù)的情況下運(yùn)行多年。
物流與資產(chǎn)追蹤 – 在供應(yīng)鏈中追蹤托盤、集裝箱及移動資產(chǎn)。
農(nóng)業(yè) – 監(jiān)測大面積農(nóng)田的土壤濕度、天氣狀況及牲畜情況。
環(huán)境監(jiān)測 – 部署傳感器以追蹤污染水平、水質(zhì)或自然生態(tài)系統(tǒng)狀況。這些應(yīng)用有著共同的需求:設(shè)備必須能夠長時間自主運(yùn)行,且往往處于無法獲取電源或有線連接的場所。
LPWAN 技術(shù)通過為周期性傳感器數(shù)據(jù)提供高效的通信通道,使得這些應(yīng)用場景成為可能。
優(yōu)勢與局限性
LPWAN(低功耗廣域網(wǎng))連接技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)部署提供了諸多優(yōu)勢,尤其是在需要大量低功耗設(shè)備進(jìn)行長距離通信的場景中。
主要優(yōu)勢包括:
電池壽命長——設(shè)備通常無需更換電池即可運(yùn)行數(shù)年。
地理覆蓋范圍廣——根據(jù)環(huán)境不同,通信距離可達(dá)數(shù)公里。
可擴(kuò)展性——網(wǎng)絡(luò)能夠支持?jǐn)?shù)千甚至數(shù)百萬臺互聯(lián)設(shè)備。
設(shè)備與連接成本低——簡化的硬件設(shè)計和高效的協(xié)議降低了整體部署成本。
然而,LPWAN技術(shù)并非適用于所有物聯(lián)網(wǎng)場景。其設(shè)計特性帶來了一些系統(tǒng)架構(gòu)師必須考量的局限性:
數(shù)據(jù)速率有限——LPWAN網(wǎng)絡(luò)針對小數(shù)據(jù)量傳輸進(jìn)行了優(yōu)化,而非連續(xù)數(shù)據(jù)流傳輸。
延遲較高——根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和節(jié)能機(jī)制的不同,通信可能會產(chǎn)生延遲。
占空比限制——某些在非授權(quán)頻段運(yùn)行的技術(shù)必須限制傳輸頻率。
有效載荷大小限制——消息通常僅限于較小的有效載荷。
鑒于這些權(quán)衡因素,LPWAN連接最適合遙測和監(jiān)控應(yīng)用,而不適合帶寬密集型工作負(fù)載。
市場格局與生態(tài)系統(tǒng)
LPWAN市場擁有一個由技術(shù)提供商和基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營商組成的廣泛生態(tài)系統(tǒng),共同支持大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)部署。
該生態(tài)系統(tǒng)的主要參與者包括:
半導(dǎo)體制造商——開發(fā)用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的LPWAN無線芯片組和模塊。
設(shè)備制造商——將LPWAN連接功能集成到傳感器、計量表和追蹤設(shè)備中。
連接服務(wù)提供商——通過公共網(wǎng)絡(luò)提供托管式LPWAN服務(wù)。
網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商——提供網(wǎng)關(guān)和基站設(shè)備。
物聯(lián)網(wǎng)平臺提供商——提供用于設(shè)備管理和數(shù)據(jù)處理的云服務(wù)。
蜂窩與非蜂窩LPWAN技術(shù)的共存造就了多元化的市場格局。部署物聯(lián)網(wǎng)解決方案的企業(yè)通常會綜合考量覆蓋范圍、設(shè)備成本、監(jiān)管要求及長期可擴(kuò)展性,從而選擇合適的連接方案。
互操作性標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)聯(lián)盟也在塑造該生態(tài)系統(tǒng)方面發(fā)揮了重要作用,有助于確保設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)與平臺之間的兼容性。
未來展望
隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)部署規(guī)模的不斷擴(kuò)大,LPWAN 技術(shù)預(yù)計將繼續(xù)作為一種關(guān)鍵的連接方案。隨著企業(yè)將更多物理資產(chǎn)接入數(shù)字系統(tǒng),對高能效廣域通信的需求將持續(xù)存在。
未來幾年,以下幾種趨勢可能會影響 LPWAN 連接技術(shù)的發(fā)展:
與邊緣計算平臺的集成,在更靠近數(shù)據(jù)源頭的位置處理傳感器數(shù)據(jù)。
針對大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)部署的更完善的網(wǎng)絡(luò)管理工具。
半導(dǎo)體設(shè)計的進(jìn)步,進(jìn)一步降低功耗。
通過新的 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)版本,持續(xù)擴(kuò)展蜂窩物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。
結(jié)合 LPWAN 與衛(wèi)星或 5G 網(wǎng)絡(luò)的混合連接架構(gòu)。
LPWAN 不會取代其他無線技術(shù),而是將繼續(xù)作為更廣泛連接技術(shù)組合的一部分存在。在許多物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中,多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)共存,各自滿足不同設(shè)備的需求。
因此,對于設(shè)計可擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的架構(gòu)師而言,了解 LPWAN 在這一連接技術(shù)格局中的定位至關(guān)重要。
常見問題解答
LPWAN 代表什么?
LPWAN 代表低功耗廣域網(wǎng)(Low-Power Wide-Area Network),這是一類旨在利用極低能耗實現(xiàn)電池供電物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備長距離連接的無線通信技術(shù)。
主要的 LPWAN 技術(shù)有哪些?
應(yīng)用最廣泛的 LPWAN 技術(shù)包括 LoRaWAN、Sigfox、NB-IoT 和 LTE-M。每種技術(shù)都采用不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和頻譜模式。
哪些類型的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用 LPWAN?
LPWAN 連接常用于傳感器、智能電表、環(huán)境監(jiān)測設(shè)備以及資產(chǎn)追蹤標(biāo)簽,這些設(shè)備通常需要定期傳輸少量數(shù)據(jù)包。
LPWAN 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍有多大?
根據(jù)具體技術(shù)和環(huán)境的不同,LPWAN 的通信距離從城市環(huán)境中的幾公里到農(nóng)村地區(qū)的幾十公里不等。
LPWAN 適合實時應(yīng)用嗎?
LPWAN 網(wǎng)絡(luò)通常針對低數(shù)據(jù)速率和間歇性傳輸進(jìn)行了優(yōu)化,這意味著它們一般不用于實時、高帶寬的通信場景。