什么是低功耗广域物联网

概述

物联网行业的快速增长导致大量的物联网设备需要联网、稳定可靠通信，而传统的通信技术例如WiFi，蜂窝网络，卫星网络等都需要大量的能源才可以支持，如果要将大量的传感设备通过联网，则需要消耗大量的电力，并且成本高，因此不适合物联网的整个环境。

物联网的体系架构简单分三个层面

• 感知层：将各个环境的信息通过传感器收集数据，也称为物理层
• 网络层：将收集到的数据信息，通过网络及通讯协议予以传输或处理
• 应用层：最终用户提供特定于应用程序的服务，它包括用户用于与系统交互的应用

低功耗广域网是指一类技术，这类网络技术被开发成为物联网应用的经济高效的网络。由于它们具有更高的功率效率，因此它的运行成本低于传统移动网络，与传统网络解决方案相比，低功耗广域网还能够在更大的区域内支持更多设备。这使得LPWAN成为物联网和机器学习应用的数据通信需求的绝佳选择，这些应用利用了大量的连接设备和传感器。LPWAN主要有两个技术，LoRa和NB-IoT,一个是非蜂窝的技术，一个是利用现有的移动通信网络的技术。

历史发展

在蜂窝网络还未商用之前，有很多行业已经采用今天的M2M方式来进行低功耗的终端物联网链接，使用与今天很类似的拓扑和网络构架。比较典型的应用包括以下几类

DataTAC:此项窄带数据网络技术最初由美国MDI（NobileData International）开发，使用ARDIS网络技术（由IBM和Motoral合作），运行频段800MHz,数据传输速率19.2kb/s。其特点是数据的穿透性，应用在安全、车队跟踪、信用卡授权和销售自动化。ARDIS当时涵盖了美国、加拿大、德国、澳大利亚、马来西亚、新加坡等区域，连香港也部署了这个网络。1996年，全球用户超过4.4万个，但是当时的资费是比较贵，每月39美元（100条消息），或每100个字节收取3美分。

Mobex:此技术是由瑞典Televerket Radio研发，后经过爱立信完善，在欧洲运行400-450Mhz频段，使用12.5kHz带宽进行数据传输，最高速率8kb/s,最大覆盖范围可以到30公里。此项技术用于公共交通、安全等项目，美国9.11事件中，此项技术发挥了极大的作用。Mobex在全球30多个国家和地区实现了部署，形成大量运营商，在英国，所有的汽车故障信息都通过这项技术传送到故障服务商。但是也是因为GSM的崛起，逐渐萎缩直至完全关闭

AlarmNet: 属于霍尼韦尔研发专门用于消防的数据通信技术，使用928MHz免授权的频段，传输速率很低。至今此项技术仍是霍尼韦尔报警联网系统的重要服务之一。

随着蜂窝技术的普及，1995年数字移动电话正式开始推进（当时的网速只有9.6kB/s)，GSM在全球普及部署，更多厂商在设备中嵌入了GPRS的模组，模组的成本和资费流量快速下降，2G技术将以上的几项技术逐渐颠覆，GPRS长期统治了很长一段时间，无线抄表、无线公话等很多市场快速成长。到了2020年，运营商主推4G网络，5G已经准备商用，2G网络准备退网。但是大量的物联网设备需要低功耗、低速率、款覆盖的链接，这样一个时代，新的技术出现了，LoRa和NB-IoT技术就被越来越多的场景所接受，我们开始进入到了低功耗广域网时代，市场上的类似技术如下：

• NB-IoT :NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级
• LoRa;是semtech公司开发的一种低功耗局域网无线标准
• Sigfox:是法国Sigfox研发的一种超窄带技术
• LTE-M：LTE-M是由工业协会GSMA和3GPP标准组织提供的无线系统。LTE-M的一个主要优势是可以实现全球连接，而且LTE-M是唯一适合长时间跟踪移动对象的系统。这项技术可以提高室内外的覆盖范围，支持大量低吞吐设备、低延时灵敏度、超低设备成本、低设备功耗的网络结构
• mioty:mioty是源自弗劳恩霍夫集成电路研究所（Fraunhofer IIS）的专利技术，被欧洲电信标准协会（ETSI）采纳为低通量网络（LTN）系列电报拆分超窄带（TS-UNB）技术规范，授权给BehrTech进行商业化运作。该技术的调制方式基于高斯最小频移键控（GMSK），覆盖范围标称为15公里，电池寿命最长可达20年
• Weightless:Weightless是低功耗广域网的无线连接规范专为物联网而设计，使用Sub-GHz免执照频段。Weightless特别兴趣小组（SIG）是一个非盈利全球标准组织，负责协调Weightless标准的相关工作
• RPMA:由 Ingenu 开发的专有 LPWAN 技术栈。该公司于2008年成立于加利福尼亚州圣地亚哥，由前高通的工程师组建，最初的名字叫做 On-Ramp Wireless
• Wize:源自于欧洲标准EN-13757 Wireless M-bus。Wize是由Wize联盟定义的一种物联网标准，主要是面向无线计量、智能城市和工业物联网等应用。Wize工作在169MHz频段，
• Telensa:公司是一家无线监控系统供应商，将其智能无线技术应用于医疗、安全、车辆跟踪和智能计量等市场，特别关注于街道照明和停车的远程控制和管理
• NB-Fi:是WAVIoT开发的一套物联网标准，此技术标准支持单个网络中多达 43 亿台设备，每台设备都有一个 32 位 ID。

发展现状

根据IoT Analytics在2021年发布的的《2021-2026年LPWAN市场报告》，尽管疫情的影响和芯片组短缺，但低功耗广域网（LPWAN）的市场仍然持续高速增长，整个现状基于以下几个方向进行

主要围绕四项关键技术进行整合

LPWAN的技术也有不少，但是主要围绕几个关键技术进行，NB-IoT、LoRa、Sigfox、LTE-MZ占据整个市场容量主要份额，在2021年的数据中显示这四项技术占96%的份额，其中NB-IoT占比47%和LoRa占36%。

中国市场的进展最为神速

根据报告显示，中国是LPWAN市场中最大的采用者，并且NB-IoT和LoRa的部署设备数量最多，在2021年占整个全球的76%。但是贸易战的问题，西方国家认为NB-IoT是属于中国的技术，因此避免使用NB-IoT而改用LTE-M

智能计量是最大的LPWAN应用案例

智能计量是LPWAN市场中最早的，也是迄今为止采用最多的用例之一。中国电信有超过2000万个智能水表和超过2500万个燃气表连接到NB-IoT网络，日本天然气株式会社NICIGAS已经完成了85万个带有Sigfox连接的燃气表的改造，Birdz将在未来十年内连接法国300万个LoRa连接的智能水表，在沙特阿拉伯，一个500多万NB-IoT智能电表计量项目正在进行中。

低功耗卫星物联网连接正在进行中

以传统卫星解决方案的一小部分成本实现无处不在的网络覆盖，正在为该技术在20世纪20年代下半叶或2030年代的潜在市场成功做好准备，有几个初创公司利用卫星传递信号、更好的覆盖物联网进行测试。这些公司包括Astrocast，Myriota和Swarm Technologies（被SpaceX收购）

从2G/3G到NB-IoT/LTE-M的迁移正在发生

LPWAN市场最终将覆盖目前依赖2G / 3G技术的大多数物联网部署。此迁移路径将有助于推动这些技术预期的大量容量。中国移动已经停止添加新的2G物联网连接，并开始关闭部分2G网络，以加速向NB-IoT网络的迁移。但是还有一些国家仍旧保留着2G技术，因此转移的速度逐渐进行中。