LPWAN技术的来龙去脉

在本文中，我们将讨论射频(RF)的基本原理，并在这些概念的基础上帮助负责设计物联网(IoT)解决方案的技术架构师了解射频对低功率广域网络(LPWANs)的影响。本文的目标是帮助技术架构师从不同的LPWAN选项中进行选择，以最好地满足其LPWAN解决方案的需求。

在第一部分中，射频基础，我们涵盖无线电频率的基础知识，并解释选择的频率如何与可传输的数据量、信号可到达的范围和设备的功率要求有直接关系。如果您熟悉射频基础知识，请跳过基于射频的物联网网络部分。

接下来，我们将讨论无线个人区域网络(WPAN)解决方案，如Wi-Fi、蓝牙、Zigbee和Z-Wave，并解释为什么这些解决方案不适合构建需要运行在广阔区域的网络，因为它们的范围都相对较短。

最后，我们将回顾一些最常用的LPWAN选项，重点关注蜂窝技术(NB-IoT和LTE-M)，以及那些使用无许可证带宽的，LoRa®/LoRaWAN®和Sigfox。我们还将探讨这些技术之间的差异，以帮助您为您的用例选择正确的选项。

射频基础

射频是一个术语，用来描述使用无线电波(一种电磁辐射)进行数字或模拟数据的远距离通信。数据可被转换(调制)转换成无线电波，从一个设备传送到一个或多个接收设备。然后，接收设备将无线电波转换回源数据。

无线电波可以通过电缆或在空中传输。无线射频是指通过空气传输的无线电波。

频率

无线电波的特定频率确定了无线电波循环的频率震荡,每秒。

图1显示了频率较低的无线电波;它不像高频波那样每秒循环几次。

图1:低频波在固定周期内循环次数较少。

图2显示了频率较高的无线电波;它每秒循环的次数比图1所示的频率要多得多。

图2:高频波在一个固定的周期内循环次数更多。

频率是用赫兹(表示为赫兹)。频率为1Hz的波是每秒完成一个周期的波。

表1:不同频率的每秒循环数。

物联网领域常见的频率是2.4 ghz(即波周期每秒24亿次)。蓝牙、Wi-Fi 802.11和微波炉等都使用2.4GHz的无线电频率。

表2:高频和低频射频的常用用途

波长和数据速度

波长是波一个完整周期的长度，以米为单位。在低频中，波长较长，在高频中，波长较短。振幅,或者说最大振幅，就是波的最大高度。这也是用米来测量的，与信号的强度或功率成正比。

图3:波的波长是波完成振荡周期所经过的距离。最大振幅是振荡的高度。

一个位是值为0或1的单个二进制数字。一个比特率从传输到接收，每秒可以传输和接收的比特数。Kbps(1千比特/秒)表示每秒1000比特，Mbps(1兆比特/秒)表示每秒1000千比特。

一个单一的波循环，或振荡，携带一个象征，可以认为是振荡的形状。调制是改变波的形状，如振幅或频率，以传递数据的过程。当接收到波时，每个波之间的差异可以用来确定波是如何变化的，这可以映射到比特中。一个调制方案指用于将数据映射到波的规则。根据调制方案的复杂性，一个符号可以包含单个位或多个位，增加了每个周期可以传输的数据量。

图4:振幅-移位键控。可以改变波的振幅来表示要发送的符号。

图5:频移键控。波的频率可以改变以表示要发送的符号。

自然地，每秒的波数越多，频率就越高，可以传输的符号就越多。因此，较高的频率可以比较低的频率更快地携带更多的数据。

表3:频率与速度/数据传输速率的关系。

信号强度损失和范围

RSSI或接收信号强度指示器，是一个数字，显示信号或无线电波在广播接收端具有的功率量。在传输过程中损失的信号强度称为强度损失．

当一个信号被传输时，它在传输的过程中总是会经历某种程度的强度损失。造成这种强度损失的主要原因如下:

自由空间路径损失
来自建筑物和其他物体的干扰
其他射频波
背景噪音

自由空间路径损耗

在一个完美的情况下(一个没有任何障碍的情况)，损失的程度可以用自由空间路径损失(当信号通过自由空间时，信号强度的损失)。这是一个简化的模型。还有一些更精确的公式，它们考虑到其他因素，例如平面地球损失和Okumura-Hata模型．

这些公式告诉我们:

损耗随发射机和接收机之间的距离增加而增加
波长越短，损失越大

当损耗增加时，信号变得更加困难，最终无法接收。

功率损耗与频率成正比，因此与波长成反比。低频信号波长较长，因此损失率较小，传播距离更远。

海浪的力量

波的功率与波的频率的平方和振幅的平方有关。因此，频率更高或振幅更高的波包含更多的能量。要产生高频率的波，需要更多的能量。能量守恒定律就是一个物理定律这说明能量不能被创造或毁灭，但可以从一种形式转变为另一种形式¹．在实际应用中，当涉及到无线电波时，这意味着较低振幅或较低频率的波将包含更少的功率，因此需要更少的功率。

其他物体的干扰

在现实世界中，自由空间路径损耗并不是信号损耗的唯一形式。其他物体如建筑物、材料和其他元素也会造成几种形式的干扰，包括:

吸收:有些材料如墙壁、木头等可以吸收信号。低频信号比高频信号受吸收的影响小。
散射:当信号击中烟雾等物体并散射成多个波时发生
反射:当信号击中物体(如金属)时改变方向时发生
衍射:当信号击中一个物体(如山丘)并绕其移动时发生
折射:当信号遇到介质(如水)时发生弯曲，导致信号改变方向。当穿过折射介质时，高频率比低频率更容易弯曲。

图6:射频波的衍射、吸收、反射、折射和散射示意图。箭头表示波的传播方向。

来自其他射频波的干扰

当两个波在同一空间内传播时，它们会相互干扰，从而改变天线接收到的信号。当两个波相互干涉时，你可以通过将两个波在波长上每一点的振幅相加来找到产生的波。干扰可以有建设性的，振幅相加得到更大的振幅，从而增强信号，或者具有破坏性的，其中振幅为相反的符号;一个正，一个负，因此相互抵消。考虑以下情况相消干涉如果你有两个频率相同但相位完全相反的波——这是最坏的情况，因为沿着波的每个点的振幅相加会导致波完全抵消。这将导致信号无法被接收。完全的相反情况相长干涉就是两个波具有相同的振幅和相位，它们的最大值和最小值点在时间上完全对齐，它们的振幅相加产生了振幅两倍的波。

图7:建设性干扰;两个完全相控的波(红色和蓝色的线)建设性地叠加，形成一个振幅较大的波(绿色虚线)。

图8:破坏性干涉;两个相位完全相反的波(红色和蓝色线)相互抵消，没有振幅(绿色虚线)。

背景噪音

干扰也可能以背景噪声的形式出现。背景噪声会使你的信号更难辨别，如果背景噪声的振幅与你的信号相似。背景噪声自然发生在射频范围内，也可能由其他常见的电子设备引起，如微波。许多接收设备都有所需的阈值信噪比(SNR)，以便运行良好。这个比率就是接收天线的信号功率除以环境背景噪声功率的比率。如果你是在一个建筑密集的地区，例如一个有很多建筑物的城镇或城市，很可能会有相当大的背景噪声，所以所使用的设备的阈值信噪比必须低于在一个没有建筑的地区。图9显示了接收天线检测到的频率范围的示意图。信噪比为振幅之比的平方:信号的振幅与背景噪声的振幅。信噪比越大，设备接收和处理信号的灵敏度就必须越低。

数字9:显示在不同频率下测量到的信号幅值的图，传输信号幅值高于背景噪声幅值，因此信噪比与A成正比_信号:一个_噪音，大于1。

射频频谱

射频频谱是更广泛的电磁(EM)频谱的一部分。这种更广泛的光谱还包括其他类型的电磁波，如x射线和伽马射线。射频频谱范围从约3kHz到300GHz。

图10:显示电磁辐射分类的电磁光谱。

光谱的范围被分组在乐队由国际电信联盟(ITU)等机构制定，然后每个波段进一步由国家监管机构(如美国联邦通信委员会(FCC))管理，有些频率是有牌照的，而有些是无牌照的。但是，在使用未经许可的频谱时，用户必须遵守当地规定，如每天广播时间等。

下面的图10显示了我们将在下一节讨论的一些技术在频谱中适合的位置，具体到美国。我们可以看到，在频段9内，LoRa和Sigfox的频率在900-930MHz相对较低，而Wi-Fi和蓝牙的频率在2.4-2.5GHz，尽管它们处于相同的频段组。根据我们之前的知识，我们可以看到，由于LoRa和Sigfox是较低的频率，因此它们可以有较低的数据速度，但比Wi-Fi 802.11和蓝牙更高的范围。

图11:射频频谱显示了一些流行的射频选项之间的关系。

摘要:射频基础

我们已经了解到，与较低的无线电频率相比，频率较188bet金博宝滚球高的技术广播将能够以更快的比特率传输更多的数据。较高的频率需要更多的功率，传播距离也不如较低的频率。在建筑物、建筑密集区或有其他干扰源的区域，范围会更小。

任何频率在平坦开阔的区域(如没有树木的农场)都比在建筑密集的区域获得更大的范围，因为那里的干扰形式更少。

记住这些基本原理，继续阅读，了解如何根据您的物联网用例选择正确的技术，考虑您需要传输的数据量，可用的电源和您希望实现的范围。188bet金博宝滚球

基于射频的物联网网络

有许多基于射频的物联网设备通信解决方案。为了讨论的目的，我们将它们分为两类:

短程或WPAN(无线个人区域网络)——范围相对较短的技术，如Wi-Fi、蓝牙、Z-Wave和Zigbee。这些可以有高或低的比特率，可能消耗更高或更低的电量。
长范围内,或LPWAN(低功耗广域网络)-具有远距离、低比特率和低功耗的技术。

无线个人区域网络(WPAN)

WPAN技术的范围有限，但是可以使用网格拓扑进行扩展，网格拓扑是一种网络实现，每个设备向附近的其他设备重复发送信号。在我们下面的探索中，您将看到WPAN的主要用例是那些范围不那么重要的用例。每种WPAN技术都有188bet金博宝滚球其独特的优缺点。

无线网络

Wi-Fi可在2.4GHz或5GHz频段工作。因为这些是较高的频率，Wi-Fi有很高的数据速率。各设备与网络路由器之间是1:1的关系。正如我们前面看到的，由于射频波的频率很高，通信的范围将很短。

传统的Wi-Fi设备有更高的功率要求，这意味着大多数可用的设备都需要由市电供电。新的Wi-Fi - 6规范旨在降低Wi-Fi物联网设备的功耗，使电池供电的物联网设备能够使用Wi-Fi。然而，使用这些新规格的设备普及还需要一段时间。

Wi-Fi非常适合需要快速传输大量数据的情况。例如:一个需要上传4K视频剪辑的相机设备。

Wi-Fi解决方案最适合以下应用:

高数据率
高质量的服bet188软件下载务(消息传递的可能性)
低延时

Wi-Fi解决方案不太适合以下应用:

设备和路由器之间的距离非常大
电池供电的设备

蓝牙

蓝牙有多个模式。与物联网最相关的模式是蓝牙低能量(BLE)。BLE的工作频率为2.4GHz，但只能传输少量数据。此外，它使用跳频扩频(FHSS)调制技术以对抗干扰。蓝牙4实现的BLE传输速率为1Mbps。蓝牙5将此速率提高到2Mbps。蓝牙网格允许通过在节点之间传递消息来增加BLE的范围，但是，您必须有大量的节点来保持大范围的连接。

BLE解决方案是理想的应用需要:

低功率
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低延时
使用蓝牙网格时范围适中。

BLE解决方案不太适合:

远程应用程序

无线个域网和z - wave

Zigb ee工作在sub 1000MHz范围，也在2.4GHz。z - wave工作频率约为900MHz。使用较低的频率使信号不容易受到干扰，并能更好地穿过墙壁和其他障碍。较低的频率也意味着较低的数据速率。虽然Zigbee和Z-Wave的范围较短，但在一个网格中使用多个设备可以扩展网络的整体范围。Zigbee和Z-Wave都是为低功耗而设计的。

Zigbee和Z-Wave非常适合那些需要高质量服务和使用少量数据的设备，比如家里的灯开关和温度传感器。bet188软件下载

Zigbee和Z-Wave是理想的应用需要:

低功率
优质服务bet188软件下载
低延时
灵活的范围与多个设备

Zigbee和Z-Wave不太适合以下应用:

大量数据
远距离(除非有覆盖整个区域的设备网)

低功耗广域网(LPWAN)

lpwan用于满足远程、低功率网络的需要。如果您的网络需要覆盖较长的范围或通过诸如建筑物之类的障碍，那么您肯定应该考虑LPWAN解决方案。在许可频带和未许可频带的频率范围内都有LPWAN解决方案。我们将在以下部分中讨论一些比较流行的LPWAN技术。

细胞

蜂窝网络使用许可的频段，通常在500MHz到4GHz之间，尽管5G技术可能使用接近100GHz的频率。最初，蜂窝网络是为高数据速率通信而建立的，如语音呼叫，其操作频率更高，以携带更大的数据量。更高的频率具有更短的范围，因此现在有专门用于物联网通信的蜂窝网络标准，以较低的频率运行，以实现更大的范围。

对于物联网应用，有两个关键的蜂窝规范需要考虑。这两种技术都被归类为5G技术:

NB-IoT(窄带物联网)。NB-IoT有时被称为Cat-M2或Cat-NB，是一种使用非常窄的频率通道宽度的蜂窝通信类别。NB-IoT比LTE-M耗能更少(见下文)，而且续航时间更长。
LTE-M(长期发展-机器类型通信)。LTE-M比NB-IoT具有更高的数据速率和更低的延迟。LTE-M相比NB-IoT还有支持设备移动性的优势，因此，如果设备在数据传输过程中移动，它可以切换到另一个基站。

蜂窝网络上的数据速率高于其他LPWAN解决方案，这增加了您可以发送的包大小。

蜂窝解决方案中使用的频率是经过许可的，可以减少干扰，并且可以根据需要任意频繁地发送消息。因此，蜂窝技术具有188bet金博宝滚球高质量的服务和低延迟。bet188软件下载如果您的用例需要立即采取行动和响应——例如，一旦检测到泄漏，就在很远的距离上关闭天然气阀门——您可能需要考虑使用Cellular。

蜂窝网络通常由移动网络提供商拥有。通过为您的物联网解决方案选择蜂窝，您可以利用已经完善的基础设施，这取决于目标区域的覆盖范围。然而，蜂窝物联网规范是相对较新的，所以网络供应商仍在设置他们的系统来支持这些规范。您可能还会发现，您所在国家的网络提供商覆盖范围有限，可能会选择一种或另一种规格(NB-IoT或LTE-M)向客户提供服务。（注意:一个给定的网络提供者不太可能同时实现这两种功能。)GSMA有部署图当前移动物联网部署，可用于找到您所在位置的供应商链接。蜂窝网络需要向网络提供商订阅，而且可能比其他未经许可的选择更贵。

适合蜂窝物联网实现的用例是电力计量：

高数据速率和有效载荷长度
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低延时

Sigfox和罗拉

另外两个领先的LPWAN技术，Sigfox和LoRa，都使用433MHz到928MHz之间的无许可证频段，在长距离传输低频信号。正如我们将看到的，这些技术具有一些共同的特征。

与蜂窝网络不同，基于Sigfox或LoRa的网络使用星型网络拓扑结构构建;这意味着广播消息可以在范围内的任何基站(网关)接收和发送到云。当设备处于多个基站的外部范围限制时，这增加了接收到信号的机会。

Sigfox和LoRa都可以达到比Cellular更大的距离，消耗更少的电力。相反，两者都有较慢的数据传输速度，并且对可以传输的数据量和传输数据的频率有更多的限制。每条消息可以发送更大的数据量，使用LoRa可以更频繁地广播，而使用Sigfox可以获得最远的潜在范围。

Sigfox和LoRa的共同优点:

远程
低功率

Sigfox

Sigfox成立于2010年，是我们现在定义的第一个现代LPWAN。

Sigfox使用未经许可的频段，频率在862MHz到928MHz之间，并传输100Hz宽的消息，使用ultra-narrowband调制。这意味着Sigfox设备在给定工作范围内的随机信道上传输，有助于减少来自背景噪声的干扰机会。

Sigfox可以实现我们正在分析的所有选项中最大的范围，但由于使用窄带，以低数据速率为代价。因此，每条消息传输的数据必须很小，小于12字节。Sigfox用户从一个设备向云发送的消息不得超过6条(上行)，从云发送到设备的消息不超过4条(下行每天)。这些限制意味着Sigfox是那些每天只需要通信几个简单值的应用程序的理想选择，而且功耗要求很低

直到最近，要使用Sigfox，你必须订阅他们的公共网络。然而Sigfox目前正在提供专用区域网络(PAN)技术188bet金博宝滚球允许您运行网络的私有实例。

Sigfox的优点:所有LPWAN选项中最远的范围。

罗拉和LoRaWAN

根据地区不同，LoRa使用433MHz到928MHz之间的未授权频段，并使用专有频段线性调频扩频(CSS)调制方案，使用分布在更宽信道带宽上的窄带(125、250和500kHz)传输数据，确保低噪声水平和抗干扰能力。可以通过改变调制方案来改变扩频因子以牺牲能量来达到更远的距离。LoRaWAN是一个开放标准网络协议(构建在LoRa之上)，它定义了设备如何与网关通信。

LoRa的范围比Cellular大，但比Sigfox小。然而，数据包大小的限制是灵活的，通过正确的配置，您可以比Sigfox在每个数据包中传输更多的数据。

LoRa消息的最大包大小取决于您所在的地区和您希望支持的数据速率。通过改变传播因子和所使用的带宽，可以实现不同的数据速率。较高的数据速率意味着较短的范围，因为频率较高。您可以传输的最大消息大小可以从11到242字节，以及您可以基于您的用例来控制这一点．

表4:一些EU868 US915和CN470区域规范中提供的不同扩展因子和带宽组合的速率和最大有效载荷尺寸。

有一些公共LoRaWAN网络提供商。也可以使用您自己的网关和软件设置一个专用网络。这允许您在任何可以访问安装网关的位置的地方提供连接。私有LoRaWAN网络还使您能够将数据完全保存在自己的域中。建立自己的网络的能力不同于目前描述的任何其他技术选项，它可以让你完全控制你的系统、数据和成本。188bet金博宝滚球

LoRa有多个操作类:

a类:耗电量最小。设备大部分时间处于休眠状态，当传感器值发生变化时，设备将被唤醒，发送上行消息。从服务器接收消息的窗口非常有限(下行链接)。
b类:耗能也非常小。设备大部分时间都处于休眠状态，但可以按时醒来，也可以在传感器读数发生变化时报告当前读数。从服务器接收消息的窗口有限(下行链接)。
Class-C:比Class-A和Class-B设备需要更大的功率，但设备总是监听下行链路，除非广播上行链路。

这些多类操作的灵活性意味着LoRaWAN可以服务于更广泛的用例。

LoRaWAN的优点:

控制最大包大小，它可以高于Sigfox。
容易建立一个低成本的专用网络。
灵活，具有不同功率需求和延迟需求的设备组合在一起工作。

总结

较低频率的范围较长，但比较高频率携带的数据较少。

WPAN技术，如蓝牙、Wi-Fi、Zigbee和Z-Wave，都以牺牲范围为代价，以更高的频率运行。这些技术不适用于范围非常重要的场景。LPWAN技术都能够实现比WPAN技术更大的范围，并在更低的频率下工作。

我们已经确定了正确的LPWAN技术取决于您的用例。188bet金博宝滚球蜂窝技术，如NB-IoT和LTE-M更适合有蜂窝覆盖的情况，服务质量、低延迟和大数据量比功率更重要的情况，因为范围可能更低。bet188软件下载Sigfox适用于这样的场景:您有非常小的数据量，希望用低功率进行远距离传输。LoRa允许最大程度的控制，轻松设置专用网络，发送大量数据的可配置能力，以及降低延迟的Class-C。

表5:主要LPWAN技术的相对范围、响应性、移动性和数据速率总结。

图12:主要LPWAN技术的范围、响应性、移动性和数据速率的比较。

1 https://www.thoughtco.com/law-of-conservation-of-energy-605849