低功率广域网(LPWAN)技术——优势和测试挑战

图片来源：https://pixabay.com/photo-3926917/

什么是 LPWAN ?

物联网(Internet of Things，IoT)是指由全球数十亿个装置连接到Internet所组成的一个网络。常见的物联网装置包括穿戴式装置和智能家居装置等。这类应用基本上是以牺牲部分隐私为代价，来获得某些便利。在工业领域，物联网的优势极为显著，不仅可提升生产力、降低成本、减少能源消耗，同时还可让机器读取海量数据，并据此执移动作。借助分析所有物联网装置所产生的数据，您可增进工作效率，或是为客户提供更优质的服务。由于您能够更深入地了解客户，因此可提供新型态服务并扩大服务范围。

不过，当今大多数无线技术仍无法因应物联网的要求，尤其是在覆盖范围或电池使用寿命方面。

为了满足物联网要求，您必须在数据速率、功耗和覆盖范围之间加以取舍。如欲实现低功耗，则须被迫牺牲数据速率。

ZigBee、BT LE 和 NFC 能以中等数据速率和低功耗，提供短距的覆盖范围。

LPWAN 是一项可同时满足覆盖范围和电池使用寿命需求的技术。它能以极小的功耗提供最长距离的覆盖范围，而且数据速率仅略微下滑。

很多智慧城市和智能公用事业应用，例如智能路灯、湿度传感器、智能计量和智能停车等，对数据速率的要求不高，但却需要非常宽广的覆盖范围。这就是 LPWAN 能够派上用场的地方。

LPWAN 技术：案例研究

让我们想想看，如何在无线智能计量应用中，使用 LPWAN 来提高工作效率。

一家公用事业企业负责为一个小城镇的所有家庭供水。该公司必须派人挨家挨户抄水表，整个过程全都是靠人工完成，耗费了大量时间在路上往返。如果该公司能够在每一户家庭中安装水表，然后透过无线方式追踪用水状况，并将数据发送到云端，如此不但可节省大量的工时，而且还可以有效降低成本，让公司能专注于其他领域。此外，这家公用事业公司可以更充分掌握客户的用水模式，并依据相关数据优化供水能力，确保在尖峰时段家家户户都能获得充足的供水。

为了以无线方式追踪用水状况，该公司必须在水表中加装一个很小的硬件装置，即物联网客户端或代理装置。这个硬件可读取水表数据，并将读数定期发送到云端。在此情况下，数据速率和延迟并不重要，最关键的因素是覆盖范围和电池使用寿命。由于某些水表安装在遥远的位置、地下室或难以到达的地方，无线技术必须支持广泛的覆盖区域，并提供深入的室内覆盖率。水表中的电池预计可连续使用 10 年以上。

此时，这些服务供货商面临的挑战是：

1. 将所有安装于遥远位置的水表透过无线技术连接到云端

2. 确保这些水表中的电池使用寿命长达 10 年以上

为了克服这些挑战，该公司可以采用 LPWAN 技术。这些技术可大致分为授权许可技术和非授权许可技术，每一项技术都有其优缺点。

LPWAN 技术比较

由于蜂巢式网络成本很高，用电量也很大，并需使用昂贵的硬件和服务，于是很多网络供货商便转而使用非授权的频谱(例如 LoRa、SIGFOX 和 Telensa)来开发其无线网络。这些供货商主要针对关键基础设施和农业等应用，开发自己的低成本基地台。他们从小覆盖范围开始，逐步将基础设施的覆盖范围扩充到全国或全区，最后再透过蜂巢式回程链路连接到云端。

另一方面，3GPP NB-IoT 或 LTE Cat-M1 等需要授权的 LPWAN 技术，支持对现有蜂巢式基础设施进行软件更新，例如升级现有的 LTE 和 GSM 基地台。借助重复利用现有的 3G 或 4G频谱，他们可迅速地实现国内和国际的覆盖与部署。这些技术可为需要依赖宽广覆盖范围的应用提供支持，例如车辆追踪、宠物追踪和物流。为因应技术演进的需求，他们持续制订更强大的标准，以便将服务扩充到其他领域，例如移动通讯、漫游、安保和身份验证。

授权和非授权 LPWAN 技术有一些共同点：链路预算都很高、电池使用寿命很长。两者主要的差别在于，围绕这些技术的生态体系不同。

SIGFOX 是一个由多家芯片商组成的生态体系，其产品使用次 GHz 频谱波段，由 Sigfox 公司负责管理协议和认证。该公司提供非常小的封包(12 字节)和非常低的装置成本，是最早的 LPWAN 厂商之一。

LoRa 是一项专属技术，其芯片由 Semtech 提供。LoRaWAN 是以 LoRa 联盟开发和认证的LoRa 技术为基础所建立的协议。LoRaWAN 主要是一个媒体访问控制(MAC)层协议，为应用提供极高的灵活性，但也给开发完整解决方案的工程师带来了一大挑战。

窄频物联网(NB-IoT)、LTE Cat-M1 和 EC-GPRS 都是蜂巢式物联网标准，它们采用多家厂商芯片或装置的多厂商生态体系。和其它蜂巢式格式一样，其认证由 GCF/PTCRB 管理。您只需将现有的蜂巢式基础设施所使用的软件升级，便可支持这些新技术。虽然它们比非授权的技术晚几年问世，但发布之后便广为国内和国际企业采用，以支持需要大覆盖范围的应用，例如车辆追踪、物流和资产追踪。

LTE Cat-M1 根据 3GPP 发布的 LTE 技术修订而来，是现有技术的简化版本。它使用更简单、更便宜的芯片组，并可提供比其他 LPWAN 技术更快的数据速率。LTE Cat-M1 还可借助对现有 LTE 基础设施进行软件更新来获得支持。Cat-M1 最初部署于美国。

NB-IoT 是 3GPP 发布的一项全新技术，可借助对 LTE 或现有 RAN 基础设施进行软件更新来获得支持。相较于其他技术，其优点是装置成本相对较低、链路预算良好。NB-IoT 最初主要部署于亚洲或欧洲。

EC-GPRS 是 GPRS 的改良版本，可借助对现有 GSM 基础设施进行软件更新来获得支持。透过信号中继或重新传输，它可实现比 GPRS 更好的链路预算。

其他 LPWAN 格式还包括 Telensa、Ingenu 和 Weightless。Telensa 是单一厂商装置，其中使用了多家厂商的芯片，并且在次 GHz 的频段内运作。这家垂直整合制造商主要致力于智慧路灯照明业务，并开始进入停车传感器领域。Telensa 已被广泛部署于英国、美国和亚洲的路灯照明应用上。Ingenu 以其专有的 RPMA 技术为基础，并在非授权的 2.4 GHz 频段运作。Weightless 拥有三种不同的无线设计，并由Weightless Special Interest Group(SIG)进行管理。

LPWAN 的要求和挑战

LPWAN 技术形形色色，各不相同，但是为了满足物联网应用的要求，它们都有一些共同的特性。

可靠性：提供 10 年或更长的运作时间，无需人力介入，可在物联网服务中断后自行恢复运作

高密度：支持大量连接装置

低成本：模块单价不到 5 美元

出色的电池续航力：寿命长达 10 年以上，通常一天可发送几则讯息，每则包含数十个字节，以便延长电池续航力

最大覆盖范围：可覆盖难以到达或地处偏远的区域

对于物联网装置供货商来说，要想满足这些要求是一大挑战。

可靠性：为确保可靠性，装置厂商必须在实验室或生产在线重建不同的实际运作情境，并以高度的可重复性进行测试。他们还需测试一些不利的情境，例如物联网服务器停机并出现连接故障，确保装置能够自行恢复运作，并且不会消耗过多电量。

最大的覆盖范围：为确保最大覆盖范围，制造商需模拟不同的射频环境，包括遥远位置、地下室、隐蔽场所、混凝土建筑物及工业环境等，这些环境中的射频条件差异很大。装置制造商需执行发射器和接收器特性分析，以了解物联网装置在这些不同射频条件下的效能。

更长的电池续航力：为了延长电池续航力，制造商需分析物联网装置在运作、闲置、待机和休眠模式下的电流消耗情况。装置制造商还需重新建立各种运作条件，例如远程软件更新、极限覆盖条件下的重复传输，以及装置无法连接到服务器等条件，以充分掌握每一种情境中，分别需要消耗多大电流。

低组件成本：为了有效降低组件成本，很多制造商使用低成本组件并简化硬件设计。这些组件的效能必须经过精密的特性分析，以确保其可靠性不受影响。审慎挑选正确的测试装置，能有助于降低组件成本。一套完整的解决方案可涵盖从设计、制造到相符性测试的整个产品开发周期，以协助客户大幅降低测试装置的资本支出。

支持广泛的格式：很多制造商的产品采用不同的 LPWAN 技术，以满足不同应用和国家的要求。因此，他们需要支持最多 LPWAN 技术的测试解决方案。

验收或认证测试：使用蜂巢式技术的组件，例如 NB-IoT 模块和 Cat-M1 模块，必须通过GCF 和 PTCRB 等认证和管理测试。您必须对这些组件执行多种使用案例测试，确保其符合相关标准。