September 18, 2018

LPWAN的优点和局限性

有许多组织竞争使用LPWAN技术来充分利用物联网。 在这一点上,关于该技术的讨论太多了,我认为最好写一个指南来确切地说明LPWAN是什么、它可以做什么以及一些公司如何积极地推动其发展。

首先,什么是“ LPWAN”?

LPWAN代表“低功耗,广域网”。 (顺便说一句,LPWA和LPN的意思完全相同。) 这是一种广域网,允许配备无线电的设备进行通信。 WANs只是电信网络。 您每天所依赖的手机信号塔和5G系统是WAN。 如果您想获得技术,互联网也是如此。 您可以使用5G技术甚至有线宽带形成物联网WAN。 但是,除非您的设备带有电源插头,否则您将很快用尽电池电量。 取而代之的是,将在LOW POWER无线WANS – LPWAN中找到大规模、低维护、广泛分布的物联网应用的未来。

LPWAN使用无线通信使用非常低的功率信号在很广的范围内将设备链接在一起。 它们的主要缺点是与Wi-Fi或移动数据网络相比:它们的比特率非常低。 少数LPWAN可以每通道每秒管理甚至1百万bit,而最慢的WAN也可以每秒处理1百bit。 这个缺点是可以接受的,因为它们确实是低功耗应用。 许多LPWAN连接相距数英里的电池供电传感器,并且在两次电池更换之间必须运行数年才能实用。

LPWAN可以在私有级别上进行开发和部署,但这需要设置自己的网关,我们将在稍后讨论。 其中一项技术MXC极域协议鼓励第三方建立网关,并允许传感器所有者或运营商以商业方式使用其网络。 在这里,我们可以看到大多数真正有趣的创新。

因此,有一个方便的通用LPWAN协议,对吗?

哈哈! 您见过电子工程师吗? 不。 有许多竞争协议。 这可能会造成混乱和一些不必要的重复,但同时也允许该技术与众不同,将不同的事情做得很好。

LPWAN协议分为两大类:蜂窝和非蜂窝。 蜂窝LPWAN系统使用许可的蜂窝频率(与电话使用的信号范围相同),而非蜂窝系统则不使用。 相反,他们使用为“工业、科学和医学”用途预留的ISM无线电频段,这些频段根本没有获得许可。

流行的蜂窝LPWAN协议包括:

  • EC-GSM-IoT
  • LTE-M (也称为 LTE Cat-M1 和 Cat-M1)
  • NB-IoT (又称Cat-M2)

其中,也许最受欢迎的是LTE-M,它使用智能手机基础设施,确实使它成为一个非常广泛的网络。 “M”代表LTE标准手机基础设施上的MTC(机器类型通信)。 LTE-M网络以高达1 Mbps的比特率在高端运行。

电信提供商可以通过添加一些软件来构建LTE-M LPWAN网关,而无需添加新硬件。 Verizon,AT&T和Bell已经开始推出网关。

NB-IoT代表窄带物联网,作用如其名字。 它的最大比特率约为LTE-M系统的四分之一,约为250 kbps,并且它不像移动设备那样使用LTE。 它依靠DSSS调制。 它可以用于LTE频段或180 kHz左右的GSM频段。

有趣的是,NB-IoT不需要网关。 如果已建立其他物理和数据基础结构,设备可以将数据直接发送到服务器。 它也被认为是非常可靠的协议,因此对于高优先级监视应用程序是首选。 与LTE-M相比,运行消耗的电源更少。

该标准在欧洲比在美国更受欢迎,并且可能由于缺乏投资而受阻。 制造的窄带芯片组数量不多,这使得单位成本相当高。 有传言说,更多的数量即将出现,所以这种情况可能会改变。

最后但并非最不重要的一点,让我们看一下EC-GSM-IoT。 这代表移动物联网的扩展覆盖全球系统。 它在GPRS(通用分组无线服务)频段上工作。 只要运行该软件,任何GSM网络都可以运行该协议。

与其他两“大”标准相比,EC-GSM-IoT在用户或开发人员中并不十分受欢迎。 我并不是说这是因为它的名字很烂,但是……这个名字真的太糟糕了。

非蜂窝LPWAN协议包括:

  • LoRa(包括LoRaWAN和Symphony Link)
  • MXC极域协议
  • Ingenu (也称RPMA)
  • Sigfox
  • Weightless (包含 Nwave 和 Weightless-p)

其中,LoRaWAN是最著名的。 它由LoRa联盟推出,该联盟由500多家公司组成,包括IBM、Cisco和阿里巴巴等真正的影响者。 请注意,LoRaWAN规范可供开发人员公开使用,但核心的LoRa技术是专有的,并且在售出的每个芯片上都要支付使用费。

要使用LoRaWAN,您需要整个套件-服务器、断路器、访问点和网关。 好消息是,在这500家公司中,有许多公司出售诸如网关和服务器之类的单个产品。 一方面,这可能很麻烦,但它可以确保您完全控制网络,并可以按照自己喜欢的任何方式对其进行配置。

LoRa系统最多可以支持222个字节,这虽然不大,但确实提供了一定的灵活性。 如果您足够耐心的话,它甚至可以保留最新消息。 它在美国以915 MHz运行,在欧洲以869 MHz运行。

带有MXC极域协议的LoRAWAN MXC极域协议使用先进的防冲突协调器,可以通过在许多平方英里的地理区域内进行双路通信,使大规模物联网网络连接成千上万的设备。 它使具有重叠区域的网关协调传输成为可能。

MXC极域协议添加到LoRaWAN网络的4个主要功能:

它最大程度地减少了跨多个网络的数据包冲突:

  • 它可以在不同网络之间动态分配资源
  • 它可以使多余的网络资源得到充分利用-实质上允许LoRaWAN传感器进行“网络漫游”
  • 它使用加密货币(Machine eXchange Coin)创建货币化系统
  • 他们有白皮书,涵盖了所有详细信息。

Symphony Link使用LoRa PHY层,但其他所有操作也自己运行。 它从未真正起飞,不是因为它有什么问题,而是因为与LoRa联盟主宰者无法与之抗衡。 如今,Link Labs致力于开发物联网应用程序。

Sigfox是ISM频段上最古老的标准,并且在915和869 MHz上运行。 它实质上创建了类别。 它已被广泛使用,在近5个国家拥有网络,并计划在2018年底之前扩展到60个国家。

Sigfox的独特之处在于,他们拥有并运营基础架构,并向用户/所有者收费以发送数据。 一般来说,它便宜。 如果您的设备每天仅发送少量消息,那么您最终将仅需为该服务每年支付几美元。 Sigfox不向芯片供应商收取专利使用费,并免费提供其大部分IP。 毕竟,他们希望您设计使用其系统的设备。

不利的一面是,每个Sigfox消息都被限制为最小12个字节。 您还必须等待他们为您建立网络。 但是,如果您可以将信号缩减为12个1和0,并且可以按照其时间表工作,那么这是一种无需基础架构的选项,具有良好的安全性和低功耗需求。

Ingenu(RPMA)在承载蓝牙和Wi-Fi的2.4 GHz频段上运行。 该频段遍布世界各地,这是一个很大的优势。 总体来说,这也是一个更广泛的范围。

Ingenu的随机相位多路访问(RPMA)系统既是PHY层又是MAC层。 它使Ingenu网络可以做一些非常有趣的事情,例如使用单个网关每小时在176平方英里的地方发送半百万条消息。 单只电池的发射器就可以使用10到20年(估计),并且安装的第一个发射器如今仍在欢快地鸣叫。

该系统提供了Ingenu所期待的已制定LPWA标准的功能:广播功能、身份验证、响应网络、灵活的数据包大小、交付确认、甚至与物联网设备的全双向通信。

Ingenu的机器网络目前覆盖30个国家(以及美国30个城市)的100,000平方英里以上的领土。 他们也正在采取行动在平台即服务(PaaS)的基础上提供RPMA。

然后,我们有了无线通信LPWAN标准。 无线通信可能在163 MHz至923 MHz的任何sub-GHz ISM频段上运行。 当然,这些都是未经许可的。

Weightless-N,Weightless-W和Weightless-P都是由Weightless Special Interest Group提供的,但是N和W几乎都被放弃了,P被重新命名为简单的“Weightless”。

有趣的是,无线通信SIG是非营利性组织。 他们已经制定了无线通信和开放标准,理想情况下可以增加吸引力和创新。 但是,它不是很流行,并且没有很多可用的硬件。 一个例外是Nwave智能停车场公司,他们使用的旧版Weightless N标准的专有版本非常广泛。

Mitch Horst