LPWAN通信体系演进：从LoRa到NB-IoT的抗干扰能力与网络容量优化路径

发布时间：2026-04-27 17:05:05

来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)

分享到：

低功耗广域网络技术在物联网通信领域的崛起，本质上是应对大规模、远距离、低数据速率应用场景需求的必然产物。在智能表计、资产追踪、环境监测以及城市基础设施管理等诸多场景中，传统蜂窝网络和短距离无线技术均显现出各自的局限性。蜂窝网络虽覆盖广泛，但其功耗与模组成本难以满足海量终端长期独立运行的要求；蓝牙与无线局域网虽然低功耗，但传输距离与穿墙能力的先天不足使其无法覆盖广阔的城区与野外环境。正是这一技术空白地带，催生了低功耗广域网络这一通信体系的分化与演进。在众多技术路线中，基于非授权频谱的远距离无线电技术与基于授权频谱的窄带物联网技术逐渐成为最具代表性的两条路径，两者在抗干扰能力与网络容量的优化路径上虽然出发点各异，却在持续的工程迭代中呈现出某种收敛的趋势。理解这一演进过程，需要回到两种技术最基本的物理层设计与资源分配逻辑中去。

远距离无线电技术的早期版本在物理层上采用了线性扩频调制技术。这一调制方式的本质是将原本窄带的信号扩展到一个更宽的频带上去发送，接收端通过解扩操作将有用信号重新压缩回窄带，同时将落在信号带宽内的窄带干扰扩散为底噪。这种扩频增益赋予了远距离无线电技术远超传统移频键控或高斯移频键控调制的接收灵敏度，使得其在同样发射功率下能够覆盖更远的距离。然而早期的远距离无线电技术在实际部署中面临一个核心矛盾：当大量终端同时发送数据时，即使采用不同的扩频因子，不同信号之间仍然可能在相同频段与相同时隙内发生碰撞。由于非授权频段上不存在类似蜂窝网络的集中调度机制，终端发送行为在本质上是异步且不可预期的。信道碰撞直接导致数据包的重传与丢包率的上升，而这对于网络容量构成了根本性的制约。为了缓解这一问题，早期的网络部署往往采用极为保守的占空比限制与信道活动检测策略，终端在发送前先侦听信道是否空闲，但这种方式在终端密度较高的场景下效果有限，因为隐藏终端问题使得侦听结果无法准确反映接收端的实际信道状态。

窄带物联网技术从一开始便承载于长期演进的蜂窝网络体系之上，其物理层设计继承了蜂窝通信的惯用手段。窄带物联网采用十五千赫兹的子载波间隔，在二百千赫兹的带宽内实现了多种传输模式，包括独立部署、保护带部署与带内部署。相比远距离无线电技术，窄带物联网在抗干扰能力上的先天优势来自于其受控的电磁环境。工作在授权频谱意味着网络运营商可以对基站覆盖范围内的终端进行功率控制与时频资源调度，终端之间的发送行为由基站集中仲裁，碰撞概率在源头上被显著降低。此外，窄带物联网引入了重复发送与覆盖增强技术。处于深度室内或地下环境的终端可以通过多次重复同一数据块来累积接收端的信噪比，基站将多个副本进行合并解码，这种时间分集的方式对于对抗突发性干扰具有明显效果。然而重复发送是以牺牲频谱效率与终端功耗为代价的，终端在覆盖增强模式下需要连续多个子帧保持接收或发送状态，这直接消耗了本可用于其他终端上传数据的资源单元，进而对网络的上行容量形成挤压。

远距离无线电技术在应对网络容量挑战的过程中，逐步引入了更精细的资源管理机制。一种有效的手段是自适应数据速率策略。该策略的核心思想是由网络服务器根据终端信号强度、信噪比以及当前网络负载状况，动态调整终端的扩频因子、发射功率以及空口速率。当终端接近网关时，网络服务器会指令其使用较低扩频因子和较高数据速率，这缩短了每包数据的空中传输时间，降低了与其他终端发生碰撞的时间窗口。相反当终端位于网络边缘时，较高的扩频因子虽然延长了传输时间，但保证了链路可靠性。自适应数据速率策略相当于在网络覆盖范围与信道容量之间建立了一个可动态调节的平衡点。但在实际部署中这一策略的生效依赖于终端具备可靠的下行接收能力，而许多低功耗终端为了省电会关闭下行接收窗口，导致网络服务器无法及时下发速率调整指令。针对这一问题，较新版本的网络协议引入了基于网关的拥塞控制机制，网关可以主动向网络服务器报告接收端的信号质量与信道占用情况，由服务器在更广阔的时间尺度上对终端参数进行优化。

窄带物联网在网络容量的扩展上延续了蜂窝网络历来采用的资源调度思路。基站通过物理下行控制信道为每个终端分配上行资源单元，每个资源单元在时域上对应若干个时隙，在频域上对应若干个子载波。多用户接入本质上是在时频二维网格上的资源复用过程。为了进一步提高频谱利用率，窄带物联网引入了单载波频分多址作为上行多址方式。单载波频分多址相比正交频分多址具有更低的峰均功率比，这对于终端功率放大器的效率至关重要。功率放大器工作在非线性区会引起信号失真并产生邻道干扰，而低峰均功率比使得终端可以使用更低成本的功放器件，同时减少带外发射。在抗干扰方面，窄带物联网的频分复用结构天然具有抵抗频率选择性衰落的能力，不同子载波上的信号经历的信道衰减相互独立，基站通过信道估计与均衡算法可以从畸变的接收信号中恢复出原始信息。当系统中出现来自相邻小区的同频干扰时，基站可以借助干扰抑制合并技术，利用多天线接收端的空间自由度来抑制干扰方向上的信号分量。

远距离无线电技术在与窄带物联网的对比演进中，逐渐显露出在超高密度部署场景下的容量短板。由于非授权频段的共享属性，一个网关覆盖范围内的终端数量理论上不存在硬性上限，但实际网络容量受到扩频因子正交性的限制。虽然不同扩频因子之间的信号在解扩时可以部分区分，但这种区分并非理想正交，高扩频因子的强信号仍可能淹没低扩频因子的弱信号。多网关部署成为提高网络容量的重要手段。当多个网关同时接收到同一终端发送的数据时，网络服务器可以对多个网关接收到的信号副本进行联合解调和判决，相当于引入了空间分集增益。更重要的是，多个网关的覆盖区域相互交叠，使得同一地理区域的终端可以按负载均衡的原则分配到不同的网关上。这种多网关协同的工作方式虽然不需要终端参与，但要求网络服务器具备处理海量重复数据包的能力。网关之间通过有线或蜂窝回传网络将接收到的信号元数据汇聚到服务器，服务器的处理压力随网关数量线性增长。

窄带物联网在提升抗干扰能力的过程中，对非授权频段上出现的突发性宽带干扰表现出不同的敏感特征。工作在授权频段的窄带物联网受到的干扰主要来自同频邻小区以及带外的非线性产物，而这些干扰在功率谱密度上通常低于远距离无线电技术所面临的全频段噪声基底抬升。但窄带物联网的窄带特性也使其容易受到某些特定工业设备的窄带干扰，这类干扰若恰好落在窄带物联网的工作子载波上，可能导致该子载波上的解码失败率显著升高。针对这一情况，窄带物联网在链路自适应方面做出了改进。基站可以指示终端跳转到其他子载波上继续发送，或者在物理层采用更鲁棒的调制编码方案。窄带物联网的调度粒度较细，基站在每个子帧都可以重新分配上行资源，这种快速调度能力使其能够在干扰出现的下一个子帧立即避开受污染的资源，而远距离无线电技术的信道跳频方案周期相对较长，对脉冲式干扰的响应灵敏程度较低。

远距离无线电技术体系下的网络容量优化，最终需要在终端的功耗约束下寻找解决方案。网关侧的多天线接收是近年来在该方向上取得的工程进展之一。通过在网关处部署两路或多路接收通道，可以利用空间分离来区分同一时隙内不同方向到达的终端信号。空间信道之间的相关性越低，接收端分离多路信号的能力越强。这一技术的本质是将原本在时域或频域上的冲突转移到了空域解决。网关的多天线并不需要终端侧做任何配合，因此对现有终端的兼容性较好，接收端的复杂度可以完全由网关承担。另一个优化路径是引入更高效的介质访问控制层的协议机制，例如为不同优先级的业务分配不同的接入类别，高优先级终端可以以更短的回退时间抢占信道。

窄带物联网在覆盖范围与网络容量之间进行了另一种权衡。覆盖增强等级的概念允许基站根据终端所处的无线环境将其分为不同组别，良好覆盖区域的终端使用较少重复次数和高阶调制，深度覆盖区域的终端则使用大量重复和低阶调制。这种分级方式避免了所有终端都采用最保守的参数发送，从而释放了大量时频资源。在实际网络配置中，基站通过系统信息块广播各覆盖增强等级的资源分配策略，终端在随机接入时选择一个等级并按照对应的资源配置发起连接。资源分配的粒度与灵活性直接决定了窄带物联网在高密度部署场景下的性能表现。在过去的数年间，两种技术在各自路径上的积累已经深刻改变了低功耗广域网络的技术版图，工程师与网络规划者面对具体场景时已经不再单纯偏好某一种技术，而是根据终端密度、干扰环境、功耗预算以及部署成本等多种因素的加权结果做出综合判断。

更多资讯内容，详见文章