LPWAN 的物理和数据链路层协议

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随着物联网的不断发展，低功耗广域网（LPWAN）技术也越来越受到关注。LPWAN 技术是一种适用于远距离、低功耗、低速率的无线通信技术，常用于物联网设备的连接。本文将为您详细介绍 LPWAN 技术中的物理和数据链路层协议，帮助您更好地了解 LPWAN 技术的原理和应用。

LPWAN 代表低功率广域网。通常，LPWAN 是一种低功耗远程无线网络，其中由无线传感器（无线传感器网络）包围的电池供电的IOT 设备相互连接。LPWAN 专为机器对机器通信而设计。它们通常具有比 Wi-Fi 更大但小于蜂窝技术的覆盖网络。

LPWAN 的主要挑战仍然是功率效率、网络覆盖范围、安全性、渗透水平和网络成本。这些网络以非常有限的带宽运行，并且其功率预算必须非常高效。因此，在设计 LPWAN 时需要仔细选择传感器、控制器、IOT 板和电池，考虑渗透水平、覆盖区域、带宽限制、成本效率和网络安全性。LPWAN 设计的主要焦点仍然是功耗。理想情况下，这些网络中的物联网设备应该在数年或至少数月内更换电池。

有许多专门为 LPWAN 指定的物理和数据链路层协议。其中一些协议栈包括以下内容 -

• Sigfox

• Weightless / Neul

• NB-IOT/LTE Cat NB1

• LTE Cat 0, 1, & 3

• LTE-M1/ LTE-MTC (LTE-Machine Type Communication)

• LoRaWAN

• Symphony Link

• EC-GSM-IOT (Extended Coverage GSM-IOT)

• RPMA

1) Sigfox –Sigfox 是一家法国电信公司和全球电信服务提供商。它提供了同名的 LPWAN 网络技术堆栈。它是一项横跨欧洲和美国的专有网络技术。Sigfox 在窄频谱中使用免许可 ISM 频段（欧洲为 868 MHz，美国为 902 MHz），它称为超窄带 (UNB)，用于城市和农村地区的 M2M 通信。该公司已在不同位置建立了信号塔（就像蜂窝信号塔），这些信号塔使用差分二进制相移键控 (DBPSK) 和高斯频移键控 (GFSK) 进行数据通信。

这些塔在城市和大都市地区的覆盖范围为 3 至 10 公里，在农村地区为 30至 50 公里。Sigfox 收发器非常节能，功耗仅为 50 微瓦。理想情况下，任何 Sigfox 收发器在 15 到 20 年内都不需要更换电池。物联网设备可以以每秒 10 到 1000 位的低速与这些收发器交换数据。为了连接和使用 Sigfox 网络，物联网开发人员需要联系她所在地区的 Sigfox 运营商或合作伙伴。开发人员还可以与运营商协商网络覆盖范围和带宽，以满足其应用需求。目前，Sigfox 网络广泛应用于智慧城市和交通物联网应用。

2) Weightless/ Neul——Neul 现在被称为 Weightless，是由 Weightless Special Interest Group (SIG) 提出的LPWAN 技术栈。

它使用电视传输频带中的空白空间在物联网设备和基站之间进行 M2M 通信。失重收发器在免许可无线电频段（英国为 458 MHz，美国和欧洲为 900 MHz ISM 频段）和白色空间电视频谱（470 至 790 MHz）运行。由于它使用 UHF 频谱（实际上用于电视传输），因此在网络覆盖方面与移动物联网标准竞争具有高度可扩展性。此外，UHF 频谱允许设备和站之间的质量链接。

与 Sigfox 一样，Weightless 收发器安装在塔上，每个塔的网络覆盖范围可达 10 公里。Weightless 已被开发用于以每秒几比特到100 kbps 的低速进行 M2M 通信。收发器通常使用 AA 电池供电并消耗 15 至 30mA 的电流。凭借如此低的功耗，收发器可以在不更换电池的情况下使用 10 到 15 年。

Weightless 下提供了三个协议栈——

Weightless-W – 该标准使用 TV White Space 在 IOT 设备和中心站之间进行通信。它使用正交幅度调制 (QAM) 和其他调制技术来连接以不同频率工作的天线。Weightless-W 标准的主要挑战仍然是适应具有不同频率（可以在 400 MHz 到 800 MHz 之间的任何位置）工作的天线的 RF 系统，因为不同的 TVWS 频率在不同的位置可用。

Weightless-N – 该协议栈与 Sigfox 非常相似，因为它使用低于 1GHz 的频段，就像 Sigfox 一样。它由 N-Wave 设计，旨在用于基于传感器的网络。它不是一个端到端的封闭系统，而是由合作伙伴网络组成。该标准使用二进制相移键控 (BPSK)，重点将传感器数据上传到基站。

Weightless-P – 由 ubiik 开发，Weightless-P 专为局域网和专用区域网络而设计。它使用 12.5 KHz 信道进行数据传输，使用高斯最小频移键控 (GMSK) 和正交相移键控 (QPSK)。

Weightless 是一个开放标准，不仅可以最大限度地降低成本，还可以让它在未来发展。

3) NB-IOT –NarrowBand-IOT 是另一个即将于 2018 年发布的 LPWAN 标准。它将使用蜂窝电信频段（4G LTE 网络中未使用的载波频段）进行 M2M 通信。它由第三代合作伙伴计划（3GPP）提出，是一种移动物联网（MIoT）技术。

NB-IOT 收发器将类似于移动收发器，但带宽仅为 180 KHz。这些设备可以以每秒 250 Kbits 的速度与这些收发器通信。在这些网络中可能会有 1.5 秒到 10 秒的延迟。NB-IOT基于移动网络，将具备与移动设备类似的安全特性。

NB-IOT 专为深入室内渗透而开发，旨在部署在农村地区。它的收发器将部署在塔上，就像移动塔一样。这些收发器将非常节能，并且在 10 到 15 年内不需要更换电池。物联网开发人员可以通过联系她所在地区的电信运营商来利用 NB-IOT 网络。NB-IOT 的主要优势将是网络安全、全球范围内的互操作性以及与现有 2G、3G 和 4G 移动网络的共存。

4) LTE Cat 0、1和 3 – LTE Cat 0、1 和 3 实际上是按标题数据速率区分的LTE（蜂窝网络）用户设备类别。通常，LTE UE 类别具有以下上行链路和下行链路速度：

file:///C:/Users/%E7%BB%99%E6%88%91%E7%95%99~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.jpg图 1：不同 LTE UE 类别的下行和上行速度列表

具有较低数据速度的 LTE 类别非常适合 LPWAN IOT 应用，因为这些移动 LTE 网络中的收发器具有非常低的功耗。LTE Cat 0、1 和 3 被认为最适合使用现有移动网络进行大规模 IOT 部署。

5) LTE-M1 –LTE-M1 也称为 LTE-A、eMTC（机器类型通信）、CAT-M1 和 LTE-MTC，是正在开发的未来 LTE 标准，用于使用 LTE 蜂窝网络进行 M2M 通信。它是第三代合作伙伴计划 (3GPP) 在其 Release 13 下提出的三个协议栈之一。另一个是 NB-IOT 和 EC GSM-IOT。它将利用现有的移动服务硬件基础设施进行软件升级，以适应物联网M2M 的要求。对这个即将推出的标准有很多期望，因为它有望具有可扩展性和高成本效益。

它也被称为 BL/CE，其中 BL 代表带宽受限，CE代表覆盖增强。该标准将基于 LTE Cat 1 和 LTECat M1 类别，这将使其具有高能效。该网络将具有三层架构，终端节点（移动物联网设备）、无线接入网络和核心网络位于不同的层。该网络将为媒体访问控制协议使用正交频分多址 (OFDMA)。

6) LoRaWAN –LoRaWAN 代表远程广域网。它是一种媒体访问控制（数据链路或网络访问）协议，还实现了网络层的一些功能。它由LoRa 联盟开发。在该协议栈中，多个终端节点（IOT 设备）以星形拓扑连接到网关以进行 M2M 通信。该协议栈的开发旨在满足需要经常与基站无线连接的电池供电的物联网设备。它有点类似于 Sigfox 和 Weightless 技术。该网络中的收发器通常在城市地区具有约 2 至 5 公里的覆盖范围，在室内深处具有 10 至 15 公里的覆盖范围。IOT设备可以以每秒几百比特到 50 Kbps 的数据速度与网关进行通信。

LoRaWAN 的设置类似于教室环境，其中终端节点（物联网设备）被视为学生，网关或基站被视为教授。终端节点始终尝试与网关通信，但网关一次只能满足一个终端节点。因此，它具有三个同时运行的类——A、B 和 C。在 A 类中，尾注以异步方式将数据传输到网关，即尾注在需要时将数据传输到网关并保持空闲直到得到服务。在 B 类中，网关每 128 秒发送一个信标，并且消息在 128 秒周期内被端节点接收。在这种情况下，端节点被配置为一个接一个地监听。在 C 类中，终端节点始终保持活动状态以从网关接收数据，并且可以随时将消息发送到终端节点（物联网设备）。

7) Symphony Link——这是 LoRa 联盟开发的另一个 LPWAN 技术栈。它与 LoRaWAN 类似，只是它具有适合工业和企业 IOT 应用的附加功能。

8) Extended Coverage GSM-IOT – EC GSM-IOT 是第三代合作伙伴计划 (3GPP) 在其 Release 13 下提出的另一个 LPWAN 协议栈。但是，它尚未包含在官方 Release 中。它将使用现有的 2G 移动网络进行 M2M 通信。与 LTE-MTC 一样，预计它具有成本效益，因为它只需要软件升级并且将利用现有的移动网络基础设施。

它将具有高数据速率（EDGE 网络为 474 Kbps，eGPRS2G 网络为 2 Mbps）和低至 700 ms 的延迟。传输通道的带宽为 200 KHz。该 LPWAN 标准预计将于 2019 年投入使用。

9) RPMA – 由 Ingenu 开发的随机相位多址 (RPMA) 是一种基于直接序列扩频 (DSSS) 调制的移动网络协议栈。它有点类似于码分多址 (CDMA) 协议。RPMA 最初是为智能电网部署的，并且被认为是其他 IOT 垂直行业的 IOT 协议栈。

总的来说，LPWAN 技术的物理和数据链路层协议是 LPWAN 技术中至关重要的一部分。通过本文的介绍，相信您对 LPWAN 技术中的物理和数据链路层协议有了更深入的了解，能够更好地应用 LPWAN 技术于物联网设备的连接中，并为物联网的发展做出更大的贡献。

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