低功率廣域網(wǎng)(LPWAN)技術(shù)——優(yōu)勢(shì)和測(cè)試挑戰(zhàn)

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什么是 LPWAN ?

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)是指由全球數(shù)十億個(gè)裝置連接到Internet所組成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。常見的物聯(lián)網(wǎng)裝置包括穿戴式裝置和智能家居裝置等。這類應(yīng)用基本上是以犧牲部分隱私為代價(jià)，來獲得某些便利。在工業(yè)領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)極為顯著，不僅可提升生產(chǎn)力、降低成本、減少能源消耗，同時(shí)還可讓機(jī)器讀取海量數(shù)據(jù)，并據(jù)此執(zhí)移動(dòng)作。借助分析所有物聯(lián)網(wǎng)裝置所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，您可增進(jìn)工作效率，或是為客戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。由于您能夠更深入地了解客戶，因此可提供新型態(tài)服務(wù)并擴(kuò)大服務(wù)范圍。

不過，當(dāng)今大多數(shù)無線技術(shù)仍無法因應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的要求，尤其是在覆蓋范圍或電池使用壽命方面。

為了滿足物聯(lián)網(wǎng)要求，您必須在數(shù)據(jù)速率、功耗和覆蓋范圍之間加以取舍。如欲實(shí)現(xiàn)低功耗，則須被迫犧牲數(shù)據(jù)速率。

ZigBee、BT LE 和 NFC 能以中等數(shù)據(jù)速率和低功耗，提供短距的覆蓋范圍。

LPWAN 是一項(xiàng)可同時(shí)滿足覆蓋范圍和電池使用壽命需求的技術(shù)。它能以極小的功耗提供最長(zhǎng)距離的覆蓋范圍，而且數(shù)據(jù)速率僅略微下滑。

很多智慧城市和智能公用事業(yè)應(yīng)用，例如智能路燈、濕度傳感器、智能計(jì)量和智能停車等，對(duì)數(shù)據(jù)速率的要求不高，但卻需要非常寬廣的覆蓋范圍。這就是 LPWAN 能夠派上用場(chǎng)的地方。

LPWAN 技術(shù)：案例研究

讓我們想想看，如何在無線智能計(jì)量應(yīng)用中，使用 LPWAN 來提高工作效率。

一家公用事業(yè)企業(yè)負(fù)責(zé)為一個(gè)小城鎮(zhèn)的所有家庭供水。該公司必須派人挨家挨戶抄水表，整個(gè)過程全都是靠人工完成，耗費(fèi)了大量時(shí)間在路上往返。如果該公司能夠在每一戶家庭中安裝水表，然后透過無線方式追蹤用水狀況，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，如此不但可節(jié)省大量的工時(shí)，而且還可以有效降低成本，讓公司能專注于其他領(lǐng)域。此外，這家公用事業(yè)公司可以更充分掌握客戶的用水模式，并依據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)優(yōu)化供水能力，確保在尖峰時(shí)段家家戶戶都能獲得充足的供水。

為了以無線方式追蹤用水狀況，該公司必須在水表中加裝一個(gè)很小的硬件裝置，即物聯(lián)網(wǎng)客戶端或代理裝置。這個(gè)硬件可讀取水表數(shù)據(jù)，并將讀數(shù)定期發(fā)送到云端。在此情況下，數(shù)據(jù)速率和延遲并不重要，最關(guān)鍵的因素是覆蓋范圍和電池使用壽命。由于某些水表安裝在遙遠(yuǎn)的位置、地下室或難以到達(dá)的地方，無線技術(shù)必須支持廣泛的覆蓋區(qū)域，并提供深入的室內(nèi)覆蓋率。水表中的電池預(yù)計(jì)可連續(xù)使用 10 年以上。

此時(shí)，這些服務(wù)供貨商面臨的挑戰(zhàn)是：

1. 將所有安裝于遙遠(yuǎn)位置的水表透過無線技術(shù)連接到云端

2. 確保這些水表中的電池使用壽命長(zhǎng)達(dá) 10 年以上

為了克服這些挑戰(zhàn)，該公司可以采用 LPWAN 技術(shù)。這些技術(shù)可大致分為授權(quán)許可技術(shù)和非授權(quán)許可技術(shù)，每一項(xiàng)技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)。

LPWAN 技術(shù)比較

由于蜂巢式網(wǎng)絡(luò)成本很高，用電量也很大，并需使用昂貴的硬件和服務(wù)，于是很多網(wǎng)絡(luò)供貨商便轉(zhuǎn)而使用非授權(quán)的頻譜(例如 LoRa、SIGFOX 和 Telensa)來開發(fā)其無線網(wǎng)絡(luò)。這些供貨商主要針對(duì)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和農(nóng)業(yè)等應(yīng)用，開發(fā)自己的低成本基地臺(tái)。他們從小覆蓋范圍開始，逐步將基礎(chǔ)設(shè)施的覆蓋范圍擴(kuò)充到全國(guó)或全區(qū)，最后再透過蜂巢式回程鏈路連接到云端。

另一方面，3GPP NB-IoT 或 LTE Cat-M1 等需要授權(quán)的 LPWAN 技術(shù)，支持對(duì)現(xiàn)有蜂巢式基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行軟件更新，例如升級(jí)現(xiàn)有的 LTE 和 GSM 基地臺(tái)。借助重復(fù)利用現(xiàn)有的 3G 或 4G頻譜，他們可迅速地實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)和國(guó)際的覆蓋與部署。這些技術(shù)可為需要依賴寬廣覆蓋范圍的應(yīng)用提供支持，例如車輛追蹤、寵物追蹤和物流。為因應(yīng)技術(shù)演進(jìn)的需求，他們持續(xù)制訂更強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)，以便將服務(wù)擴(kuò)充到其他領(lǐng)域，例如移動(dòng)通訊、漫游、安保和身份驗(yàn)證。

授權(quán)和非授權(quán) LPWAN 技術(shù)有一些共同點(diǎn)：鏈路預(yù)算都很高、電池使用壽命很長(zhǎng)。兩者主要的差別在于，圍繞這些技術(shù)的生態(tài)體系不同。

SIGFOX 是一個(gè)由多家芯片商組成的生態(tài)體系，其產(chǎn)品使用次 GHz 頻譜波段，由 Sigfox 公司負(fù)責(zé)管理協(xié)議和認(rèn)證。該公司提供非常小的封包(12 字節(jié))和非常低的裝置成本，是最早的 LPWAN 廠商之一。

LoRa 是一項(xiàng)專屬技術(shù)，其芯片由 Semtech 提供。LoRaWAN 是以 LoRa 聯(lián)盟開發(fā)和認(rèn)證的LoRa 技術(shù)為基礎(chǔ)所建立的協(xié)議。LoRaWAN 主要是一個(gè)媒體訪問控制(MAC)層協(xié)議，為應(yīng)用提供極高的靈活性，但也給開發(fā)完整解決方案的工程師帶來了一大挑戰(zhàn)。

窄頻物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)、LTE Cat-M1 和 EC-GPRS 都是蜂巢式物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，它們采用多家廠商芯片或裝置的多廠商生態(tài)體系。和其它蜂巢式格式一樣，其認(rèn)證由 GCF/PTCRB 管理。您只需將現(xiàn)有的蜂巢式基礎(chǔ)設(shè)施所使用的軟件升級(jí)，便可支持這些新技術(shù)。雖然它們比非授權(quán)的技術(shù)晚幾年問世，但發(fā)布之后便廣為國(guó)內(nèi)和國(guó)際企業(yè)采用，以支持需要大覆蓋范圍的應(yīng)用，例如車輛追蹤、物流和資產(chǎn)追蹤。

LTE Cat-M1 根據(jù) 3GPP 發(fā)布的 LTE 技術(shù)修訂而來，是現(xiàn)有技術(shù)的簡(jiǎn)化版本。它使用更簡(jiǎn)單、更便宜的芯片組，并可提供比其他 LPWAN 技術(shù)更快的數(shù)據(jù)速率。LTE Cat-M1 還可借助對(duì)現(xiàn)有 LTE 基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行軟件更新來獲得支持。Cat-M1 最初部署于美國(guó)。

NB-IoT 是 3GPP 發(fā)布的一項(xiàng)全新技術(shù)，可借助對(duì) LTE 或現(xiàn)有 RAN 基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行軟件更新來獲得支持。相較于其他技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是裝置成本相對(duì)較低、鏈路預(yù)算良好。NB-IoT 最初主要部署于亞洲或歐洲。

EC-GPRS 是 GPRS 的改良版本，可借助對(duì)現(xiàn)有 GSM 基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行軟件更新來獲得支持。透過信號(hào)中繼或重新傳輸，它可實(shí)現(xiàn)比 GPRS 更好的鏈路預(yù)算。

其他 LPWAN 格式還包括 Telensa、Ingenu 和 Weightless。Telensa 是單一廠商裝置，其中使用了多家廠商的芯片，并且在次 GHz 的頻段內(nèi)運(yùn)作。這家垂直整合制造商主要致力于智慧路燈照明業(yè)務(wù)，并開始進(jìn)入停車傳感器領(lǐng)域。Telensa 已被廣泛部署于英國(guó)、美國(guó)和亞洲的路燈照明應(yīng)用上。Ingenu 以其專有的 RPMA 技術(shù)為基礎(chǔ)，并在非授權(quán)的 2.4 GHz 頻段運(yùn)作。Weightless 擁有三種不同的無線設(shè)計(jì)，并由Weightless Special Interest Group(SIG)進(jìn)行管理。

LPWAN 的要求和挑戰(zhàn)

LPWAN 技術(shù)形形色色，各不相同，但是為了滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的要求，它們都有一些共同的特性。

可靠性：提供 10 年或更長(zhǎng)的運(yùn)作時(shí)間，無需人力介入，可在物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)中斷后自行恢復(fù)運(yùn)作

高密度：支持大量連接裝置

低成本：模塊單價(jià)不到 5 美元

出色的電池續(xù)航力：壽命長(zhǎng)達(dá) 10 年以上，通常一天可發(fā)送幾則訊息，每則包含數(shù)十個(gè)字節(jié)，以便延長(zhǎng)電池續(xù)航力

最大覆蓋范圍：可覆蓋難以到達(dá)或地處偏遠(yuǎn)的區(qū)域

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)裝置供貨商來說，要想滿足這些要求是一大挑戰(zhàn)。

可靠性：為確?？煽啃?，裝置廠商必須在實(shí)驗(yàn)室或生產(chǎn)在線重建不同的實(shí)際運(yùn)作情境，并以高度的可重復(fù)性進(jìn)行測(cè)試。他們還需測(cè)試一些不利的情境，例如物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器停機(jī)并出現(xiàn)連接故障，確保裝置能夠自行恢復(fù)運(yùn)作，并且不會(huì)消耗過多電量。

最大的覆蓋范圍：為確保最大覆蓋范圍，制造商需模擬不同的射頻環(huán)境，包括遙遠(yuǎn)位置、地下室、隱蔽場(chǎng)所、混凝土建筑物及工業(yè)環(huán)境等，這些環(huán)境中的射頻條件差異很大。裝置制造商需執(zhí)行發(fā)射器和接收器特性分析，以了解物聯(lián)網(wǎng)裝置在這些不同射頻條件下的效能。

更長(zhǎng)的電池續(xù)航力：為了延長(zhǎng)電池續(xù)航力，制造商需分析物聯(lián)網(wǎng)裝置在運(yùn)作、閑置、待機(jī)和休眠模式下的電流消耗情況。裝置制造商還需重新建立各種運(yùn)作條件，例如遠(yuǎn)程軟件更新、極限覆蓋條件下的重復(fù)傳輸，以及裝置無法連接到服務(wù)器等條件，以充分掌握每一種情境中，分別需要消耗多大電流。

低組件成本：為了有效降低組件成本，很多制造商使用低成本組件并簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)。這些組件的效能必須經(jīng)過精密的特性分析，以確保其可靠性不受影響。審慎挑選正確的測(cè)試裝置，能有助于降低組件成本。一套完整的解決方案可涵蓋從設(shè)計(jì)、制造到相符性測(cè)試的整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)周期，以協(xié)助客戶大幅降低測(cè)試裝置的資本支出。

支持廣泛的格式：很多制造商的產(chǎn)品采用不同的 LPWAN 技術(shù)，以滿足不同應(yīng)用和國(guó)家的要求。因此，他們需要支持最多 LPWAN 技術(shù)的測(cè)試解決方案。

驗(yàn)收或認(rèn)證測(cè)試：使用蜂巢式技術(shù)的組件，例如 NB-IoT 模塊和 Cat-M1 模塊，必須通過GCF 和 PTCRB 等認(rèn)證和管理測(cè)試。您必須對(duì)這些組件執(zhí)行多種使用案例測(cè)試，確保其符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。