分析師預(yù)測，到2023年，低功耗廣域網(wǎng)（LP-WAN）上的設(shè)備可能超過10億。本文解釋了為什么這些網(wǎng)絡(luò)的RF特性使其非常適合智能建筑應(yīng)用，如資產(chǎn)跟蹤和泄漏檢測，以及帶傳感器的智能停車應(yīng)用。我們還為設(shè)備設(shè)計提供一些建議。

什么是LP-WAN？

LP-WAN是使用低于1GHz頻率的無線網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)多年來一直用于M2M（機器對機器）流量。它們提供了低功耗、安全性、遠(yuǎn)程和移動工作的綜合優(yōu)勢——因此，它們的受歡迎程度隨著物聯(lián)網(wǎng)的擴展而增長。

四種技術(shù)主導(dǎo)著該行業(yè)：NB-IoT，LTE-M，LoRa-WAN和SigFox。所有這些都以低比特率提供遠(yuǎn)程通信，適用于M2M流量的小型間歇性數(shù)據(jù)包。

LoRa 通常使用這些頻率： 433 兆赫在亞洲， 868 兆赫在歐洲， 915兆赫在， 在美國.NB-IoT使用每個國家/地區(qū)可用的移動網(wǎng)絡(luò)運營商頻段，通常為700 MHz、800 MHz或900 MHz。

低頻射頻

無線電波長在低頻時較長，在高頻下較短。更高的頻率可以承載更多的數(shù)據(jù)，但它們的信號損失在更長的距離上以及在墻壁和磚石阻礙傳輸?shù)慕ㄖ飪?nèi)更大。

無線電波可以穿過不同的大氣條件、大多數(shù)建筑材料和茂密的樹葉。然而，在波長較長的較低頻率下，來自墻壁和建筑物等障礙物的信號吸收或損失比在較高頻率下要少，因此信號可以傳播得更遠(yuǎn)并且需要更少的功率。這意味著頻率低于1GHz的LP-WAN可以以較低的數(shù)據(jù)速度覆蓋更長的距離。

這也意味著在更多的城市地區(qū)，無線電信號可以更容易地穿過建筑物到達(dá)地下，而在更多的農(nóng)村地區(qū)，LP-WAN信號將傳播更遠(yuǎn)的距離，使其有利于智能農(nóng)業(yè)（例如，跟蹤牲畜或使用傳感器監(jiān)測土壤濕度）。LP-WAN連接不如寬帶快，但它們以低功耗要求和低運營成本提供有用的遠(yuǎn)程通信。

為什么LP-WAN適用于智能建筑和智慧城市

從技術(shù)角度來看，LP-WAN是低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用的有吸引力的選擇。它可以在相當(dāng)長的范圍內(nèi)運行 - 2公里到15公里的距離是可行的 - 并且連接比蜂窩網(wǎng)絡(luò)便宜。數(shù)據(jù)包大小可以從 10 到 1，000 字節(jié)，上行鏈路速度可以快到 200 Kbps。這使得LP-WAN能夠完美地支持具有小數(shù)據(jù)包的應(yīng)用，同時消耗很少的功率。對于分布在網(wǎng)絡(luò)中的大型電池供電設(shè)備隊列來說，這是一個很大的優(yōu)勢。

這些功能使LP-WAN適用于跟蹤車輛和集裝箱以及連接傳感器網(wǎng)絡(luò)以測量位置，振動，溫度，負(fù)載和速度。在智能城市中，各種應(yīng)用都是可能的：在停車位中帶有傳感器的智能停車應(yīng)用，以幫助市民找到可用的停車位;僅在有人在附近時才打開的照明;可以監(jiān)測供水服務(wù)是否有泄漏或污染的跡象。

LP-WAN是大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)部署或傳感器網(wǎng)絡(luò)的不錯選擇，其中設(shè)備只需要低功耗，數(shù)據(jù)包相對較小，并且時序不太關(guān)鍵。

LP-WAN提供了一種有效的方法來遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備，如果設(shè)備難以通過其他方式到達(dá)，例如，當(dāng)它們位于偏遠(yuǎn)地區(qū)或危險的地方時。它還適用于連接通常位于地下室或地下的智能電表。

許可或未許可網(wǎng)絡(luò)？

四種領(lǐng)先的無線技術(shù)都使用相似的頻率，并提供廣泛的覆蓋范圍和可擴展性。但是，它們具有不同的技術(shù)和商業(yè)特征。

NB-IoT使用非常窄的信道頻率帶寬并提供更長的范圍，而LTE-M適用于傳輸距離較短的移動設(shè)備。LTE-M具有比NB-IoT更高的數(shù)據(jù)速率和更低的延遲，并支持非靜止和在基站之間移動的設(shè)備。NB-IoT和LTE-M都需要蜂窩覆蓋，而農(nóng)村地區(qū)可能并不總是可用。

此外，NB-IoT和LTE-M使用獲得許可的蜂窩頻率（使用它們需要付費），但它們受到干擾的影響較小，服務(wù)質(zhì)量更高。蜂窩頻段提供更高的速度和可靠性，這使得NB-IoT和LTE-M適用于關(guān)鍵任務(wù)工作，例如一旦檢測到泄漏就關(guān)閉燃?xì)忾y。它們通常最適合可能需要QOS的計量應(yīng)用。

對于數(shù)據(jù)要求較小的應(yīng)用程序，SigFox和LoRa可能更適合。SigFox和LoRaWAN不受監(jiān)管，但在這些網(wǎng)絡(luò)上，沒有什么可以防止干擾的。

SigFox 和 LoRa 都在未經(jīng)許可的頻段中運行，可以以較低的功耗覆蓋很遠(yuǎn)的距離，但數(shù)據(jù)速度較慢，消息發(fā)送頻率受到限制。此外，數(shù)據(jù)有效負(fù)載通常一次小于 100 字節(jié)。解決方案提供商還可以選擇使用 SigFox 或 LoRa 構(gòu)建自己的專用網(wǎng)絡(luò)并安裝自己的網(wǎng)關(guān)。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常設(shè)計為無需更換電池即可原位運行 8-10 年，LP-WAN 網(wǎng)絡(luò)效率很高，因為網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備大部分時間都處于睡眠狀態(tài)，只有在發(fā)送消息時才喚醒。因此，設(shè)備設(shè)計人員應(yīng)保持簡短的數(shù)據(jù)消息，以延長電池壽命。

為 LP-WAN 設(shè)計無線設(shè)備

無線設(shè)備的好壞取決于它的天線。如果天線斷開連接，或者其輻射效率以某種方式受到影響，則產(chǎn)品將停止按設(shè)計運行。天線是設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)之間的接口，天線的效率和增益是決定信號可以傳播多遠(yuǎn)的兩個關(guān)鍵因素。這意味著在設(shè)備中正確放置更高效、性能更高的天線將使設(shè)備在現(xiàn)實世界中在其網(wǎng)絡(luò)上表現(xiàn)得更好。

天線可以在自由空間中完美工作，但在現(xiàn)實環(huán)境中的行為有所不同。無線電波會遭受折射、偏振、衍射和吸收。特別是，設(shè)備的金屬部件和外殼會引起反射，人體的某些部分會引起吸收。這可能導(dǎo)致天線失諧并耗盡電池電量，因為它必須增加無線電的發(fā)射功率以補償較低的天線性能。對于 LoRa 或 Sigfox， 發(fā)射器無法調(diào)整功率水平， 因此范圍縮短了。

如果一個設(shè)備內(nèi)有多個天線，通常會產(chǎn)生耦合效應(yīng)，可以吸收無線電的發(fā)射功率。確定正確的射頻性能的唯一方法是小心放置每個天線以確保預(yù)期性能，并在消聲室中測試設(shè)計 - 首先將天線放在自由空間中，然后引入用例場景以確保設(shè)備按預(yù)期運行。

重要的是將天線放置在設(shè)計中，以便它能夠以最有效的方式進(jìn)行輻射，而不會迫使發(fā)射器以最大功率運行，從而耗盡電池壽命。這就是為什么天線專家建議設(shè)計人員在設(shè)計過程的早期解決天線的集成問題。

審核編輯：郭婷