什么是 LPWAN ?

物聯網(Internet of Things，IoT)是指由全球數十億個裝置連接到Internet所組成的一個網絡。常見的物聯網裝置包括穿戴式裝置和智能家居裝置等。這類應用基本上是以犧牲部分隱私為代價，來獲得某些便利。在工業領域，物聯網的優勢極為顯著，不僅可提升生產力、降低成本、減少能源消耗，同時還可讓機器讀取海量數據，并據此執移動作。借助分析所有物聯網裝置所產生的數據，您可增進工作效率，或是為客戶提供更優質的服務。由于您能夠更深入地了解客戶，因此可提供新型態服務并擴大服務范圍。

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不過，當今大多數無線技術仍無法因應物聯網的要求，尤其是在覆蓋范圍或電池使用壽命方面。

為了滿足物聯網要求，您必須在數據速率、功耗和覆蓋范圍之間加以取舍。如欲實現低功耗，則須被迫犧牲數據速率。

ZigBee、BT LE 和 NFC 能以中等數據速率和低功耗，提供短距的覆蓋范圍。

LPWAN 是一項可同時滿足覆蓋范圍和電池使用壽命需求的技術。它能以極小的功耗提供最長距離的覆蓋范圍，而且數據速率僅略微下滑。

很多智慧城市和智能公用事業應用，例如智能路燈、濕度傳感器、智能計量和智能停車等，對數據速率的要求不高，但卻需要非常寬廣的覆蓋范圍。這就是 LPWAN 能夠派上用場的地方。

LPWAN 技術：案例研究

讓我們想想看，如何在無線智能計量應用中，使用 LPWAN 來提高工作效率。

一家公用事業企業負責為一個小城鎮的所有家庭供水。該公司必須派人挨家挨戶抄水表，整個過程全都是靠人工完成，耗費了大量時間在路上往返。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，并將數據發送到云端，如此不但可節省大量的工時，而且還可以有效降低成本，讓公司能專注于其他領域。此外，這家公用事業公司可以更充分掌握客戶的用水模式，并依據相關數據優化供水能力，確保在尖峰時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很小的硬件裝置，即物聯網客戶端或代理裝置。這個硬件可讀取水表數據，并將讀數定期發送到云端。在此情況下，數據速率和延遲并不重要，最關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的位置、地下室或難以到達的地方，無線技術必須支持廣泛的覆蓋區域，并提供深入的室內覆蓋率。水表中的電池預計可連續使用 10 年以上。

此時，這些服務供貨商面臨的挑戰是：

• 將所有安裝于遙遠位置的水表透過無線技術連接到云端
• 確保這些水表中的電池使用壽命長達 10 年以上

為了克服這些挑戰，該公司可以采用 LPWAN 技術。這些技術可大致分為授權許可技術和非授權許可技術，每一項技術都有其優缺點。

LPWAN 技術比較

由于蜂巢式網絡成本很高，用電量也很大，并需使用昂貴的硬件和服務，于是很多網絡供貨商便轉而使用非授權的頻譜(例如 LoRa、SIGFOX 和 Telensa)來開發其無線網絡。這些供貨商主要針對關鍵基礎設施和農業等應用，開發自己的低成本基地臺。他們從小覆蓋范圍開始，逐步將基礎設施的覆蓋范圍擴充到全國或全區，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 等需要授權的 LPWAN 技術，支持對現有蜂巢式基礎設施進行軟件更新，例如升級現有的 LTE 和 GSM 基地臺。借助重復利用現有的 3G 或 4G頻譜，他們可迅速地實現國內和國際的覆蓋與部署。這些技術可為需要依賴寬廣覆蓋范圍的應用提供支持，例如車輛追蹤、寵物追蹤和物流。為因應技術演進的需求，他們持續制訂更強大的標準，以便將服務擴充到其他領域，例如移動通訊、漫游、安保和身份驗證。

授權和非授權 LPWAN 技術有一些共同點：鏈路預算都很高、電池使用壽命很長。兩者主要的差別在于，圍繞這些技術的生態體系不同。

SIGFOX 是一個由多家芯片商組成的生態體系，其產品使用次 GHz 頻譜波段，由 Sigfox 公司負責管理協議和認證。該公司提供非常小的封包(12 字節)和非常低的裝置成本，是最早的 LPWAN 廠商之一。

LoRa 是一項專屬技術，其芯片由 Semtech 提供。LoRaWAN 是以 LoRa 聯盟開發和認證的LoRa 技術為基礎所建立的協議。LoRaWAN 主要是一個媒體訪問控制(MAC)層協議，為應用提供極高的靈活性，但也給開發完整解決方案的工程師帶來了一大挑戰。

窄頻物聯網(NB-IoT)、LTE Cat-M1 和 EC-GPRS 都是蜂巢式物聯網標準，它們采用多家廠商芯片或裝置的多廠商生態體系。和其它蜂巢式格式一樣，其認證由 GCF/PTCRB 管理。您只需將現有的蜂巢式基礎設施所使用的軟件升級，便可支持這些新技術。雖然它們比非授權的技術晚幾年問世，但發布之后便廣為國內和國際企業采用，以支持需要大覆蓋范圍的應用，例如車輛追蹤、物流和資產追蹤。

LTE Cat-M1 根據 3GPP 發布的 LTE 技術修訂而來，是現有技術的簡化版本。它使用更簡單、更便宜的芯片組，并可提供比其他 LPWAN 技術更快的數據速率。LTE Cat-M1 還可借助對現有 LTE 基礎設施進行軟件更新來獲得支持。Cat-M1 最初部署于美國。

NB-IoT 是 3GPP 發布的一項全新技術，可借助對 LTE 或現有 RAN 基礎設施進行軟件更新來獲得支持。相較于其他技術，其優點是裝置成本相對較低、鏈路預算良好。NB-IoT 最初主要部署于亞洲或歐洲。

EC-GPRS 是 GPRS 的改良版本，可借助對現有 GSM 基礎設施進行軟件更新來獲得支持。透過信號中繼或重新傳輸，它可實現比 GPRS 更好的鏈路預算。

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 的頻段內運作。這家垂直整合制造商主要致力于智慧路燈照明業務，并開始進入停車傳感器領域。Telensa 已被廣泛部署于英國、美國和亞洲的路燈照明應用上。Ingenu 以其專有的 RPMA 技術為基礎，并在非授權的 2.4 GHz 頻段運作。Weightless 擁有三種不同的無線設計，并由Weightless Special Interest Group(SIG)進行管理。

LPWAN 的要求和挑戰

LPWAN 技術多種多樣，各不相同，但是為了滿足物聯網應用的要求，它們都有一些共同的特性。

• 可靠性：提供 10 年或更長的運作時間，無需人力介入，可在物聯網服務中斷后自行恢復運作
• 高密度：支持大量連接裝置
• 低成本：模塊單價不到 5 美元
• 出色的電池續航力：壽命長達 10 年以上，通常一天可發送幾則訊息，每則包含數十個字節，以便延長電池續航力
• 覆蓋范圍：可覆蓋難以到達或地處偏遠的區域

對于物聯網裝置供貨商來說，要想滿足這些要求是一大挑戰。

• 可靠性：為確保可靠性，裝置廠商必須在實驗室或生產在線重建不同的實際運作情境，并以高度的可重復性進行測試。他們還需測試一些不利的情境，例如物聯網服務器停機并出現連接故障，確保裝置能夠自行恢復運作，并且不會消耗過多電量。
• 覆蓋范圍：為確保更大覆蓋范圍，制造商需模擬不同的射頻環境，包括遙遠位置、地下室、隱蔽場所、混凝土建筑物及工業環境等，這些環境中的射頻條件差異很大。裝置制造商需執行發射器和接收器特性分析，以了解物聯網裝置在這些不同射頻條件下的效能。
• 更長的電池續航力：為了延長電池續航力，制造商需分析物聯網裝置在運作、閑置、待機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作條件，例如遠程軟件更新、極限覆蓋條件下的重復傳輸，以及裝置無法連接到服務器等條件，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化硬件設計。這些組件的效能必須經過精密的特性分析，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計、制造到相符性測試的整個產品開發周期，以協助客戶大幅降低測試裝置的資本支出。
• 支持廣泛的格式：很多制造商的產品采用不同的 LPWAN 技術，以滿足不同應用和國家的要求。因此，他們需要支持最多 LPWAN 技術的測試解決方案。
• 驗收或認證測試：使用蜂巢式技術的組件，例如 NB-IoT 模塊和 Cat-M1 模塊，必須通過GCF 和 PTCRB 等認證和管理測試。您必須對這些組件執行多種使用案例測試，確保其符合相關標準。