我們都知道低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN) 的一個有趣特性是其超低功耗。大多數(shù)低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)聲稱它們可以維持 10 年以上的電池壽命——這使它們成為電池供電物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的首選連接類型。

但是，低功耗廣域網(wǎng)是如何實現(xiàn)如此長的電池壽命的呢?在本文，我們將介紹 3 種主要方法。

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睡眠模式

低功耗廣域網(wǎng)終端節(jié)點被編程為僅在需要傳輸消息時才處于活動狀態(tài)。在這段時間之外，收發(fā)器關(guān)閉并進入深度睡眠模式，從而消耗極少的電量。假設(shè)一個節(jié)點一天只需要發(fā)送很少的消息(上行鏈路)，那么電量消耗非常低。

在雙向通信中，終端節(jié)點必須處于喚醒狀態(tài)，以監(jiān)聽從基站發(fā)送的下行鏈路消息。然后可以設(shè)置偵聽時間表，以便節(jié)點僅在預(yù)定義的時間醒來以接收下行鏈路消息。或者，可以協(xié)調(diào)節(jié)點和基站，以便在上行鏈路到達后不久發(fā)送下行鏈路消息。這有助于減少節(jié)點需要“開啟”以接收數(shù)據(jù)的時間。

異步通信

大多數(shù)在未授權(quán)頻譜中運行的低功耗廣域網(wǎng)使用輕量級媒體訪問控制 (MAC) 協(xié)議進行異步通信。比如常用的ALOHA隨機接入?yún)f(xié)議。在ALOHA系統(tǒng)中，節(jié)點隨時訪問信道并發(fā)送消息，而無需向基站發(fā)信號請求許可，也無需感知其他節(jié)點的當前傳輸以進行協(xié)調(diào)。

這種隨機接入?yún)f(xié)議的主要優(yōu)點是不需要復(fù)雜的控制開銷。這大大降低了功耗并簡化了收發(fā)器設(shè)計。不利的一面是，異步通信可能會極大地阻礙可擴展性。這是因為節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸不協(xié)調(diào)，增加了數(shù)據(jù)包沖突和數(shù)據(jù)丟失的機會。

星型拓撲

由于物理距離長，低功耗廣域網(wǎng)可以部署在星型拓撲中，同時仍然有效地覆蓋地理上的廣闊區(qū)域。如前一篇文中所述，單跳星形拓撲比短距離無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀拓撲節(jié)省了多個數(shù)量級能耗。

不同低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)的電池壽命是否相同?

答案肯定是否定的。事實上，不僅在不同的低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)之間，即使在同一技術(shù)的不同部署模式之間，功耗和由此產(chǎn)生的電池壽命也會有很大差異。下面我們來看兩個主要因素。

首先，“廣播”無線電時間——傳輸過程中功耗的主要指標——在不同的低功耗廣域網(wǎng)系統(tǒng)之間存在很大差異。需要明確的是，傳輸是終端節(jié)點最耗能的活動。廣播時間是消息從節(jié)點傳播到基站的總時間。在其他條件相同的情況下，廣播時間越短，功耗越低。如果同一消息發(fā)送 3 次以實現(xiàn)冗余，則其總廣播時間和功耗將增加三倍。

其次，并非所有低功耗廣域網(wǎng)都采用上述所有 3 種方法的組合。例如，為了提高服務(wù)質(zhì)量，蜂窩低功耗廣域網(wǎng)采用同步協(xié)議，由此終端節(jié)點必須向基站發(fā)信號請求允許發(fā)送消息(即握手)。除了由于過多的開銷而施加更高的能耗要求之外，這個過程還使得每次傳輸?shù)墓暮涂傠姵貕勖豢深A(yù)測，這是因為很難預(yù)測在允許發(fā)送消息之前需要執(zhí)行多少次握手。

經(jīng)ETSI認可，電報分割引入了一種獨特的傳輸方法，可在解決服務(wù)質(zhì)量和功耗之間權(quán)衡的同時，最大限度地減少廣播時間。

最后，對于電池壽命而言，10年甚至20年實際上是一個非常長的時間，但要實現(xiàn)這一點，需要充分考慮多種因素。除了消息頻率和所用電池類型(最好是自放電率低的電池)等一般條件外，歸根結(jié)底，選擇正確的低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)確實很重要。