物聯網（IoT）承諾會改變我們的生活和工作方式。這可以幫助我們克服人口爆炸，能源危機，資源枯竭和環境污染等全球面臨的挑戰。為了實現這一愿景，事物（Things）需要感知他們的環境，在人與人之間分享這些信息，使智能決策能夠對整個生態系統產生積極的影響。由于這一承諾，使得業界對物聯網的興趣正在驚人的增加。多項獨立研究預測，未來十年，物聯網和機對機（M2M：Machine-to-Machine）行業的數量和收入將大幅增長。到2020年，連接的M2M設備和消費電子產品的數量將超過使用手機，個人電腦，筆記本電腦和平板電腦的人員數量（參見圖1）。展望未來，到2024年，整個物聯網產業預計將在不同行業（如設備制造，連接和其他增值服務）產生4.3萬億美元的收入。傳統和致動技術的最新改進以及新型通信技術的出現都是推動物聯網發展的積極因素。

圖1、連接設備的增長

低功率廣域（LPWA：Low Power Wide Area）網絡

低功率廣域（LPWA：Low Power Wide Area）網絡代表了一種新穎的通信范例，它將補充傳統的蜂窩和短距離無線技術，以滿足物聯網應用的各種需求。 LPWA技術提供獨一無二的功能，包括低功耗和低數據速率設備的廣域連接，這種連接是與傳統無線技術所提供的連接是不同的。LPWA的市場預計將是巨大的：總共300億IoT / M2M設備中的大約四分之一將使用專有或者蜂窩技術的LPWA網絡連接到互聯網（參見圖2）。

圖2、LPWA技術支持的連接數（單位：10億）

圖3強調了可以利用LPWA技術連接其終端設備的多個業務部門的各種應用。這些業務部門包括但不限于智能城市，個人物聯網應用，智能電網，智能計量，物流，工業監控，農業等。

圖3、LPWA能夠支持的各種應用

LPWA網絡是獨一無二的，因為它們與物聯網領域普遍存在的傳統技術（如短距離無線網絡，例如Zig-Bee，藍牙，Z-Wave，傳統無線局域網（WLAN）例如Wi-Fi，以及蜂窩網絡例如全球移動通信系統（GSM），長期演進（LTE）技術等是有所不同的。傳統的非蜂窩無線技術不是連接分布在大地理區域的低功率設備的理想選擇。這些技術的范圍最多限于幾百米。因此，這些設備不能隨意部署或移動到智能城市，物流和個人健康保健的許多應用都是需要的任何地方中。這些技術的覆蓋是范圍通過使用多跳網狀網絡連接的設備和密集部署的網關進行擴展的。因此，大量部署的成本昂貴。另一方面，舊式WLAN的特點是機器類型通信（MTC：machine-type communication）的覆蓋區域更短，功耗更高。

廣域覆蓋可以由蜂窩網絡來提供，這也是廣泛采用第二代（2G）和第三代（3G）移動蜂窩技術進行M2M通信的原因。然而，一些移動網絡運營商（MNOs：mobile network operators）宣布的這些技術即將退役（參見圖4），此舉將擴大連接低功耗設備的技術差距。一般來說，傳統蜂窩技術的能源效率不足以提供十年的電池壽命。蜂窩設備的設計復雜，并且成本高昂，因為它們需要能夠處理復雜的波形，針對語音，高速數據服務和文本通信需求進行優化。對于低功率的MTC（machine-type communication），顯然需要剝離復雜性以降低成本。3GPP正在朝著讓蜂窩網絡滿足這些技術需求的方向努力，我們將在后續的文章中對此進行闡述。

圖4、3G移動活躍連接的份額，按地區，2014和2019年

LPWA技術具有數十到幾十公里的驚人覆蓋距離，電池壽命十年以上，對于實現低功耗，低成本和低吞吐量的互聯網而言是有希望的技術（參見下面的圖5）。一系列LPWA技術使設備能夠在大的地理區域上傳播和移動。通過LPWA技術連接的IoT和M2M設備可以隨時隨地在其環境中立即進行感測和交互。值得澄清的是，LPWA技術以低數據速率（速率通常為幾十千比特每秒的量級）和更高的延遲（通常以秒或分鐘的等級）為代價來實現遠距離和低功耗操作的。因此，顯而易見的是，LPWA技術并不意味著它能夠解決每一個物聯網（IoT）的應用場景，而是適應物聯網（IoT）景觀中的一些細分領域。具體來說，LPWA技術被認為是能夠容忍延遲，不需要高數據速率，通常需要低功耗和低成本的應用場景，后者是一個越來越重要的課題。與需要超低延遲和超高可靠性的Critical MTC 應用相比，這種MTC的應用被分類為大規模MTC （Massive IoT）（參見圖6和圖7）。后者絕對不屬于LPWA技術的應用范圍，因為低成本和低功耗解決方案無法保證其嚴格的性能要求，如高達五個9（99.999％）的可靠性要求以及高達1-10 ms的延遲性能要求。雖然LPWA技術因此不適用于許多工業IoT，車輛到車輛（V2V）和車輛到基礎設施（V2I）應用要求，但它們仍然滿足智能城市應用的諸多應用，如智能化計量，家庭自動化，可穿戴電子，物流，環境監測等需要交換數據量少，交換的頻率也不高的應用。因此，LPWA技術的吸引力雖然受到低數據速率的限制，但仍然有很廣泛的應用。這就是為什么LPWA技術在諸如SIGFOX （參見：http://www.sigfox.com/）和LORa （參見：https://www.lora-alliance.org/portals/0/specs/LoRaWAN%20Specification%201R0.pdf）等專有技術打入市場之后產生了如此巨大的興趣的原因。

圖5、以基站位置為中心的芬蘭Oulu不同地點的接收信號強度

圖5、以基站位置為中心（PTX = 14 dBm，GRX = 2 dBi）的芬蘭Oulu不同地點的接收信號強度，R = 293bps，hTX = 2m，hRX = 24m）。

圖6、IoT的應用分類

圖7、MTC的通信類型分類

在這個時刻，有幾個競爭的LPWA技術，每個都采用各種技術來實現長距離，低功耗操作和高可擴展性。下面我們將介紹這些設計目標，并描述了不同的新技術的組合如何實現這些設計目標的。

LPWA的設計目標和技術

LPWA技術的成功在于他們能夠以前所未有的低成本向大面積的地理區域中分布的大量設備提供低功耗連接。下面將介紹用于實現這些經常沖突的目標的LPWA技術，與實現更高數據速率，更低延遲和更高可靠性的其他技術相比，LPWA技術的關鍵目標是實現低功耗和低成本的長覆蓋距離。

A、長的覆蓋距離

LPWA技術被設計用于廣泛的覆蓋范圍和優良的信號傳播特性以到到其它技術難以到達的室內場所，如地下室。針對這一目標，其鏈路預算增益通常超過傳統蜂窩系統的+20 dB。這允許終端設備根據其部署環境（農村，城市等），距離其連接的基站有幾公里到幾十公里的距離。利用低于1GHz頻率的頻帶和特殊調制方案可以實現這一目標。

1）使用Sub-1GHz即低于1GHz的頻段：除了幾個LPWA技術（例如，WEIGHTLESS-W））之外，大多數使用Sub-GHz頻段即低于1GHz的頻段，在低頻下可以在低功率預算的情況下提供健壯的和可靠的通信鏈路；因為首先，與2.4GHz的頻帶相比，較低頻率的信號經歷較少的衰減以及由障礙物和致密表面（如混凝土墻壁）引起的多徑衰落。其次，低于1GHz的頻段比2.4GHz頻段更寬松，這是由大多數流行的無線技術（例如Wi-Fi，無繩電話，藍牙，ZigBee和其他家用電器）使用的是2.4GHz頻帶。由此產生的更高的可靠性使得能夠實現遠距離和低功率通信。然而，INGENU的RPMA技術（RPMA，全稱Random Phase MulTIple Access，官方中文翻譯為“隨機相位多址接入”，它是由美國Ingenu公司開發的低功耗廣域網技術。）是一個例外，該技術仍然使用的2.4 GHz頻帶，因為它可以利用這個頻帶中的無線電占空比方面更寬松的頻譜規則以及多個區域采用最大的傳輸功率。

2）調制技術：LPWA技術旨在實現150±10 dB的鏈路預算，分別在城市和農村地區實現幾公里和幾十公里的覆蓋范圍。物理層在實現高數據速率上需要進行折中，減慢的調制速率可以在每個傳輸的信息bit位中（或符號中）放入更多的能量。由于這個原因，接收機可以正確解碼嚴重衰減的信號。現有技術的LPWA接收機的典型靈敏度達到低至-130dBm。不同的LPWA技術已經采用了兩類不同的調制技術，即窄帶調制技術和擴頻調制技術。

窄帶調制技術通過在低帶寬（通常小于25kHz）下對信號進行編碼來提供高的鏈路預算。通過為每個載波分配非常窄的頻帶，這些調制技術在多個鏈路之間能夠非常有效地共享整個頻譜。單個窄帶信道帶內經歷的噪音水平也很小。因此，不需要通過頻率去擴展的處理增益來對接收機處的信號進行解碼，這導致簡單且便宜的收發信機設計。 NB-IoT和WEIGHTLESS-P是窄帶技術的例子。

一些LPWA技術把每個載波信號擠壓在寬度為100Hz的窄帶（UNB：ultra narrow band）信號中（例如，在SIGFOX中），這將進一步減少經歷的噪聲并增加每單位帶寬支持的終端設備的數量。然而，單個終端設備的有效數據速率也隨之降低了，從而增加無線電接通需要保持的時間量。這種低數據速率與共享底層頻段的頻譜規則相結合可能會限制數據分組包的最大大小和傳輸頻率，從而限制業務應用場景的數量。 SIGFOX，WEIGHTLESS-N和TELENSA （是使用UNB調制的LPWA技術的幾個例子。

擴展頻譜技術是在較寬頻帶上擴展了窄帶信號，但具有相同的功率強度。擴頻技術實際的傳輸是一種類似噪聲的信號，使得它難以被竊聽者檢測到，因此更能抵御干擾，并且能夠強大地對干擾進行攻擊。然而，在接收機側需要更多的處理增益來解碼通常埋在底噪（ noise floor）之下接收的信號。在寬帶上傳播窄帶信號導致頻譜效率較低。但是，這個問題通常通過使用多個正交序列來克服。只要多個終端設備使用不同的信道和/或正交序列，則可以同時解碼，這將導致更高的總體網絡容量?，F有標準使用了擴展頻譜技術的不同變體，例如LORa和RPMA分別使用的啁啾擴頻（CSS：Chirp Spread Spectrum）和直序擴頻（DSSS：Direct Sequence Spread Spectrum ）。

B.超低功耗操作

超低低功率運行是利用由電池供電的IoT / M2M設備提供的巨大商機的關鍵要求。期望使用AA或紐扣電池的電池壽命到達10年或者10年以上，以降低維護成本。

1）拓撲結構：網狀拓撲已被廣泛用于擴展短距離無線網絡的覆蓋范圍，它們的高部署成本是連接大面積地理位置中的大量分布式的設備的主要缺點。此外，隨著業務在向網關轉發的多個跳躍上，一些節點由于其在網絡中的位置或者網絡流量模式而導致比其他節點具有更多的擁塞概率。因此，它們很快耗盡電池，將網絡使用壽命限制在僅有幾個月到幾年。

另一方面，一系列LPWA技術通過將終端設備直接連接到基站來克服這些限制，從而避免了對密集部署的昂貴的中繼器和網關的需要。這樣所得到的拓撲結構是一種廣泛應用于蜂窩網絡的星形架構，具有巨大的節能優勢。與網狀拓撲架構相反，星形架構中的設備不需要浪費寶貴的能量來偵聽需要通過它們來傳輸流量的其它設備。始終在線的基站能夠在終端設備需要時提供方便快捷的接入。除了星形架構之外，一些LPWA技術支持樹形和網格拓撲架構，但是這些架構在協議設計中需要增加額外的復雜性。

2）占空比周期：低功耗操作是通過機會地關閉M2M / IoT設備中的耗電組件（例如數據收發信機）來實現的。無線電信號周期循環允許LPWA終端設備在不需要時關閉其收發信機。只有當要發送或者接收數據時，收發信機才會打開。

系統可以基于應用，電源類型以及業務模式等因素來對LPWA占空比機制進行調整。如果某個應用僅需要通過上行鏈路傳輸數據，則僅當數據準備好傳輸時才能喚醒終端設備。相反，如果需要下行鏈路傳輸時，則終端設備確保在基站實際發送時才偵聽。終端設備通過同意偵聽計劃來實現這一點。例如，終端設備可以在其上行鏈路傳輸之后進行短時間監聽以接收回復?；蛘?，它們可以在與基站同意的預定時間中喚醒。對于下行鏈路通信需要超低延遲的主電源供電的終端設備，無線電收發信機可以始終保持在開啟模式。不同的LPWA標準，如LORAWAN [10]根據上行鏈路或下行鏈路的通信需求定義了多種類型的終端設備。

在LPWA技術的領域，數據收發信機的占空比周期循環不僅是節電機制，而且也是監管立法的要求。共享頻譜的區域規則可能會限制單個發射機的占用時間，以確保其與共享相同信道的其他設備之間共存。

如許多低功耗嵌入式網絡的背景下，占空比周期循環也可以擴展到收發信機之外的其他硬件組件中。模塊化硬件設計可以提供選擇不同操作模式的能力，具有打開或者關閉各個硬件組件（如輔助組件和存儲和微控制器）。通過利用這些電源管理技術，LPWA應用開發人員可以進一步降低功耗并增加電池壽命。

3）輕的介質訪問控制（Lightweight Medium Access Control）：用于蜂窩網絡或短距離無線網絡中廣泛使用的媒體接入控制（MAC：Medium Access Control）協議對于LPWA技術來說太復雜了。例如，蜂窩網絡準確地同步基站和用戶設備（UE），從利用頻率和時間分集的復雜MAC方案中受益。這些方案的控制開銷雖然對于強大的蜂窩UE來說是合理的，但對于LPWA終端設備來說具有實質性的影響。換句話說，這些MAC協議的控制可能比這些的短期和不經常使用的機器類型通信的LPWA設備更加昂貴。此外，這些方案所需的非常緊密的同步難以通過具有低質量廉價振蕩器的超低成本（$ 1- $ 5）LPWA終端設備來實現。訪問頻譜時，這些設備在時域和頻域都會出現漂移，從而使獨占訪問共享介質成為這些競爭設備的主要挑戰。由于這個原因，簡單的隨機接入方案（random access schemes ）對于LPWA技術來說更為合適也更加流行。

具有沖突避免的載波偵聽多址訪問（CSMA / CA：Carrier sense multiple access with collision avoidance）是成功部署在WLAN和其他短距離無線網絡中的最流行的MAC協議之一。對于這樣的網絡每個基站的設備數量是有限的，保持克服隱藏的節點問題。然而，隨著這些設備的數量在LPWA網絡中的增長，載波偵聽在可靠地檢測正在進行的傳輸方面變得不那么有效并且變得昂貴起來，并且會對網絡性能產生不利影響。雖然使用請求發送/清除發送（RTS / CTS：Request to Send/ Clear to Send ）的虛擬載波偵聽機制來克服這個問題，但它在上行鏈路和下行鏈路上會引入額外的通信開銷。由于要連接大量的設備，因此LPWA技術通常不能承受這種過度的信令開銷。此外，鏈路不對稱性是當今許多LPWA技術的特性，這也降低了虛擬載波感測的實用性。

由于這些原因，諸如SIGFOX和LORAWAN之類的多個LPWA技術使用ALOHA，即隨機接入MAC協議，其中終端設備在不進行任何載波感測的情況下傳輸。 ALOHA的簡單性被認為是使收發信機的設計簡單且成本低廉。然而，INGENU和NB-IoT也考慮了基于TDMA的MAC協議來更有效地分配無線電資源，盡管犧牲了最終設備的復雜性和成本。

4）從終端設備卸載復雜性：大多數技術人員通過將復雜任務卸載到基站或者后端系統來簡化終端設備的設計。為了使終端設備的收發信機的設計簡單且成本低，基站或者后端系統必須更加復雜。通常，基站利用硬件分集，并且能夠同時使用多個信道或者正交信號發送到和偵聽多終端設備。這允許終端設備可以使用任何可用信道或者正交信號來發送數據，并且仍然能到達基站，而不需要昂貴的信令來發起通信。通過在后端系統中嵌入一些智能，終端設備可以進一步受益于更可靠和節能的最后一公里通信。一個顯著的例子是LORAWAN，其中后端系統自適應通信參數（例如數據速率/調制參數）以維持良好的上行鏈路和下行鏈路連接。此外，后端系統還負責為終端設備提供支持以跨多個基站移動，并抑制重復接收（如果有的話）。在數量較少的基站和后端系統中選擇保持復雜性為許多終端設備實現了低成本和低功耗的設計。

除了通信之外，數據處理也可以從終端設備卸載，但是我們需要先了解其中的一些權衡。鑒于物聯網應用的多樣性，每個應用可能有不同的要求，特別是數據報告頻率?？赡艽嬖谝恍┬枰K端設備經常報告數據（例如每隔幾分鐘一次）的應用。而另一方面，我們可能會有一些應用程序要求終端設備不頻繁地報告數據，例如也許要求每天一次。從能量消費的角度來看，眾所周知的事實是，通信操作比處理操作要消耗更多的能量。因此，一個經常需要面對的關鍵問題是按原樣報告所有的數據，還是先執行一些本地處理后再報告處理后的結果（減少通信需求）。前一種方法在終端設備上不需要任何顯著的處理能力，這意味著可以實現低成本設備。然而，在后一種情況下，取決于所需處理的復雜性，終端設備的成本可能會上升，盡管降低了傳輸數據所需的能量消耗。兩者之間的選擇確實是由底層商業應用場景所驅動的。雖然總是期望具有低成本的終端設備，特別是考慮到設備的數量比較大的時候，但是如果通信成本很大，則可能有一些本地處理是有益的。類似地，如果通信成本不依賴于數據量（由于統一的價格定價），則具有更簡單的終端設備可能是有益的。還需要估計與具有和不具有精密處理要求的操作相關的終端設備的成本。換句話說，如果終端設備經常被更換，由于頻繁的通信導致的電池耗盡，如果首先部署稍微更昂貴的終端設備，而不會由于經常通信導致耗盡其電池，則成本將如何疊加。從網絡運營商的角度來看，可能希望通過節點上的本地處理來減少其網絡上的業務量，因為這可能降低出現性能問題的可能性。然而，如果運營商的商業模式依賴于不是基于數據量的定價那么這可能是不希望的。

處理數據更接近終端設備（最近被稱為邊緣計算（edge computing））的模式似乎越來越受歡迎，這一點可以從OpenFog 和移動邊緣計算等計劃的興起中可以看出來。話雖如此，對于是傳輸原始數據還是傳輸本地處理后的結果的問題還沒有簡單的一刀切的非此即彼的解答。如前所述，這真的歸結為對于那些想要部署這樣的解決方案的應用程序的要求和對投資回報率（ROI：return on investment）的分析。

C.低成本

LPWA網絡的商業成功與連接的大量的終端設備有關，需要同時保持硬件成本低于5美元，每單位的連接費用低至1美元。這種負擔能力使得LPWA技術不僅可以解決廣泛的應用問題，而且還可以在短距離無線技術和蜂窩網絡已經建立的領域中處于有利的競爭位置。 LPWA技術采用多種方法來減少最終用戶和網絡運營商的資本支出（CAPEX）和運營費用（OPEX）。終端設備的低成本設計可以通過幾種技術來實現，其中一些技術已經在上面已經討論過。例如使用星型（而不是網狀）的連接，簡單的MAC協議以及從終端設備中卸載復雜性的技術使制造商能夠設計出簡單且成本低廉的終端設備。另外一些技術，機制和方法的討論如下：

1）降低硬件復雜性：與蜂窩和短距離無線技術相比，LPWA收發信機需要處理較不復雜的波形。它能夠減少收發信機占用的空間，峰值數據速率和內存大小，從而最大程度降低硬件復雜性，從而降低成本。 LPWA芯片制造商瞄準大量連接終端設備，并且還可以降低成本同時實現規模經濟。

2）最小化的基礎設施：傳統的無線和有線技術的覆蓋范圍有限，需要密集部署，因此基礎設施（網關，電源線，中繼節點等）的部署成本昂貴。然而，單個LPWA基站連接數萬個分布在幾公里的終端設備，大大降低了網絡運營商的成本。

3）使用無許可證或者自己擁有許可證的頻段：網絡運營商為LPWA技術申請新許可頻譜的成本與低成本部署，縮短上市時間以及向用戶提供有競爭力的訂閱消費相沖突。因此，大多數LPWA技術被認為是要在許可證豁免的頻段中的部署，包括工業，科學和醫療（ISM： Industrial, Scientific and Medical ）頻段或者電視白頻譜（TV-white spaces）中部署。 NB-IoT這個來自3GPP的LPWA標準可以共享MNOs（移動運營商）擁有的蜂窩頻段，以避免額外的頻譜許可成本。然而，為了獲得更好的性能，也可以獲得獨立的許可頻帶，一種趨勢專有的LPWA技術可能最終會遵循相關的規范，以避免由于使用共享頻譜的連接設備數量的增加而導致性能下降。

D.可擴展性

支持大量發送低流量的設備是LPWA技術的關鍵要求之一。這些技術應該隨著連接設備的數量和密度的增加而正常工作?？梢钥紤]以下幾種技術來應對這種可擴展性問題。

1）多樣性技術：為了適應盡可能多的連接設備，有效地利用信道，時間，空間和硬件的多樣性至關重要。由于終端設備的低功耗和便宜性，其中大部分是通過與LPWA網絡（如基站和后端系統）中更強大的組件的合作來實現的。 LPWA技術采用多信道和多天線通信來并行傳輸到和連接到設備。此外，通過使用多個信道并進行冗余傳輸，使通信對于干擾更具有抵抗力。

2）致密化：為了應對某些領域終端設備的密度增加，像傳統蜂窩網絡這樣的LPWA網絡將采用密集的基站部署。然而，問題是這樣做要確保不會造成終端設備和密集部署的基站之間有太多的干擾。 LPWA網絡的新型密集部署方法需要進一步研究，因為現有的蜂窩技術依賴于小區內和小區之間協調良好的無線電資源管理，但對于大多數LPWA技術來說這種假設是不正確的。

3）自適應信道選擇和數據速率：不僅LPWA系統應該隨著連接設備的數量增加而擴展，而且還應該優化單個鏈路以實現可靠和高能效的通信。自適應調制方案，選擇更好的信道達到距離可靠，或進行自適應傳輸功率控制需要有效監控鏈路的質量以及進行終端設備與網絡之間的協調。

自適應信道選擇和調制的可能程度取決于基礎的LPWA技術。不同的因素，例如鏈路不對稱和最大可降低的無線電占空比可能會限制采用非常魯棒的自適應機制的可能性。在基站無法對上行鏈路通信質量給出反饋和/或通知終端設備適應其通信參數的情況下，終端設備采用非常簡單的機制來提高鏈路質量。這種機制包括經常在多個隨機選擇的信道上多次發送相同的分組，這樣希望至少一個副本能夠成功到達基站。這種機制可以提高這種盡力而為的上行鏈路通信的可靠性，同時保持終端設備的復雜性和成本非常低。在某些下行鏈路通信可以實現上行鏈路參數調整的情況下，基站或后端系統在選擇最優參數（如信道或最優數據速率）方面起著至關重要的作用，從而提高可靠性和能量效率。

總之，在網絡可擴展性和低成本終端設備的簡單性之間存在有明顯的折衷。大多數LPWA技術使用低功耗終端設備來以大部分不協調和隨機的方式訪問有限的無線電源，這限制了網絡可以支持的設備數量。越來越多的最近發表的研究揭示了LPWA網絡的可擴展性的實際限制。

E.服務質量

LPWA技術滿足不同需求的多種應用程序。在一個極端情況下，它可以是對延遲能夠容忍的智能電表應用程序，而在另一端應該在最短的時間內產生的警報的提供家庭安全的應用程序。因此，網絡應該在相同的底層LPWA技術上提供某種服務質量（QoS）。對于在LPWA和移動寬帶應用之間共享底層無線電資源的蜂窩標準，應為不同業務類型的共存定義相應的機制。據我們所知，目前的LPWA技術沒有提供任何那怕是有限的QoS。

圖8、巨量IoT的應用