介绍

在本文中，我们强调并比较了图1所示的新兴专用物联网技术，并且在文章的最后的表1中总结了这些专有LPWA技术的特性。其中一些技术正在由不同SDO和SIG提出的标准进行标准化。我们后面的文章将会简要描述这些标准及其与下面讨论的专有技术之间的联系。

图1、新兴的专有LPWA技术

A. SIGFOX（http://www.sigfox.com/）

SIGFOX

本身或与其他网络运营商合作，提供基于其专利技术的端到端LPWA连接解决方案。 SIGFOX网络运营商（SNOs： SIGFOX Network Operators ）部署配备有认知软件定义无线电功能的专有基站，并使用其基于IP的网络将其连接到后端服电信大流量卡务器。终端设备使用超窄（100Hz）SUB-GHZ（低于1GHz） ISM频带载波中的二进制相移键控（BPSK）调制连接到这些基站。通过使用UNB，SIGFOX有效地利用带宽，并且经历非常低的噪声水平，导致实现高的接收灵敏度，超低功耗以及便宜的天线设计。所有这些优势都是最大吞吐量只有100bps速率的先决条件。SIGFOX实现的数据速率明显落于大多数其他LPWA技术提供的吞吐量的较低端，从而限制了SIGFOX的用例数。此外，SIGFOX最初只支持上行链路通信，尽管具有重要的链路不对称性但它后来演变成双向技术。下行链路通信只能在上行链路通信之前发生，在此之后终端设备应该等待收听来自基站的响应。上电信大流量卡行消息的数量和大小每天限制为140个12字节的消息，以符合关于使用无许可证频谱的区域规则（参见：

http://www.plumconsulting.co.uk/pdfs/Plum_July_2015_Future_use_of_Licence_Exempt_Radio_Spectrum.pdf）。无线电接入链路是不对称的，允许从基站到终端设备在下行链路上每天最多传输最多只有4个8字节。这意味着不支持确认每个上行链路消息。

图2、 SIGFOX的专利分布

没有对确认的适当支持，只能通过使用时间和频率分集以及冗余传输来提高上行链路通信的可靠性。来自终端设备的单个消息可以在不同频率信道上多次发送。为此，电信大流量卡在欧洲，868.180-868.220MHz之间的频段被分为400个100Hz信道（参见：

http://www.libelium.com/downloads/documentation/sigfox_networking_guide.pdf），其中40个信道被保留并不被使用。由于基站可以扫描所有信道来对消息进行解码，所以终端设备可以自主地选择随机信道来发送其消息。这简化了终端设备的设计。此外，单个消息被多次发送（默认为3次），以增加基站成功接收消息的概率。

图2、Unlicensed 频段的频谱应用情况

图3、SIGFOX的专用物联网组网图示

B.LORa

LORa是一种通过Semtech公司开发和商电信大流量卡业化的专有扩频技术（参见专利：http://www.freepatentsonline.com/8406275.html），其采用调制SUB-GHZ ISM频段信号上的物理层技术（参见Semtech公司的网站：http://www.semtech.com/wireless-rf/internet-of-things/）。通过特殊的啁啾扩频（CSS：chirp spread spectrum）技术提供双向通信，其在较宽的信道带宽上扩展窄带输入信号。所产生的信号具有类似噪声的特性，使其难以检测或者堵塞。处理增益可以抵御干扰和噪声的影响。

图4、LORa的网络接口

发射机使啁啾信号随时间变化，而不改变相电信大流量卡邻符号之间的相位。只要这种频率变化足够慢，以便每个啁啾符号中放置更高的能量，从而使得远距离的接收机可以将低于本底噪声几dB的严重衰减信号进行成功解码。 LORa支持多个扩展因子（7-12之间），扩频因子的选择取决于覆盖范围和数据速率之间的权衡。较高的扩频因子是以较低的数据速率为代价来提供长的覆盖距离，反之亦然。 LORa还将前向纠错（FEC： Forward Error Correction）与扩频技术相结合，以进一步提高接收机灵敏度。数据速率范围从300bps到37.5kbps，取决于扩频因子和信道带宽。此外，可以由LORa基站同时接收使用不同扩频因子的多个传输。实质上，多个扩频因子是在时间电信大流量卡和频率之后提供的第三个维度的多样性。

图5、LORAWAN的协议架构

一些研究评估了LORAWAN在现实环境中，包括室外甚至室内设置的性能。 文献“An Evaluation Of Low Power Wide Area Network Technologies For The Internet Of Things”（参见：

https://www.researchgate.net/publication/308163262_An_Evaluation_Of_Low_Power_Wide_Area_Network_Technologies_For_The_Internet_Of_Things）的工作电信大流量卡通过在爱尔兰的测试部署进行的实验来评估LORa和SIGFOX的性能。结果表明，一个部署在海拔470米开度的LORA基站可以在测试设置中测试到的覆盖面积为1380平方公里，SIGFOX技术能够在使用14 dBm的客户端与基站之间提供25 km的测试链路，并且在执行的测试中测量的信噪比一直稳定超过20 dB。 而在文献“On the Coverage of LPWANs: Range Evaluation and Channel Attenuation Model for LoRa Technology”（参见：

https://www.researchgate.net/publication/28电信大流量卡7210281_On_the_Coverage_of_LPWANs_Range_Evaluation_and_Channel_Attenuation_Model_for_LoRa_Technology）的另一项研究在芬兰的奥卢分别观察了LORAWAN在地面和水面上能分别实现15公里和30公里的通信范围。此外，在进行的另一项研究中（“Evaluation of LoRa LPWAN technology for remote health and wellbeing monitoring”，参见网址：

https://www.researchgate.net/publication/3045634电信大流量卡97_Evaluation_of_LoRa_LPWAN_technology_for_remote_health_and_wellbeing_monitoring），使用最高扩频因子（12）将终端设备以14 dBm发射到位于420 m半径范围内的基站。基站的数据包投递率(Packet Delivery Ratio,PDR)记录为96.7％（注：数据包投递率(Packet Delivery Ratio，PDR)：PDR为源节点应用层发送的数据(包)(Ps)与目标节点接收到的数据(包)(Pr)的比值关系，即正确传输数据包的统计度量。其能体现MANET的两个主要特性：(1)网络可靠性；(2)网络拥塞电信大流量卡/通信状况。）。

终端设备发送的消息不是单一的，而是向在该范围内所有的基站发送，从而产生“star-of-stars（星形连星形）”的网络拓扑图。通过以这种方式利用接收多样性，LORa提高了成功接收的消息的比例。然而，实现这一点需要邻近的多个基站，而这一点可能会导致增加CAPEX和OPEX。所产生的重复接收在后端系统中被过滤掉。此外，LORa可以利用在不同基站处接收到的这些多个接收的相同消息来对发送终端设备进行定位。为此，LORa使用由多个基站之间非常准确的时间同步支持的基于信号到达时间差（TDOA）的定位技术。

图6、 LORa的star-of-stars（星形连星形）架构

几个商业和工业合作伙伴电信大流量卡组成的被称为LORa™联盟（LORa™ Alliance）的特别兴趣小组提出了LORAWAN协议，这是一个开放的标准定义架构，并且位于LORa物理层之上（参见：http://www.lora-alliance.org/）。我们后面会简要介绍以下LO-RAWAN协议。

图7、LORa™联盟的成员分布

C. INGENU RPMA

INGENU（以前称为On-Ramp Wireless，参见网址：https://www.ingenu.com/）提出了专有的LPWA技术，与大多数其他利用SUB-GHZ频段的传播性能更好的技术不同，相反，INGENU工作在2.4 GHz ISM频段上，并对不同地区的频谱使用电信大流量卡采取了更为宽松的规定。举个例子，美国和欧洲的规定不会对2.4 GHz频带的占空比施加最大的限制，从而能够实现比其他在SUB-GHZ频段工作的技术更高的吞吐量和更大的容量。

图8、On-Ramp Wireless的美国专利

最重要的是，INGENU使用自有专利的物理层访问解决方案，称为随机相位多路访问（RPMA：Random Phase Multiple Access ）直接序列扩频（参见专利文献：

http://www.freepatentsonline.com/8477830.html），它仅用于上行链路通信。作为码分多址（CDMA）本身的变体， RPMA

可以使多个发射机共享单个时隙。然而，RPMA电信大流量卡首先增加了传统CDMA的时隙持续时间，然后通过为每个发射机添加随机偏移延迟（ random offset delay）来发散该时隙内的信道接入。通过不保证准确地访问发射机的接入信道（即在时隙的开始处）（参见图7），RPMA减少发射信号之间的重叠，从而增加每个单独链路的信号与干扰比（参见PAMA的技术白皮书：

http://theinternetofthings.report/Resources/Whitepapers/4cbc5e5e-6ef8-4455-b8cd-f6e3888624cb_RPMA%20Technology.pdf）。在接收侧，基站采用多个解调器来解码在时隙内不同时间到达的信号电信大流量卡。 INGENU提供双向通信，尽管存在轻微的链路不对称。对于下行链路通信，基站扩展各个终端设备的信号，然后使用CDMA来广播它们。

图9、RPMA的时隙架构

据报道，RPMA实现高达-142 dBm的接收灵敏度和168 dB的链路预算增益（参见PAMA的技术白皮书：

http://theinternetofthings.report/Resources/Whitepapers/4cbc5e5e-6ef8-4455-b8cd-f6e3888624cb_RPMA%20Technology.pdf）。此外，终端设备可以调整其发射功率以达到最接近的基站并限制对附近设备的干扰。

INGENU致力于根据IEEE 电信大流量卡802.15.4k标准对物理层规范进行标准化。 RPMA技术符合IEEE 802.15.4k规范。

D、TELENSA

TELENSA （参见网址：http://www.telensa.com/）为LPWA应用提供了端到端解决方案，其中包括完整设计的垂直网络堆栈，并且支持与第三方软件集成。

为了在其终端设备和基站之间进行无线连接，TELENSA设计了一种专有的UNB调制技术（参见专利文献：

http://www.freepatentsonline.com/EP2092682B1.html 或者：

http://www.freepatentsonline.com/EP2092682A2.html），它以低电信大流量卡数据速率运行在无许可证的SUB-GHZ ISM频段。虽然对于TELENSA 的无线技术的实施方案知之甚少，但TELENSA旨在使用ETSI低通吞吐网络（LTN：Low Through-put Networks ）规范（参见网址：

http://www.etsi.org/technologies-clusters/technologies/low-throughput-networks）对其技术进行标准化，以便在应用中能够轻松集成。

图10、ETSI的LTN架构

TELENSA目前专注于智能照明，智能停车场等几个智能城市应用。为了加强其在智能照明业务中的LPWA产品，TE-LENSA参与了TALQ联盟电信大流量卡

（TALQ consortium，参见网址：

http://www.talq-consortium.org/）定义监控和控制户外照明系统的标准。

E、QOWISIO

QOWISIO（参见网址：https://www.qowisio.com/）部署双模式LPWA网络，将自己的专有UNB技术与LORa相结合。它为最终用户提供LPWA连接作为服务：它提供终端设备，部署网络基础设施，开发自定义应用程序，并在后端云端托管它们。然而，我们对于其基础的UNB技术和其他系统组件的技术规范却了解得很少。

总结

作为总结，表1中总结了这些专有LPWA技术的特性和规格：

表1、各种LPWA技术的技术规格（？=未知）

（完）