分析人士預測，到 2023 年，低功耗廣域網(wǎng) （LP-WAN） 上的設(shè)備可能會超過 10 億臺。本文解釋了為什么這些網(wǎng)絡(luò)的射頻特性使其非常適合智能建筑應用，例如資產(chǎn)跟蹤和泄漏檢測，以及帶有傳感器的智能停車應用。我們還為設(shè)備設(shè)計提供了一些建議。

什么是 LP-WAN？

LP-WAN 是使用頻率低于 1GHz 的無線網(wǎng)絡(luò)。此類網(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、遠距離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)主導行業(yè)：NB-IoT、LTE-M、LoRa-WAN 和 SigFox。所有這些都提供低比特率的遠程通信，適用于 M2M 流量的小型、間歇性數(shù)據(jù)包。

LoRa 通常使用以下頻率：亞洲為 433 MHz，歐洲為 868 MHz，美國為 915Mhz。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

無線電波長在低頻處較長，在高頻處較短。更高的頻率可以傳輸更多的數(shù)據(jù)，但在更長的距離以及在墻壁和磚石阻礙傳輸?shù)慕ㄖ飪?nèi)，它們的信號損失更大。

無線電波可以穿越不同的大氣條件、大多數(shù)建筑材料和茂密的樹葉。然而，在較長波長的較低頻率下，來自墻壁和建筑物等障礙物的信號的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)速度覆蓋更長的范圍。

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并到達地下，而在更多的農(nóng)村地區(qū)，LP-WAN 信號將傳播更遠的距離，從而有利于智能農(nóng)業(yè)（例如，跟蹤牲畜或監(jiān)測土壤濕度傳感器）。LP-WAN 連接不如寬帶快，但它們以低功率要求和低運營成本提供有用的遠程通信。

為什么 LP-WAN 適用于智能建筑和智能城市

從技術(shù)角度來看，LP-WAN 是低數(shù)據(jù)速率應用的一個有吸引力的選擇。它可以在相當長的范圍內(nèi)運行——2 公里到 15 公里的距離是可行的——而且連接比蜂窩網(wǎng)絡(luò)便宜。數(shù)據(jù)包大小可以從 10 到 1，000 字節(jié)，上行速度可以高達 200 Kbps。這使得 LP-WAN 能夠完美地支持具有小數(shù)據(jù)包的應用程序，同時消耗很少的功率。對于分布在網(wǎng)絡(luò)中的大量電池供電設(shè)備來說，這是一個很大的優(yōu)勢。

這些特性使 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、負載和速度。在智慧城市中，各種應用都是可能的：智能停車應用，在停車位中配備傳感器，幫助市民找到可用空間；僅當有人在附近時才打開的照明；可以監(jiān)測供水服務是否有泄漏或污染跡象。

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程監(jiān)控設(shè)備，如果它們難以通過其他方式到達，例如，當它們位于偏遠地區(qū)或危險地方時。它也適用于連接通常位于地下室或地下的智能電表。

許可或未許可的網(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)特性。

NB-IoT 使用非常窄的信道頻率帶寬并提供更遠的傳輸距離，而 LTE-M 適用于傳輸距離更短的移動設(shè)備。與 NB-IoT 相比，LTE-M 具有更高的數(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，這在農(nóng)村地區(qū)可能并不總是可用。

此外，NB-IoT 和 LTE-M 使用已獲得許可的蜂窩頻率（使用它們需要成本），但它們受到的干擾更少，服務質(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)鍵任務工作，例如一旦檢測到泄漏就關(guān)閉氣閥。它們通常最適合可能需要 QOS 的計量應用。

對于數(shù)據(jù)需求較小的應用，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。

SigFox 和 LoRa 都在未經(jīng)許可的頻段中運行，并且可以以較低的功耗覆蓋很遠的距離，但數(shù)據(jù)速度較慢，并且發(fā)送消息的頻率受到限制。此外，數(shù)據(jù)負載通常一次少于 100 個字節(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)計為在不更換電池的情況下原位運行 8-10 年，而 LP-WAN 網(wǎng)絡(luò)非常高效，因為網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備大部分時間都處于休眠狀態(tài)，只有在發(fā)送消息時才會喚醒。因此，設(shè)備設(shè)計人員應保持數(shù)據(jù)消息簡短，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。如果天線斷開其連接，或者如果其輻射效率以某種方式受到損害，則產(chǎn)品將停止按設(shè)計運行。天線是設(shè)備和網(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的兩個關(guān)鍵因素。這意味著正確放置在設(shè)備內(nèi)的更高效、性能更高的天線將使設(shè)備在現(xiàn)實環(huán)境中的網(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)境中表現(xiàn)不同。無線電波會受到折射、 偏振、 衍射和 吸收的影響。特別是設(shè)備的金屬部件和外殼會引起反射，人體的某些部位會引起吸收。這可能會導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)整功率電平，因此縮短了范圍。

如果一個設(shè)備中有多個天線，通常會產(chǎn)生一種耦合效應，可以吸收無線電的發(fā)射功率。確定正確射頻性能的唯一方法是小心放置每個天線以確保預期性能，并在消聲室中測試設(shè)計——首先將天線置于自由空間，然后引入用例場景以確保設(shè)備將按預期執(zhí)行。

在設(shè)計中放置天線非常重要，這樣它才能以最有效的方式進行輻射，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)計過程中盡早解決天線集成問題。

審核編輯：郭婷