物联网（IoT）中低功率广域（LPWA）技术介绍

许多标准化工作由包括电气和电子工程师协会（IEEE），欧洲电信标准协会（ETSI）和第三代合作伙伴计划（3GPP）以及工业联盟（如WEIGHTLESS-SIG）， LORa?联盟和DASH7联盟等在内的不同的标准化机构进行的。图1提出标准的各种开发组织，文章最后的表1总结了不同标准的技术规格。一些LPWA技术的定性比较可以在相关文献中找到。并且大多数这些标准化努力还涉及本公众号前面讨论的几个专有的LPWA连接提供商。这些SDO和SIG的目标是相当多样化的。从长远来看，希望采用这些标准可能会减少LPWA市场的分散度，并使多种竞争技术能够共存。

图1、各种LPWA的标准化组织

A. IEEE
IEEE正在扩展其802.15.4 （参见：http://standards.ieee.org/findstds/standard/802.15.4-2011.html）和802.11 （参见：http://standards.ieee.org/about/get/802/802.11.html）标准的覆盖范围并降低功耗，并提供相应的物理层和MAC层的新协议规范。IEEE提出了两个LPWA标准作为IEEE 802.15.4低速无线个人区域网络（LR-WPAN）基准标准的修订版，我们将本文中介绍。此外，本文还简要描述了为实现更长覆盖范围对用于无线局域网（WLAN）的IEEE 802.11标准的修改努力。

图2、IEEE的无线标准化组织架构

1）IEEE 802.15.4k：低能量，关键基础设施监控网络：IEEE 802.15.4k任务组（TG4k）提出了一种低能量关键基础设施监控（LECIM：low-energy critical infrastructure monitoring ）应用在ISM频段（SUB- GHZ和2.4 GHz）频段的标准。这是对早期标准在满足LPWA应用所需的覆盖范围以及节点密度不足的事实的回应。 IEEE 802.15.4k修正版通过采用DSSS和FSK两个新的PHY层调制方式来弥补这一差距。可以使用范围从100kHz到1MHz的多个离散的信道带宽。 MAC层的规范也被修改以适应新的物理层。该标准支持常规的无优先级通道访问（PCA）的CSMA / CA，，以及具有PCA的CSMA和ALOHA。使用PCA，设备和基站可以优先考虑其访问介质的流量，从而提供服务质量（quality of service）的概念。像大多数LPWA标准一样，终端设备以星形拓扑结构连接到基站，并能够交换异步和调度消息。

 

图3、IEEE的802.15.4协议架构

基于IEEE 802.15.4k的基于LPWA的空气质量监测部署例子，该例子中部署了一个星形拓扑网络，其中1个接入点和5个节点部署在距离大学校园中心3公里的半径范围内。接入点工作在433 MHz频段的频谱上。使用15 dBm的发射功率，收发信机可以根据数据速率要求支持不同的灵敏度，例如对于分别对应于300 bps，1.2 kbps和50 kbps的数据速率，可以实现-129 dBm，-123 dBm和-110 dBm的接收灵敏度。

INGENU，RPMA LPWA技术提供商（参见：http://theinternetofthings.report/Resources/Whitepapers/4cbc5e5e-6ef8-4455-b8cd-f6e3888624cb_RPMA%20Technology.pdf），是本标准的支持者。 INGENU LPWA技术的PHY和MAC层符合本标准的要求。

2）IEEE 802.15.4g：低数据速率，无线，智能电表电力网络（ Low-Data-Rate, Wireless, Smart Metering Utility Networks）：IEEE 802.15 WPAN任务组4g（TG4g）提出了第一套PHY修改，以扩展IEEE 802.15.4基准标准的短距离组合。 2012年4月发布的标准涉及诸如智能电表计量网络之类的过程控制应用，这些智能计量网络固有地由部署在城市或国家的大量固定终端设备组成。该标准定义了三个PHY层，即FSK，正交频分多址（OFDMA）和偏移第四相移键控（QPSK），其支持跨不同区域的40kbps到1Mbps的多个数据速率。除了在美国采用单一的许可频段外，PHY主要在ISM（SUB-GHZ和2.4 GHz）频带中工作，因此与同一频段内的其他干扰技术共存。 PHY被设计为提供大小达1500字节的帧，以避免互联网协议（IP）分组数据包出现分段。

支持新PHY的MAC层的变化由IEEE 802.15.4e而不是由IEEE 802.15.4g标准本身定义。

3）IEEE 802.11：无线局域网：WLAN技术将在IoT中发挥重要作用。 IEEE 802.11任务组AH（TGah：IEEE 802.11 Task Group AH）和长距离低功率（LRLP： Long Range Low Power）中的IEEE 802.11主题兴趣组（TIG：Topic Interest Group））对WLAN进行扩展范围和降低功耗的努力。

TGah （参见：http://www.ieee802.org/11/Reports/tgah_update.htm）提出了用于在SUB-GHZ ISM频带中运行长距离Wi-Fi操作的IEEE 802.11ah PHY层和MAC层规范。与IEEE 802.11ac标准相比，该标准引入了几个新功能，在户外环境中实现1公里的覆盖范围，数据速率超过100 kbps。 PHY层采用比IEEE 802.11ac（早先的WiFi标准）慢10倍的OFDM调制方式，以扩展通信范围。在MAC层，减少了与帧，帧头以及信标相关联的开销，以延长电池供电的工作寿命（参见文献“IEEE 802.11ah: the WiFi approach for M2M communications”，下载地址：https://www.researchgate.net/publication/260268761_IEEE_80211ah_the_WiFi_approach_for_M2M_communications）。 MAC协议针对数千（8191）个连接终端设备的应用进行了裁减，从而减少了它们之间的冲突。终端设备支持在非活动期间节省能量但仍保持与接入点的连接/同步的机制。随着所有这些新的省电模式和覆盖范围的增强，IEEE 802.11ah确实提供比其他WLAN标准，ZigBee和蓝牙更大的覆盖范围和更低的能源消耗，但不如本文中讨论的其他LPWA技术那么多。由于这个原因，越来越多的最近发表的研究和IETF草案文献（参见：https://tools.ietf.org/html/draft-minaburo-lpwan-gap-analysis-02），（参见：https://datatracker.ietf.org/wg/lpwan/charter/）中并没有采用IEEE 802.11ah作为LPWA技术。实际上，IEEE 802.11ah为了适应那些需要相对较高带宽的应用，因此牺牲了比其他LPWA技术更高的功耗。

在文献“Feasibility study of IΕΕΕ 802.11ah radio technology for IoT and M2M use cases”（下载地址：http://www.ie.u-ryukyu.ac.jp/~wada/system15/fesibility_study_80211ah.pdf）中研究了使用IEEE 802.11ah进行满足IoT / M2M应用场景的可行性。作者表明，当使用900MHz频带时，对于下行链路情况，当AP使用更高的发射功率（20-30dBm）时，可以直接实现1km的范围和高于100kbps的数据速率。然而，对于上行链路情况，实现这些目标时是相当有挑战性的，因为客户端操作低功率（0 dBm），并且要进行信号周期占空比循环以支持多年的电池运行寿命。在这种情况下，作者强调使用编码方案，更高的发射功率和更高的天线增益可能有助于改善这种情况，达到高达400米的覆盖范围。然而，这可能是以客户端的电池寿命降低为代价的，这可能是不希望的。他们还建议，如果可靠性要求降低，覆盖范围可以进一步提高，例如。他们能够实现1公里范围的链路而可靠性低于60％。

新的主题兴趣小组（TIG）于2016年在802.11的职权范围内成立，该小组旨在探讨长距离低功耗（LRLP）新标准的可行性（参见：http://www.ieee802.org/11/Reports/lrlp_update.htm）。在这项工作的早期阶段，TIG已经在"IEEE P802.11 Wireless LANs"(参见:http://www.ieee802.org/11/index.html)中定义了该技术的一些应用场景和功能要求，但无法明确证明IEEE LAN / MAN标准委员会（LMSC）对此活动的需求。因此，LRLP的工作已经有点启动过早。

B. ETSI

ETSI致力于标准化双向低数据速率LPWA标准。被称为低吞吐率网络（LTN:Low Throughput Network ）的标准化标准工作于2014年以三组规格的形式发布。这些规范定义了i）使用情况（参见：http://www.etsi.org/deliver/etsi_gs/LTN/001_099/001/01.01.01_60/gs_LTN001v010101p.pdf） ii）功能体系架构（参见：http://www.etsi.org/deliver/etsi_gs/LTN/001_099/002/01.01.01_60/gs_LTN002v010101p.pdf），以及iii）协议和接口（参见：http://www.etsi.org/deliver/etsi_gs/LTN/001_099/003/01.01.01_60/gs_LTN003v010101p.pdf）。其主要目标之一是通过利用M2M / IoT通信的短有效载荷大小和低数据速率来减少电磁辐射。

除了对空中接口的建议外，LTN也为终端设备，基站，网络服务器以及操作和业务管理系统之间的协作定义了各种接口和协议。

图4、ETSI的LTN例子

受新兴LPWA网络使用超窄带宽（例如SIGFOX，TELENSA）和正交序列扩频（OSSS）（例如LORa）调制技术这一事实的推动，LTN标准并不限于单一类别。只要终端设备，基站和网络服务器实现LTN规范描述的接口，它就可以为LPWA运营商提供灵活性，以便在SUB-GHZ ISM频段内设计和部署自己的专有UNB或OSSS调制方案 。这些规范建议中在上行链路使用BPSK调制方式，在下行链路中使用GFSK调制方式，来实现UNB。或者，可以使用任何OSSS调制方案来支持双向通信。数据加密以及用户认证过程被定义为LTN规范的一部分。

许多LPWA技术提供商，如SIGFOX，TELENSA和Semtech等，积极参与ETSI的标准化技术工作。

C. 3GPP
为了解决M2M和IoT市场，3GPP正在发展其现有的蜂窝标准，以降低复杂性和成本，提高覆盖范围和信号穿透率，并延长电池寿命。其多种许可解决方案，如机器类型通信（eMTC），扩展GSM的覆盖范围（EC-GSM）和窄带IoT（NB-IoT）的长期演进（LTE）增强功能提供了成本，覆盖率，数据速率和功耗标准，以满足物联网和M2M应用的不同需求。然而，所有这些标准的共同目标是最大限度地重新利用现有的蜂窝基础设施和拥有的无线电频谱。

1）机器类型通信（eMTC）的LTE增强版：传统的LTE终端设备提供高数据速率服务，它们的成本和功耗在几种MTC用例中是不可接受的。为了降低符合LTE系统要求的成本，3GPP将峰值数据速率从LTE类别1（ LTE Category 1）降低到LTE类别0（ LTE Category 0），然后降低到LTE类别M（ LTE Category M），即LTE演进过程的不同阶段。通过在0类中支持可选的半双工操作来实现进一步降低成本。这种选择降低了调制解调器和天线设计的复杂性。从0类（Category 0）到M1类（Category M1）（也称为eMTC），接收带宽从20 MHz下降到1.4 MHz，结合降低的传输功率将导致更具成本效益和低功耗的设计。

为了延长eMTC的电池使用寿命，3GPP采用了省电模式（PSM: Power Saving Mode）和扩展的不连续接收（eDRx： extended Discontinuous Reception）两个功能。它们使终端设备能够在深度睡眠模式下保持数小时甚至数天，而不会丢失其网络注册信息。终端设备可以避免长时间监控下行链路控制信道，以节省能源。下面描述的EC-GSM中也采用了相同的省电特性。

2）EC-GSM：全球移动通信系统（GSM）宣布在某些地区停用，移动网络运营商（MNO）可能希望延长其在少数市场中的运营。有了这个假设，3GPP正在提出扩展覆盖的GSM（EC-GSM：extended coverage GSM）标准，其目标是通过SUB-GHZ频带将GSM覆盖范围扩展到+ 20dB，从而在室内环境中更好地进行信号穿透。根据发射功率，目标是实现154dB-164dB范围内的链路预算。只要GSM网络的软件升级，传统GPRS频谱就可以打包定义的新的逻辑信道以适应EC-GSM设备需求。 EC-GSM利用重复的传输和信号处理技术来提高传统GPRS的覆盖和容量。两种调制技术即高斯最小偏移键控（GMSK）和8位相移键控（8PSK）提供了240kbps的峰值可变数据速率。该标准于2016年中期发布，旨在与基于传统的GSM解决方案相比，每个基站支持50k个设备，并且增强安全性和隐私功能。

3）NB-IoT：NB-IoT是一种窄带技术，可在2016年中期左右作为Release-13的一部分提供。NB-IoT旨在实现部署灵活性，延长电池寿命，降低设备成本和复杂性以及信号覆盖范围扩展。 NB-IoT与3G不兼容，但可与GSM，GPRS和LTE共存。只有在现有LTE基础设施之上进行软件升级才能支持NB-IoT。它可以部署在200 kHz的单个GSM载波内，在单个为180 kHz的LTE物理资源块（PRB）或LTE保护频带内部。与eMTC相比，NB-IoT通过降低数据速率和带宽要求（仅需180 kHz），简化协议设计和移动性支持，进一步降低了成本和能耗。此外，支持专用许可频谱中的独立部署。

NB-IoT旨在实现164 dB的覆盖范围，每个单元可以为高达50k个终端设备提供连接，并可通过添加更多的NB-IoT运营商来扩大容量。 NB-IoT在下行链路中使用正交FDMA（OFDMA）调制方式，而在上行链路中使用单载波频分多址（FDMA）调制方式（参见：http://www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1766-iot_progress）。对于多信道（multi-tone）下行通信，数据速率限制在250kbps，单信道（single-tone）上行通信的数据速率限制在20kbps。如文献“A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things (NB-IoT)”（参见：https://arxiv.org/abs/1606.04171）所强调的，对于164 dB的耦合损耗，基于NB-IoT的无线电平均可以在每天传输200字节的数据时实现10年的电池寿命。

在3GPP发布第13版（Release 13）规范之后，NB-IoT标准已在3GPP中得到批评。业界对这个规范的批评总结如下（参见：http://www.ingenu.com/portfolio/seven-nb-iot-surprises-you-need-to-know-about/）：

- 由于下行链路容量有限，只有一半的消息在NB-IoT中被确认。这意味着无法实现需要确认IoT应用中所有上行链路数据流量，除非应用程序实现某种形式的可靠性机制。后者可能由于额外的处理而导致更高的应用复杂度和更高的能量消耗。

- 在基于3GPP的解决方案中使用分组聚合（组合多个分组并将其按照单个更大的分组进行发送）提高了效率，但是以延迟敏感IoT应用可能不希望的额外延迟为代价。

- NB-IoT流量是最大的努力，因此在重语音/数据流量的时候，动态重新分配功能以减轻后一类流量的拥塞问题可能会影响NB-IoT的应用性能。此外，一旦部署NB-IoT设备可能会保持10-20年的时间，与传统手机（通常为2年）相比，设备升级周期要更高一个数量级。一些应用可能需要更长时间才能达到盈亏并提供投资回报。此外，如果新的小区世代相继出现，则可能存在关于所部署的小区的寿命的问题，例如，这种情况类似于一些运营商逐步淘汰其GSM网络以回收频谱用于LTE。这可能会使客户陷入困境，因为升级终端可能不是微不足道的或经济上可行的，这是一个值得讨论的问题。

- 缺乏实际电池寿命和性能要求使得在现实世界中的商业部署难以实现。

D. IETF
IETF旨在通过标准化超低功耗设备和应用的端到端IP连接来支持主要专有技术的LPWA生态系统。 IETF已经为低功耗无线个人局域网（6LoWPAN）设计了IPv6堆栈。然而，这些标准化工作侧重于传统的基于IEEE 802.15.4的无线网络，与目前大多数LPWA技术相比其支持相对较高的数据速率，更长的有效负载大小和更短的覆盖范围。然而，LPWA技术的独特特征为IP连接提出了真正的技术挑战。首先，LPWA技术是异构的：每个技术人员使用不同的物理层和MAC层来处理不同格式的数据。其次，大多数技术使用ISM频段，这些频段受到严格的区域规定的限制，限制了数据传输的最大数据速率，时间和频率。第三，许多技术的特征在于上行链路和下行链路之间的链路不对称性强，通常限制下行链路能力。因此，所提出的IP堆栈应该足够轻（lightweight），以限制这些非常严格的底层技术。不幸的是，这些挑战在早期的IETF标准化工作中并没有得到解决。

在2011年4月，IETF总部成立了一个低功耗广域网（LPWAN）工作组（参见：https://datatracker.ietf.org/wg/lpwan/charter/）。该组织确定了LPWA技术的IPv6连接的挑战和设计领域。未来的努力可能最终会导致出现多种标准，为LPWA（6LPWA）定义了一个完整的IPv6堆栈，可以以安全和可扩展的方式将LPWA设备与其他外部生态系统相连接。该IETF组要解决的更具体的技术问题描述如下：

- 帧头压缩。 LPWA技术的最大有效载荷大小有限。帧头压缩技术就是针对这些小的有效载荷大小以及LPWA设备的稀疏和不频繁的流量。

- 分段和重组。大多数LPWA技术本身不支持第二层（L2）的碎片化和重新布局。由于IPv6报文通常太大，无法容纳在单个L2报文中，因此需要定义IPv6报文的分段和重组机制。

- 管理。为了管理终端设备，应用，基站和服务器，需要超轻量级的信令协议，可以在约束的L2技术上有效地运行。为此，IETF可以研究有效的应用级信令协议（参见：https://tools.ietf.org/html/draft-pelov-core-cosol-01）。

- 安全，完整和隐私。 IP连接应保持在LPWA无线电接入网络及其以外的数据的安全性，完整性和隐私。大多数LPWA技术使用对称密钥cryptogra-phy，其中终端设备和网络共享相同的密钥。可以研究更强大和有弹性的技术和机制。

E. LORA?联盟
如第三部分所述，LORa是LPWA连接的专有物理层。然而，上层和系统架构由LORa?联盟根据LORaWAN?规范定义的（参见：https://www.lora-alliance.org/portals/0/specs/LoRaWAN%20Specification%201R0.pdf），于2015年7月发布。

在MAC层使用简单的ALOHA方案，其与LORa物理层结合使得多个设备能够同时进行通信，但是使用不同的信道和/或正交码（即扩频因子）。终端设备可以跳转到任何基站，而不需要额外的信令开销。基站通过回程将终端设备连接到网络服务器，LORAWAN系统的大脑禁止重复接收，自适应无线电接入链路，并将数据转发到合适的应用服务器中。然后应用服务器处理接收到的数据并执行用户定义的任务。

LORAWAN预计，根据应用需求，设备将具有不同的功能。因此，LORAWAN定义了三种不同类别的终端设备，它们都支持双向通信，但具有不同的下行延迟和功率要求。 A类设备实现了最长的使用寿命，但延时最长。只有在上行传输之后才能听到下行通信。此外，B类设备可以以某些时间间隔调度来自基站的下行接收。因此，只有在这些商定的时间段内，应用程序可以向终端设备发送控制消息（用于可能执行启动功能）。最后，C类设备通常由市电供电，具有在任何时间以尽可能短的延迟连续监听和接收下行链路传输的能力。

LORAWAN标准使用对称密钥加密技术来验证终端设备与网络，并保护应用程序数据的隐私。

F. WEIGHTLESS-SIG
WEIGHTLESS特别兴趣小组（参见;http://www.weightless.org/）提出了三个开放的LPWA标准，每个标准提供不同的功能，范围和功耗。这些标准可以在无许可证频谱以及许可频谱中运行。

WEIGHTLESS-W利用电视白频谱的优异信号传播特性。它支持多种调制方案，包括16正交幅度调制（16-QAM）和差分BPSK（DBPSK）以及广泛的扩频因子。根据链路预算，可以以1 kbps和10 Mbps之间的速率传输大小在10字节以上的数据包。终端设备在窄带中发送到基站，但是以比基站更低的功率电平发送以节省能量。 WEIGHTLESS-W有一个缺点。电视白频谱的共享访问仅允许在少数地区，因此WEIGHTLESS-SIG定义了ISM频带中的另外两个标准，可用于全球共享访问。

WEIGHTLESS-N是UNB标准，仅用于从终端设备到基站的单向通信，与其他WEIGHTLESS标准相比，实现了显著的能源效率和低成本。它在SUB-GHZ频段使用DBPSK调制方案。然而，单向通信限制了WEIGHTLESS-N的用例数量。

WEIGHTLESS-P将双向连接与两个非专有物理层进行了融合。它使用GMSK和正交相移键控（QPSK）来调制信号，这是两种在不同商业产品中采用的众所周知的方案。因此，终端设备不需要专有的芯片组。 SUB-GHZ ISM频段中的每个12.5 kHz窄频道提供0.2 kbps至100 kbps范围内的数据速率。完全支持确认和双向通信功能，可以实现固件升级。

像LORAWAN一样，所有WEIGHTLESS标准都采用符号密钥加密技术来验证终端设备和应用数据的完整性。

G. DASH7联盟
DASH7联盟是一个行业联盟，其定义了称为DASH7联盟协议（D7AP）的LPWA连接的完整垂直网络堆栈。 D7AP的起源于用于有源射频识别（RFID）设备的空中接口的ISO / IEC 18000-7标准，已经发展成为向低功率传感器和执行器提供中端连接的堆栈。

DASH7采用窄带调制方案，在SUB-GHZ频段使用两级GFSK。与大多数其他LPWA技术相比，DASH7有一些显著的差异。首先，默认使用树形拓扑，并选择星形布局。在前一种情况下，终端设备首先连接到占空比子控制器，然后连接到总是在线的基站。这种负荷循环机制对上层设计带来了更多的复杂性。第二，DASH7 MAC协议强制终端设备周期性检查可能的下行链路传输信道，显著增加的空闲监听成本。通过这样做，DASH7的下行链路通信延迟比其他LPWA技术低得多，但牺牲了更高的能耗。第三，与其他LPWA技术不同，DASH7定义了一个完整的网络堆栈，使应用程序和终端设备能够彼此通信，而无需处理底层物理层或MAC层的复杂性。

DASH7支持前向纠错和对称密钥加密。

总结
各种LPWA的协议标准特性总结如下表：

表1，各种LPWA标准的技术规格