分析師預測，到2023年，低功耗廣域網(wǎng)（LP-WAN）上的設備可能超過10億。本文解釋了為什么這些網(wǎng)絡的RF特性使其非常適合智能建筑應用，如資產(chǎn)跟蹤和泄漏檢測，以及帶傳感器的智能停車應用。我們還為設備設計提供一些建議。

什么是LP-WAN？

LP-WAN是使用低于1GHz頻率的無線網(wǎng)絡。這種網(wǎng)絡多年來一直用于M2M（機器對機器）流量。它們提供了低功耗、安全性、遠程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。

四種技術主導著該行業(yè)：NB-IoT，LTE-M，LoRa-WAN和SigFox。所有這些都以低比特率提供遠程通信，適用于M2M流量的小型間歇性數(shù)據(jù)包。

LoRa 通常使用這些頻率： 433 兆赫在亞洲， 868 兆赫在歐洲， 915兆赫在， 在美國.NB-IoT使用每個國家/地區(qū)可用的移動網(wǎng)絡運營商頻段，通常為700 MHz、800 MHz或900 MHz。

低頻射頻

無線電波長在低頻時較長，在高頻下較短。更高的頻率可以承載更多的數(shù)據(jù)，但它們的信號損失在更長的距離上以及在墻壁和磚石阻礙傳輸?shù)慕ㄖ飪?nèi)更大。

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

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，使其有利于智能農(nóng)業(yè)（例如，跟蹤牲畜或使用傳感器監(jiān)測土壤濕度）。LP-WAN連接不如寬帶快，但它們以低功耗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慧城市

從技術角度來看，LP-WAN是低數(shù)據(jù)速率應用的有吸引力的選擇。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 - 并且連接比蜂窩網(wǎng)絡便宜。數(shù)據(jù)包大小可以從 10 到 1，000 字節(jié)，上行鏈路速度可以快到 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，同時消耗很少的功率。對于分布在網(wǎng)絡中的大型電池供電設備隊列來說，這是一個很大的優(yōu)勢。

這些功能使LP-WAN適用于跟蹤車輛和集裝箱以及連接傳感器網(wǎng)絡以測量位置，振動，溫度，負載和速度。在智能城市中，各種應用都是可能的：在停車位中帶有傳感器的智能停車應用，以幫助市民找到可用的停車位;僅在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的跡象。

LP-WAN是大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)部署或傳感器網(wǎng)絡的不錯選擇，其中設備只需要低功耗，數(shù)據(jù)包相對較小，并且時序不太關鍵。

LP-WAN提供了一種有效的方法來遠程監(jiān)控設備，如果設備難以通過其他方式到達，例如，當它們位于偏遠地區(qū)或危險的地方時。它還適用于連接通常位于地下室或地下的智能電表。

許可或未許可網(wǎng)絡？

四種領先的無線技術都使用相似的頻率，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和商業(yè)特征。

NB-IoT使用非常窄的信道頻率帶寬并提供更長的范圍，而LTE-M適用于傳輸距離較短的移動設備。LTE-M具有比NB-IoT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備。NB-IoT和LTE-M都需要蜂窩覆蓋，而農(nóng)村地區(qū)可能并不總是可用。

此外，NB-IoT和LTE-M使用獲得許可的蜂窩頻率（使用它們需要付費），但它們受到干擾的影響較小，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適用于關鍵任務工作，例如一旦檢測到泄漏就關閉燃氣閥。它們通常最適合可能需要QOS的計量應用。

對于數(shù)據(jù)要求較小的應用程序，SigFox和LoRa可能更適合。SigFox和LoRaWAN不受監(jiān)管，但在這些網(wǎng)絡上，沒有什么可以防止干擾的。

SigFox 和 LoRa 都在未經(jīng)許可的頻段中運行，可以以較低的功耗覆蓋很遠的距離，但數(shù)據(jù)速度較慢，消息發(fā)送頻率受到限制。此外，數(shù)據(jù)有效負載通常一次小于 100 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)絡并安裝自己的網(wǎng)關。

物聯(lián)網(wǎng)設備通常設計為無需更換電池即可原位運行 8-10 年，LP-WAN 網(wǎng)絡效率很高，因為網(wǎng)絡上的設備大部分時間都處于睡眠狀態(tài)，只有在發(fā)送消息時才喚醒。因此，設備設計人員應保持簡短的數(shù)據(jù)消息，以延長電池壽命。

為 LP-WAN 設計無線設備

無線設備的好壞取決于它的天線。如果天線斷開連接，或者其輻射效率以某種方式受到影響，則產(chǎn)品將停止按設計運行。天線是設備與網(wǎng)絡之間的接口，天線的效率和增益是決定信號可以傳播多遠的兩個關鍵因素。這意味著在設備中正確放置更高效、性能更高的天線將使設備在現(xiàn)實世界中在其網(wǎng)絡上表現(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)境中的行為有所不同。無線電波會遭受折射、偏振、衍射和吸收。特別是，設備的金屬部件和外殼會引起反射，人體的某些部分會引起吸收。這可能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)整功率水平， 因此范圍縮短了。

如果一個設備內(nèi)有多個天線，通常會產(chǎn)生耦合效應，可以吸收無線電的發(fā)射功率。確定正確的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計 - 首先將天線放在自由空間中，然后引入用例場景以確保設備按預期運行。

重要的是將天線放置在設計中，以便它能夠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計人員在設計過程的早期解決天線的集成問題。

審核編輯：郭婷