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物联网(IoT)中的低功率广域(LPWA)网络技术设计介绍

物联网(IoT)承诺会改变我们的生活和工作方式。这可以帮助我们克服人口爆炸,能源危机,资源枯竭和环境污染等全球面临的挑战。为了实现这一愿景,事物(Things)需要感知他们的环境,在人与人之间分享这些信息,使智能决策能够对整个生态系统产生积极的影响。由于这一承诺,使得业界对物联网的兴趣正在惊人的增加。多项独立研究预测,未来十年,物联网和机对机(M2M:Machine-to-Machine)行业的数量和收入将大幅增长。到2020年,连接的M2M设备和消费电子产品的数量将超过使用手机,个人电脑,笔记本电脑和平板电脑的人员数量(参见图1)。展望未来,到2024年,整个物联网产业预计将在不同行业(如设备制造,连接和其他增值服务)产生4.3万亿美元的收入。传统和致动技术的最新改进以及新型通信技术的出现都是推动物联网发展的积极因素。

物联网(IoT)中的低功率广域(LPWA)网络技术设计介绍

图1、连接设备的增长

低功率广域(LPWA:Low Power Wide Area)网络

低功率广域(LPWA:Low Power Wide Area)网络代表了一种新颖的通信范例,它将补充传统的蜂窝和短距离无线技术,以满足物联网应用的各种需求。 LPWA技术提供独一无二的功能,包括低功耗和低数据速率设备的广域连接,这种连接是与传统无线技术所提供的连接是不同的。LPWA的市场预计将是巨大的:总共300亿IoT / M2M设备中的大约四分之一将使用专有或者蜂窝技术的LPWA网络连接到互联网(参见图2)。

物联网(IoT)中的低功率广域(LPWA)网络技术设计介绍

图2、LPWA技术支持的连接数(单位:10亿)

图3强调了可以利用LPWA技术连接其终端设备的多个业务部门的各种应用。这些业务部门包括但不限于智能城市,个人物联网应用,智能电网,智能计量,物流,工业监控,农业等。

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图3、LPWA能够支持的各种应用

LPWA网络是独一无二的,因为它们与物联网领域普遍存在的传统技术(如短距离无线网络,例如Zig-Bee,蓝牙,Z-Wave,传统无线局域网(WLAN)例如Wi-Fi,以及蜂窝网络例如全球移动通信系统(GSM),长期演进(LTE)技术等是有所不同的。传统的非蜂窝无线技术不是连接分布在大地理区域的低功率设备的理想选择。这些技术的范围最多限于几百米。因此,这些设备不能随意部署或移动到智能城市,物流和个人健康保健的许多应用都是需要的任何地方中。这些技术的覆盖是范围通过使用多跳网状网络连接的设备和密集部署的网关进行扩展的。因此,大量部署的成本昂贵。另一方面,旧式WLAN的特点是机器类型通信(MTC:machine-type communication)的覆盖区域更短,功耗更高。

广域覆盖可以由蜂窝网络来提供,这也是广泛采用第二代(2G)和第三代(3G)移动蜂窝技术进行M2M通信的原因。然而,一些移动网络运营商(MNOs:mobile network operators)宣布的这些技术即将退役(参见图4),此举将扩大连接低功耗设备的技术差距。一般来说,传统蜂窝技术的能源效率不足以提供十年的电池寿命。蜂窝设备的设计复杂,并且成本高昂,因为它们需要能够处理复杂的波形,针对语音,高速数据服务和文本通信需求进行优化。对于低功率的MTC(machine-type communication),显然需要剥离复杂性以降低成本。3GPP正在朝着让蜂窝网络满足这些技术需求的方向努力,我们将在后续的文章中对此进行阐述。

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图4、3G移动活跃连接的份额,按地区,2014和2019年

LPWA技术具有数十到几十公里的惊人覆盖距离,电池寿命十年以上,对于实现低功耗,低成本和低吞吐量的互联网而言是有希望的技术(参见下面的图5)。一系列LPWA技术使设备能够在大的地理区域上传播和移动。通过LPWA技术连接的IoT和M2M设备可以随时随地在其环境中立即进行感测和交互。值得澄清的是,LPWA技术以低数据速率(速率通常为几十千比特每秒的量级)和更高的延迟(通常以秒或分钟的等级)为代价来实现远距离和低功耗操作的。因此,显而易见的是,LPWA技术并不意味着它能够解决每一个物联网(IoT)的应用场景,而是适应物联网(IoT)景观中的一些细分领域。具体来说,LPWA技术被认为是能够容忍延迟,不需要高数据速率,通常需要低功耗和低成本的应用场景,后者是一个越来越重要的课题。与需要超低延迟和超高可靠性的Critical MTC 应用相比,这种MTC的应用被分类为大规模MTC (Massive IoT)(参见图6和图7)。后者绝对不属于LPWA技术的应用范围,因为低成本和低功耗解决方案无法保证其严格的性能要求,如高达五个9(99.999%)的可靠性要求以及高达1-10 ms的延迟性能要求。虽然LPWA技术因此不适用于许多工业IoT,车辆到车辆(V2V)和车辆到基础设施(V2I)应用要求,但它们仍然满足智能城市应用的诸多应用,如智能化计量,家庭自动化,可穿戴电子,物流,环境监测等需要交换数据量少,交换的频率也不高的应用。因此,LPWA技术的吸引力虽然受到低数据速率的限制,但仍然有很广泛的应用。这就是为什么LPWA技术在诸如SIGFOX 等专有技术打入市场之后产生了如此巨大的兴趣的原因。

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图5、以基站位置为中心的芬兰Oulu不同地点的接收信号强度

图5、以基站位置为中心(PTX = 14 dBm,GRX = 2 dBi)的芬兰Oulu不同地点的接收信号强度,R = 293bps,hTX = 2m,hRX = 24m)。

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图6、IoT的应用分类

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图7、MTC的通信类型分类

在这个时刻,有几个竞争的LPWA技术,每个都采用各种技术来实现长距离,低功耗操作和高可扩展性。下面我们将介绍这些设计目标,并描述了不同的新技术的组合如何实现这些设计目标的。

LPWA的设计目标和技术

LPWA技术的成功在于他们能够以前所未有的低成本向大面积的地理区域中分布的大量设备提供低功耗连接。下面将介绍用于实现这些经常冲突的目标的LPWA技术,与实现更高数据速率,更低延迟和更高可靠性的其他技术相比,LPWA技术的关键目标是实现低功耗和低成本的长覆盖距离。

A、长的覆盖距离

LPWA技术被设计用于广泛的覆盖范围和优良的信号传播特性以到到其它技术难以到达的室内场所,如地下室。针对这一目标,其链路预算增益通常超过传统蜂窝系统的+20 dB。这允许终端设备根据其部署环境(农村,城市等),距离其连接的基站有几公里到几十公里的距离。利用低于1GHz频率的频带和特殊调制方案可以实现这一目标。

1)使用Sub-1GHz即低于1GHz的频段:除了几个LPWA技术(例如,WEIGHTLESS-W (参见:http://www.weightless.org/)和IN-GENU 之外,大多数使用Sub-GHz频段即低于1GHz的频段,在低频下可以在低功率预算的情况下提供健壮的和可靠的通信链路;因为首先,与2.4GHz的频带相比,较低频率的信号经历较少的衰减以及由障碍物和致密表面(如混凝土墙壁)引起的多径衰落。其次,低于1GHz的频段比2.4GHz频段更宽松,这是由大多数流行的无线技术(例如Wi-Fi,无绳电话,蓝牙,ZigBee和其他家用电器)使用的是2.4GHz频带。由此产生的更高的可靠性使得能够实现远距离和低功率通信。然而,INGENU的RPMA技术(RPMA,全称Random Phase MulTIple Access,官方中文翻译为“随机相位多址接入”,它是由美国Ingenu公司开发的低功耗广域网技术。)是一个例外,该技术仍然使用的2.4 GHz频带,因为它可以利用这个频带中的无线电占空比方面更宽松的频谱规则以及多个区域采用最大的传输功率。

2)调制技术:LPWA技术旨在实现150±10 dB的链路预算,分别在城市和农村地区实现几公里和几十公里的覆盖范围。物理层在实现高数据速率上需要进行折中,减慢的调制速率可以在每个传输的信息bit位中(或符号中)放入更多的能量。由于这个原因,接收机可以正确解码严重衰减的信号。现有技术的LPWA接收机的典型灵敏度达到低至-130dBm。不同的LPWA技术已经采用了两类不同的调制技术,即窄带调制技术和扩频调制技术。

窄带调制技术通过在低带宽(通常小于25kHz)下对信号进行编码来提供高的链路预算。通过为每个载波分配非常窄的频带,这些调制技术在多个链路之间能够非常有效地共享整个频谱。单个窄带信道带内经历的噪音水平也很小。因此,不需要通过频率去扩展的处理增益来对接收机处的信号进行解码,这导致简单且便宜的收发信机设计。 NB-IoT和WEIGHTLESS-P是窄带技术的例子。

一些LPWA技术把每个载波信号挤压在宽度为100Hz的窄带(UNB:ultra narrow band)信号中(例如,在SIGFOX中),这将进一步减少经历的噪声并增加每单位带宽支持的终端设备的数量。然而,单个终端设备的有效数据速率也随之降低了,从而增加无线电接通需要保持的时间量。这种低数据速率与共享底层频段的频谱规则相结合可能会限制数据分组包的最大大小和传输频率,从而限制业务应用场景的数量。 SIGFOX,WEIGHTLESS-N和TELENSA (参见:http://www.telensa.com/)是使用UNB调制的LPWA技术的几个例子(参见专利文档:http://www.freepatentsonline.com/EP2092682.html)。

扩展频谱技术是在较宽频带上扩展了窄带信号,但具有相同的功率强度。扩频技术实际的传输是一种类似噪声的信号,使得它难以被窃听者检测到,因此更能抵御干扰,并且能够强大地对干扰进行攻击。然而,在接收机侧需要更多的处理增益来解码通常埋在底噪( noise floor)之下接收的信号。在宽带上传播窄带信号导致频谱效率较低。但是,这个问题通常通过使用多个正交序列来克服。只要多个终端设备使用不同的信道和/或正交序列,则可以同时解码,这将导致更高的总体网络容量。现有标准使用了扩展频谱技术的不同变体,例如LORa和RPMA分别使用的啁啾扩频(CSS:Chirp Spread Spectrum)和直序扩频(DSSS:Direct Sequence Spread Spectrum )。

B.超低功耗操作

超低低功率运行是利用由电池供电的IoT / M2M设备提供的巨大商机的关键要求。期望使用AA或纽扣电池的电池寿命到达10年或者10年以上,以降低维护成本。

1)拓扑结构:网状拓扑已被广泛用于扩展短距离无线网络的覆盖范围,它们的高部署成本是连接大面积地理位置中的大量分布式的设备的主要缺点。此外,随着业务在向网关转发的多个跳跃上,一些节点由于其在网络中的位置或者网络流量模式而导致比其他节点具有更多的拥塞概率。因此,它们很快耗尽电池,将网络使用寿命限制在仅有几个月到几年。

另一方面,一系列LPWA技术通过将终端设备直接连接到基站来克服这些限制,从而避免了对密集部署的昂贵的中继器和网关的需要。这样所得到的拓扑结构是一种广泛应用于蜂窝网络的星形架构,具有巨大的节能优势。与网状拓扑架构相反,星形架构中的设备不需要浪费宝贵的能量来侦听需要通过它们来传输流量的其它设备。始终在线的基站能够在终端设备需要时提供方便快捷的接入。除了星形架构之外,一些LPWA技术支持树形和网格拓扑架构,但是这些架构在协议设计中需要增加额外的复杂性。

2)占空比周期:低功耗操作是通过机会地关闭M2M / IoT设备中的耗电组件(例如数据收发信机)来实现的。无线电信号周期循环允许LPWA终端设备在不需要时关闭其收发信机。只有当要发送或者接收数据时,收发信机才会打开。

系统可以基于应用,电源类型以及业务模式等因素来对LPWA占空比机制进行调整。如果某个应用仅需要通过上行链路传输数据,则仅当数据准备好传输时才能唤醒终端设备。相反,如果需要下行链路传输时,则终端设备确保在基站实际发送时才侦听。终端设备通过同意侦听计划来实现这一点。例如,终端设备可以在其上行链路传输之后进行短时间监听以接收回复。或者,它们可以在与基站同意的预定时间中唤醒。对于下行链路通信需要超低延迟的主电源供电的终端设备,无线电收发信机可以始终保持在开启模式。不同的LPWA标准,如LORAWAN [10]根据上行链路或下行链路的通信需求定义了多种类型的终端设备。

在LPWA技术的领域,数据收发信机的占空比周期循环不仅是节电机制,而且也是监管立法的要求。共享频谱的区域规则可能会限制单个发射机的占用时间,以确保其与共享相同信道的其他设备之间共存。

如许多低功耗嵌入式网络的背景下,占空比周期循环也可以扩展到收发信机之外的其他硬件组件中。模块化硬件设计可以提供选择不同操作模式的能力,具有打开或者关闭各个硬件组件(如辅助组件和存储和微控制器)。通过利用这些电源管理技术,LPWA应用开发人员可以进一步降低功耗并增加电池寿命。

3)轻的介质访问控制(Lightweight Medium Access Control):用于蜂窝网络或短距离无线网络中广泛使用的媒体接入控制(MAC:Medium Access Control)协议对于LPWA技术来说太复杂了。例如,蜂窝网络准确地同步基站和用户设备(UE),从利用频率和时间分集的复杂MAC方案中受益。这些方案的控制开销虽然对于强大的蜂窝UE来说是合理的,但对于LPWA终端设备来说具有实质性的影响。换句话说,这些MAC协议的控制可能比这些的短期和不经常使用的机器类型通信的LPWA设备更加昂贵。此外,这些方案所需的非常紧密的同步难以通过具有低质量廉价振荡器的超低成本($ 1- $ 5)LPWA终端设备来实现。访问频谱时,这些设备在时域和频域都会出现漂移,从而使独占访问共享介质成为这些竞争设备的主要挑战。由于这个原因,简单的随机接入方案(random access schemes )对于LPWA技术来说更为合适也更加流行。

具有冲突避免的载波侦听多址访问(CSMA / CA:Carrier sense multiple access with collision avoidance)是成功部署在WLAN和其他短距离无线网络中的最流行的MAC协议之一。对于这样的网络每个基站的设备数量是有限的,保持克服隐藏的节点问题。然而,随着这些设备的数量在LPWA网络中的增长,载波侦听在可靠地检测正在进行的传输方面变得不那么有效并且变得昂贵起来,并且会对网络性能产生不利影响。虽然使用请求发送/清除发送(RTS / CTS:Request to Send/ Clear to Send )的虚拟载波侦听机制来克服这个问题,但它在上行链路和下行链路上会引入额外的通信开销。由于要连接大量的设备,因此LPWA技术通常不能承受这种过度的信令开销。此外,链路不对称性是当今许多LPWA技术的特性,这也降低了虚拟载波感测的实用性。

由于这些原因,诸如SIGFOX和LORAWAN之类的多个LPWA技术使用ALOHA,即随机接入MAC协议,其中终端设备在不进行任何载波感测的情况下传输。 ALOHA的简单性被认为是使收发信机的设计简单且成本低廉。然而,INGENU和NB-IoT也考虑了基于TDMA的MAC协议来更有效地分配无线电资源,尽管牺牲了最终设备的复杂性和成本。

4)从终端设备卸载复杂性:大多数技术人员通过将复杂任务卸载到基站或者后端系统来简化终端设备的设计。为了使终端设备的收发信机的设计简单且成本低,基站或者后端系统必须更加复杂。通常,基站利用硬件分集,并且能够同时使用多个信道或者正交信号发送到和侦听多终端设备。这允许终端设备可以使用任何可用信道或者正交信号来发送数据,并且仍然能到达基站,而不需要昂贵的信令来发起通信。通过在后端系统中嵌入一些智能,终端设备可以进一步受益于更可靠和节能的最后一公里通信。一个显著的例子是LORAWAN,其中后端系统自适应通信参数(例如数据速率/调制参数)以维持良好的上行链路和下行链路连接。此外,后端系统还负责为终端设备提供支持以跨多个基站移动,并抑制重复接收(如果有的话)。在数量较少的基站和后端系统中选择保持复杂性为许多终端设备实现了低成本和低功耗的设计。

除了通信之外,数据处理也可以从终端设备卸载,但是我们需要先了解其中的一些权衡。鉴于物联网应用的多样性,每个应用可能有不同的要求,特别是数据报告频率。可能存在一些需要终端设备经常报告数据(例如每隔几分钟一次)的应用。而另一方面,我们可能会有一些应用程序要求终端设备不频繁地报告数据,例如也许要求每天一次。从能量消费的角度来看,众所周知的事实是,通信操作比处理操作要消耗更多的能量。因此,一个经常需要面对的关键问题是按原样报告所有的数据,还是先执行一些本地处理后再报告处理后的结果(减少通信需求)。前一种方法在终端设备上不需要任何显著的处理能力,这意味着可以实现低成本设备。然而,在后一种情况下,取决于所需处理的复杂性,终端设备的成本可能会上升,尽管降低了传输数据所需的能量消耗。两者之间的选择确实是由底层商业应用场景所驱动的。虽然总是期望具有低成本的终端设备,特别是考虑到设备的数量比较大的时候,但是如果通信成本很大,则可能有一些本地处理是有益的。类似地,如果通信成本不依赖于数据量(由于统一的价格定价),则具有更简单的终端设备可能是有益的。还需要估计与具有和不具有精密处理要求的操作相关的终端设备的成本。换句话说,如果终端设备经常被更换,由于频繁的通信导致的电池耗尽,如果首先部署稍微更昂贵的终端设备,而不会由于经常通信导致耗尽其电池,则成本将如何叠加。从网络运营商的角度来看,可能希望通过节点上的本地处理来减少其网络上的业务量,因为这可能降低出现性能问题的可能性。然而,如果运营商的商业模式依赖于不是基于数据量的定价那么这可能是不希望的。

处理数据更接近终端设备(最近被称为边缘计算(edge computing))的模式似乎越来越受欢迎,这一点可以从OpenFog 和移动边缘计算等计划的兴起中可以看出来。话虽如此,对于是传输原始数据还是传输本地处理后的结果的问题还没有简单的一刀切的非此即彼的解答。如前所述,这真的归结为对于那些想要部署这样的解决方案的应用程序的要求和对投资回报率(ROI:return on investment)的分析。

C.低成本

LPWA网络的商业成功与连接的大量的终端设备有关,需要同时保持硬件成本低于5美元,每单位的连接费用低至1美元。这种负担能力使得LPWA技术不仅可以解决广泛的应用问题,而且还可以在短距离无线技术和蜂窝网络已经建立的领域中处于有利的竞争位置。 LPWA技术采用多种方法来减少最终用户和网络运营商的资本支出(CAPEX)和运营费用(OPEX)。终端设备的低成本设计可以通过几种技术来实现,其中一些技术已经在上面已经讨论过。例如使用星型(而不是网状)的连接,简单的MAC协议以及从终端设备中卸载复杂性的技术使制造商能够设计出简单且成本低廉的终端设备。另外一些技术,机制和方法的讨论如下:

1)降低硬件复杂性:与蜂窝和短距离无线技术相比,LPWA收发信机需要处理较不复杂的波形。它能够减少收发信机占用的空间,峰值数据速率和内存大小,从而最大程度降低硬件复杂性,从而降低成本。 LPWA芯片制造商瞄准大量连接终端设备,并且还可以降低成本同时实现规模经济。

2)最小化的基础设施:传统的无线和有线技术的覆盖范围有限,需要密集部署,因此基础设施(网关,电源线,中继节点等)的部署成本昂贵。然而,单个LPWA基站连接数万个分布在几公里的终端设备,大大降低了网络运营商的成本。

3)使用无许可证或者自己拥有许可证的频段:网络运营商为LPWA技术申请新许可频谱的成本与低成本部署,缩短上市时间以及向用户提供有竞争力的订阅消费相冲突。因此,大多数LPWA技术被认为是要在许可证豁免的频段中的部署,包括工业,科学和医疗(ISM: Industrial, Scientific and Medical )频段或者电视白频谱(TV-white spaces)中部署。 NB-IoT这个来自3GPP的LPWA标准可以共享MNOs(移动运营商)拥有的蜂窝频段,以避免额外的频谱许可成本。然而,为了获得更好的性能,也可以获得独立的许可频带,一种趋势专有的LPWA技术可能最终会遵循相关的规范,以避免由于使用共享频谱的连接设备数量的增加而导致性能下降。

D.可扩展性

支持大量发送低流量的设备是LPWA技术的关键要求之一。这些技术应该随着连接设备的数量和密度的增加而正常工作。可以考虑以下几种技术来应对这种可扩展性问题。

1)多样性技术:为了适应尽可能多的连接设备,有效地利用信道,时间,空间和硬件的多样性至关重要。由于终端设备的低功耗和便宜性,其中大部分是通过与LPWA网络(如基站和后端系统)中更强大的组件的合作来实现的。 LPWA技术采用多信道和多天线通信来并行传输到和连接到设备。此外,通过使用多个信道并进行冗余传输,使通信对于干扰更具有抵抗力。

2)致密化:为了应对某些领域终端设备的密度增加,像传统蜂窝网络这样的LPWA网络将采用密集的基站部署。然而,问题是这样做要确保不会造成终端设备和密集部署的基站之间有太多的干扰。 LPWA网络的新型密集部署方法需要进一步研究,因为现有的蜂窝技术依赖于小区内和小区之间协调良好的无线电资源管理,但对于大多数LPWA技术来说这种假设是不正确的。

3)自适应信道选择和数据速率:不仅LPWA系统应该随着连接设备的数量增加而扩展,而且还应该优化单个链路以实现可靠和高能效的通信。自适应调制方案,选择更好的信道达到距离可靠,或进行自适应传输功率控制需要有效监控链路的质量以及进行终端设备与网络之间的协调。

自适应信道选择和调制的可能程度取决于基础的LPWA技术。不同的因素,例如链路不对称和最大可降低的无线电占空比可能会限制采用非常鲁棒的自适应机制的可能性。在基站无法对上行链路通信质量给出反馈和/或通知终端设备适应其通信参数的情况下,终端设备采用非常简单的机制来提高链路质量。这种机制包括经常在多个随机选择的信道上多次发送相同的分组,这样希望至少一个副本能够成功到达基站。这种机制可以提高这种尽力而为的上行链路通信的可靠性,同时保持终端设备的复杂性和成本非常低。在某些下行链路通信可以实现上行链路参数调整的情况下,基站或后端系统在选择最优参数(如信道或最优数据速率)方面起着至关重要的作用,从而提高可靠性和能量效率。

总之,在网络可扩展性和低成本终端设备的简单性之间存在有明显的折衷。大多数LPWA技术使用低功耗终端设备来以大部分不协调和随机的方式访问有限的无线电源,这限制了网络可以支持的设备数量。越来越多的最近发表的研究揭示了LPWA网络的可扩展性的实际限制。

E.服务质量

LPWA技术满足不同需求的多种应用程序。在一个极端情况下,它可以是对延迟能够容忍的智能电表应用程序,而在另一端应该在最短的时间内产生的警报的提供家庭安全的应用程序。因此,网络应该在相同的底层LPWA技术上提供某种服务质量(QoS)。对于在LPWA和移动宽带应用之间共享底层无线电资源的蜂窝标准,应为不同业务类型的共存定义相应的机制。据我们所知,目前的LPWA技术没有提供任何那怕是有限的QoS。

物联网(IoT)中的低功率广域(LPWA)网络技术设计介绍

图8、巨量IoT的应用

来源:万物云联网

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