使地域上分散的物聯(lián)網(wǎng)設備實現(xiàn)互連

無線連接已經(jīng)無處不在。由于 Wi-Fi 的不斷發(fā)展，我們能夠很輕松地在家中通過無線連接傳輸數(shù)兆字節(jié)的數(shù)據(jù)或使用廣域網(wǎng) (WAN) 工作。但是，如果說起智慧城市項目中局部的路燈部分，它們是如何進行通信的呢？即使是簡單的環(huán)境光傳感器和燈開關(guān)控制器，其要求與我們家庭和辦公室的基于 Wi-Fi網(wǎng)絡非常不同。此外，從照明到交通管理等應用的一切所需基本基礎設施，盡管其實施成本仍然相當可觀，但在城市中都很容易獲得?？墒?，考慮一個覆蓋農(nóng)村許多平方公里的智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)部署，將物聯(lián)網(wǎng)設備連接到合適的無線網(wǎng)絡需要一種不同于我們智能手機、筆記本電腦和家庭自動化系統(tǒng)訪問互聯(lián)網(wǎng)的方法。正如我們將在下一節(jié)中看到，低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN) 提供了一種可行的解決方案。

LPWAN 揭秘
與大多數(shù)通過Wi-Fi連接的設備不同，物聯(lián)網(wǎng)設備通常需要傳輸極少量的數(shù)據(jù)。例如，智能城市光傳感器每 10 分鐘傳輸一次環(huán)境光讀數(shù)，并響應打開或關(guān)閉照明燈的指令，其中涉及的數(shù)據(jù)量不超過幾十個字節(jié)。 LPWAN 技術(shù)具有較低數(shù)據(jù)帶寬，并且大多數(shù)情況下使用比 WAN 頻率更低的無線電頻率，再加上它們的低數(shù)據(jù)速率，因而能夠覆蓋更遠的距離。由于大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設備都依賴于電池供電，尤其是那些遠程部署的設備，因此可用于無線通信的能量有限。對于任何此類物聯(lián)網(wǎng)設備，LPWAN 的核心優(yōu)勢在于其所需的發(fā)射器功率為最低。

每種類型的 LPWAN 都有略微不同的特性。例如，大多數(shù)在未經(jīng)許可的亞GHz （sub-GHz）ISM 頻段（工業(yè)、科學和醫(yī)療）中運行，其中一個使用許可的蜂窩基礎設施。他們都具備的共同屬性是設備的電池壽命以年計算。除 Wi-SUN 外，其他所有網(wǎng)絡都使用星形網(wǎng)絡拓撲架構(gòu)。

LPWAN選擇
我們簡要回顧一下當今可用的一些最流行的 LPWAN。

Wi-Fi HaLow：該技術(shù)由 Wi-Fi 聯(lián)盟推動，也是唯一支持 TCP/IP 互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的 LPWAN，Wi-Fi HaLow 使用已經(jīng)成熟的WPA3安全方法。這種LPWAN 使用 sub-GHz 頻譜，作用距離大于 1 km，典型數(shù)據(jù)速率為 150 kbps。由于其出自 Wi-Fi IEEE 802.11 技術(shù)，更高密度的調(diào)制技術(shù)理論上可提供 86.7 Mbps 的最大速率。實際上，就電池壽命而言，這可能超出了典型 LPWAN 應用的需求。

Wi-SUN：這是唯一一種能夠提供網(wǎng)狀拓撲架構(gòu)的 LPWAN，據(jù)此部署的物聯(lián)網(wǎng)設備可以相互通信，Wi-SUN 可提供高達 4 公里的點對點距離和從 50 kbps 到 300 kbps 的數(shù)據(jù)速率。Wi-SUN使用 sub-GHz 未經(jīng)許可的無線電頻譜，其網(wǎng)狀拓撲 Wi-SUN FAN（現(xiàn)場區(qū)域網(wǎng)絡）方法具有自我成網(wǎng)和自我修復的能力，因此設備總能找到通往互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的路線。Wi-SUN的鏈路延遲（即發(fā)送和返回間隔的時間）是所有 LPWAN 中最低的，非常適合那些需要這種要求的應用。

Sigfox：作為 LPWAN 領(lǐng)域的早期進入者，Sigfox 可提供 100 bps 或 600 bps 的區(qū)域相關(guān)數(shù)據(jù)速率，并具有10 公里的城市作用范圍和高達40公里的農(nóng)村作用范圍。由于整個網(wǎng)絡的占空比非常低，Sigfox 將每天傳輸?shù)南?shù)量限制為 140 條上行和 4 條下行，數(shù)據(jù)包大小可能是所有 LPWAN 中最小的，只有 12 個字節(jié)，并且在鏈路會話期間會呈現(xiàn)安全功能。Sigfox LPWAN 由 Sigfox 公司獨家擁有，無法使用私有服務提供商網(wǎng)絡。

LoRaWAN：LoRaWAN 也是最早用于 LPWAN 的技術(shù)之一，它所能提供的最大數(shù)據(jù)速率為 27 kbps，在農(nóng)村地區(qū)的作用范圍可達 15 公里。數(shù)據(jù)安全功能包括 128 位 AES。與 Sigfox 不同，LoRaWAN每天發(fā)送的消息數(shù)量沒有限制。有幾個國家和全球性 LoRaWAN 服務提供商網(wǎng)絡，可為公共和商業(yè)客戶提供服務。

NBIoT：這是網(wǎng)絡運營商使用其許可的蜂窩基礎設施提供的唯一 LPWAN，可提供高達 127 kbps 的數(shù)據(jù)速率，但作用距離通常小于 10 公里，這是相對于基站塔臺的最大距離。 NBIoT從蜂窩行業(yè)的 3GPP 安全功能受益很多。

適合每種應用的 LPWAN
LPWAN 能夠為資源受限的物聯(lián)網(wǎng)設備提供低功耗、遠程無線網(wǎng)絡功能。對于部署在廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應用中基于傳感器的邊緣節(jié)點，所提供的數(shù)據(jù)速率綽綽有余。憑借設備的較長電池壽命（以年為單位），LPWAN 正在幫助加速物聯(lián)網(wǎng)的部署。
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