聯(lián)手5G，LPWAN正在成為智慧城市無線連接中的新勢力

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城鎮(zhèn)化已成為勢不可擋的一個(gè)全球性大趨勢。聯(lián)合國人居署新發(fā)布的《2022世界城市狀況報(bào)告》預(yù)測，到2050年全球城鎮(zhèn)人口的占比將從2021年的56%上升至68%。不過，隨著城市化的興起，很多問題隨之而來，比如環(huán)境污染、不堪重負(fù)的交通系統(tǒng)、公共安全和醫(yī)療資源緊缺等。好在，智慧城市的到來使這些問題得到了解決或有較大的緩解。

利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，智慧城市解決方案對(duì)需要關(guān)注的問題提供了近乎實(shí)時(shí)的感知，這些智能設(shè)備收集和分析的數(shù)據(jù)主要用于優(yōu)化城市的運(yùn)轉(zhuǎn)，以此形成一個(gè)完全互聯(lián)的城市環(huán)境。因此，智能城市也常常被看作是城市化的未來。

智能城市
提升大眾的生活質(zhì)量

智能城市有一個(gè)底層框架，即利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和其他信息和通信技術(shù)連接城市的各個(gè)方面。整個(gè)城市的傳感器捕獲的數(shù)據(jù)通過高速網(wǎng)絡(luò)傳輸，并轉(zhuǎn)化為可操作的信息。這些信息隨之推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，使其可以快速跟蹤流程并對(duì)不斷變化的環(huán)境做出即時(shí)反應(yīng)。

實(shí)際上，智能城市可以被看作是一種數(shù)字化轉(zhuǎn)型形式，其中涉及傳感器、儀表、機(jī)器人、攝像頭等眾多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。從使用傳感器驅(qū)動(dòng)的紅綠燈優(yōu)化交通流量，到通過根據(jù)容量或需求確定收集哪種類型的垃圾以及優(yōu)化收集卡車的收集路線來簡化垃圾收集等服務(wù)，所有這些創(chuàng)新服務(wù)都需要先進(jìn)的技術(shù)才能發(fā)揮作用。

比如，在智能城市的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)連接示例中，使用傳感器和攝像頭可以改善交通流量，從而大幅減少擁堵并提高安全性。類似的技術(shù)也可以幫助城市更好地監(jiān)測和管理廢物和資源，即節(jié)省了成本又能減少環(huán)境污染，使城市更加宜居。

在智慧城市建設(shè)中，智能電網(wǎng)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它的智能化體現(xiàn)在多個(gè)方面，其中兩個(gè)重點(diǎn)：

一是電力設(shè)施的預(yù)測性維護(hù)。智能電網(wǎng)方案主要利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備從電網(wǎng)連接元件和與其連接的發(fā)電資產(chǎn)中收集數(shù)據(jù)，包括電壓、頻率、功率負(fù)載、開關(guān)狀態(tài)、溫度、振動(dòng)等，這些參數(shù)最能描述網(wǎng)絡(luò)的狀況和工作。借助無線通信技術(shù)將這些數(shù)據(jù)上傳后，通過進(jìn)一步分析即可給出可持續(xù)性的維護(hù)方案。

二是電力線的巡查。對(duì)工作人員來說，這個(gè)工作即辛苦又危險(xiǎn)，在智慧城市方案中，這些工作可以在裝有攝像頭的直升機(jī)或無人機(jī)的協(xié)助下完成，減少了認(rèn)為因素的影響，大大提高了巡檢的可靠性。

智能電表是智能電網(wǎng)的一個(gè)應(yīng)用子集。Insider Intelligence預(yù)計(jì)，由于智能電表的采用和實(shí)施，到2035年，公用事業(yè)公司將節(jié)省1,570億美元成本。從本質(zhì)上說，智能電網(wǎng)是從自動(dòng)抄表（AMR）發(fā)展而來的，它除了及時(shí)準(zhǔn)確地讀取用戶使用情況，還能為上下游一系列應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐，比如智能電表允許用戶隨時(shí)跟蹤和查看他們的能源消耗情況。

智慧城市方案的實(shí)施還為城市公共照明基礎(chǔ)設(shè)施提供了一個(gè)發(fā)展機(jī)會(huì)。通過基于云的監(jiān)測和管理，以及與智能計(jì)量等其他城市物聯(lián)網(wǎng)功能的集成，智能照明方案在提高能源效率上表現(xiàn)極為出色。

智慧城市概念剛一提出，智能交通就被提上了日程。對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車而言，智能交通更是其發(fā)展的基礎(chǔ)。現(xiàn)在，車聯(lián)網(wǎng)建設(shè)已取得階段性成果，特別是語音搜索和位置數(shù)據(jù)功能對(duì)司機(jī)很有吸引力。隨著智能應(yīng)用程序的不斷開發(fā)，智能交通的應(yīng)用案例會(huì)越來越多。Insider Intelligence預(yù)計(jì)，到2035年，美國聯(lián)網(wǎng)汽車將占注冊(cè)汽車總數(shù)的97%。

5G聯(lián)手LPWAN
改善智能城市連接挑戰(zhàn)

在智慧城市建設(shè)中，傳感節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控設(shè)備將遍布城市的各個(gè)角落。如此大范圍的物聯(lián)網(wǎng)部署有其無可爭議的好處，但也帶來了設(shè)備連接和通信方面的挑戰(zhàn)。在現(xiàn)代智能城市的框架中，使用5G蜂窩、LPWAN無線技術(shù)和云的連接與聯(lián)網(wǎng)設(shè)備組成的智能網(wǎng)絡(luò)，提供了在不必挖掘街道、人行道和店面的情況下進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)連接的能力，是一種破壞性小、成本效益高的解決方案。智能交通系統(tǒng)就是蜂窩物聯(lián)網(wǎng)連接的理想應(yīng)用，連接對(duì)象包括交通信號(hào)控制器、交通流量計(jì)、攝像機(jī)和車載傳感器等。

相對(duì)而言，5G主要部署在中頻和毫米波段，這些頻帶具有中短傳播范圍和低穿透功率率特性，由于基礎(chǔ)設(shè)施成本的限制，僅靠5G是無法提供對(duì)城市和偏遠(yuǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)通信全覆蓋的。而低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）的出現(xiàn)恰好彌補(bǔ)了5G的短板。通過部署具有LPWAN的5G網(wǎng)絡(luò)，就可以實(shí)現(xiàn)無處不在的物聯(lián)網(wǎng)連接，使數(shù)十億智能設(shè)備能夠自主互聯(lián)，并支持大規(guī)模機(jī)器類型通信（mMTC）服務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如車聯(lián)網(wǎng)、智能計(jì)量、智能家居、智能醫(yī)療等。

傳統(tǒng)上，物聯(lián)網(wǎng)通信主要基于的是短距離通信技術(shù)，如ZigBee、藍(lán)牙低能耗（BLE）、Wi-Fi等。智能城市是提高公民生活質(zhì)量和減少碳排放的關(guān)鍵，監(jiān)測電力、空氣和水質(zhì)以及運(yùn)輸需要在堅(jiān)固、經(jīng)濟(jì)高效的網(wǎng)絡(luò)中安裝可靠的低成本傳感器。這些傳感器常常是由電池或太陽能電池供電，它們需要放置在許多位置以便提供盡可能多的數(shù)據(jù)。由于高服務(wù)需求和大量的數(shù)據(jù)交換，目前的技術(shù)和架構(gòu)將無法為智慧城市中的很多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供靈活的連接。

現(xiàn)在，具有遠(yuǎn)程、低功耗和低成本的LPWAN技術(shù)破除了這項(xiàng)技術(shù)屏障。LPWAN網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程和低功耗特性允許將這些傳感器放置在有意義的地方，技術(shù)上的低復(fù)雜度，還能將顯著降低基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)成本。

LPWAN的體系結(jié)構(gòu)

LPWAN工作在無許可證頻段，它的開發(fā)是為了允許以低數(shù)據(jù)速率和低能耗進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是它能超越設(shè)施和家庭的界限，允許在幾個(gè)設(shè)備之間以非常低的功率需求進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。有了LPWAN，路燈和其他公共基礎(chǔ)設(shè)施可以得到智能化控制和監(jiān)管，從而達(dá)到節(jié)約能源以及提高成本效益的目的。

目前市場上存在著幾種不同的LPWAN技術(shù)，如LoRaWAN、Sigfox、NB-IoT、LTE-M等，獨(dú)特的數(shù)據(jù)傳輸速率、頻率、功耗和通信范圍使得它們成為智慧城市連接方案的理想選擇。下面我們將列舉一些應(yīng)用廣泛的LPWAN技術(shù)。

1、LoRaWAN

LoRaWAN是一個(gè)基于LoRa的低功耗廣域網(wǎng)，是一種擴(kuò)頻、非蜂窩LPWAN技術(shù)，可在寬頻率上傳輸窄信號(hào)。它使用低于1GHz的無許可證的頻帶，數(shù)據(jù)速率為0.3kbps至37.5kbps，覆蓋范圍長達(dá)10公里，旨在為低成本、低電池電量的設(shè)備提供更廣泛的服務(wù)和無處不在的連接。在LPWAN技術(shù)中，LoRaWAN是無許可頻段物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的領(lǐng)跑者。易于使用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、遠(yuǎn)程、低功耗和廉價(jià)的硬件使LoRaWAN成為智能城市和工業(yè)需求的首選。但LoRaWAN也有其應(yīng)用的局限性，比如不適用于需要更低延遲的實(shí)時(shí)用例，尤其不適合某些實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)用程序。

LoRaWAN協(xié)議由LoRa聯(lián)盟定義，標(biāo)準(zhǔn)化了網(wǎng)絡(luò)中的通信和系統(tǒng)架構(gòu)，它的目標(biāo)是通過確保所有LoRaWAN產(chǎn)品和技術(shù)的互操作性來支持和促進(jìn)LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)的全球采用。LoRa可作為一個(gè)國家的一個(gè)或多個(gè)自治網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。目前，LoRa聯(lián)盟擁有一個(gè)由500家公司組成的社區(qū)，這些公司在物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)方面表現(xiàn)出色，也讓該項(xiàng)技術(shù)始終保持旺盛的創(chuàng)新活力?？梢钥隙ǖ卣f，LoRaWAN的增長將直接推動(dòng)LPWAN在未來幾年的普及。

據(jù)估計(jì)，到2027年，LPWAN的市場規(guī)模將超過800億美元，作為LPWAN技術(shù)之一，LoRaWAN將貢獻(xiàn)很大的份額。根據(jù)ABI Research的數(shù)據(jù)，全球已部署了590萬個(gè)具有LoRa設(shè)備的網(wǎng)關(guān)，3億個(gè)具有LoRa設(shè)備的端節(jié)點(diǎn)，以及181家公共網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商。到2026年，超過50%的非蜂窩LPWA連接將具有LoRa功能。

LoRa Core的產(chǎn)品組合主要由網(wǎng)關(guān)芯片和參考設(shè)計(jì)組成。Semtech的SX1301數(shù)字基帶芯片是一個(gè)巨大的數(shù)字信號(hào)處理引擎，專門為全球ISM頻段提供突破性的網(wǎng)關(guān)能力。在1MHz偏置時(shí)，可抗70dB CW干擾，可在高達(dá)9dB的負(fù)SNR和CCR下工作。擁有雙數(shù)字TX和RX無線前端接口，10個(gè)可編程并行解調(diào)路徑，非常適于智能計(jì)量和安全傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線連接。

圖1：SX1301數(shù)字基帶芯片應(yīng)用方框圖

（來源：Semtech）

LLCC68是一款Sub-GHz LoRa射頻收發(fā)芯片，適用于中等范圍的室內(nèi)和室內(nèi)外無線應(yīng)用，只有4.2mA的有源接收電流消耗，非常適合長電池壽命應(yīng)用。LLCC68同時(shí)支持LoRa模式和FSK模式，以滿足消費(fèi)者不同的應(yīng)用要求。與傳統(tǒng)的小無線產(chǎn)品相比，LLCC68的FSK模式的靈敏度更高。

在智能家居解決應(yīng)用中，SX1262、SX1268與LLCC68組成的無線連接方案可以通過高效集成功率放大器傳輸高達(dá)+22dBm的信號(hào)。Semtech在LoRa芯片設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了產(chǎn)品的易用性和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，在開發(fā)LoRa Core LLCC68芯片時(shí)，還提供了全新的參考設(shè)計(jì)。

圖2：Sub-GHz LoRa射頻收發(fā)芯片LLCC68系統(tǒng)框圖

（來源：Semtech）

2、LTE-M

LTE-M是另一種基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)的蜂窩LPWAN，在許可頻率（LTE蜂窩）頻帶上運(yùn)行。它具有高達(dá)10Mbps的下載和5Mbps的上傳數(shù)據(jù)速率，信道帶寬為20MHz。LTE-M利用現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)高效連接和室內(nèi)和地下的擴(kuò)展覆蓋。因此，它適用于需要更高吞吐量的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

3、NB-IoT

與LTE-M一樣，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）也在3GPP Release 13 LPWAN技術(shù)中。與LTE-M相比，它以更低的復(fù)雜性和更低的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行操作。NB-IoT也在許可的LTE頻帶中運(yùn)行，但具有在GSM許可頻帶（700MHz、800MHz和900MHz）中部署的靈活性。它使用雙向通信，其中正交頻分多址（OFDMA）用于下行鏈路，單載波頻分多入（SC-FDMA）用于上行鏈路，每個(gè)基站可連接5萬個(gè)設(shè)備，并使用180kHz的信道帶寬來建立通信。NB-IoT的下行數(shù)據(jù)速率為200kbps，上行數(shù)據(jù)速率為20kbps，電池壽命長達(dá)10年。NB-IoT是領(lǐng)先的蜂窩LPWAN技術(shù)，在提供高帶寬和數(shù)據(jù)速率情況下，還能保證服務(wù)質(zhì)量，現(xiàn)在主要用于長區(qū)域布局的固定設(shè)備。

u-blox公司的SARA-R4多頻段LTE-M / NB-IoT / EGPRS模塊是多頻段多模解決方案。產(chǎn)品采用小型SARA LGA外形尺寸（26.0mm x 16.0mm，96引腳），因此可以輕松地集成到緊湊的設(shè)計(jì)中，并可以從其他u-blox蜂窩模塊系列無縫引入遷移。SARA-R4系列模塊提供基于軟件的多頻段可配置性，實(shí)現(xiàn)LTE-M/NB-IoT/EGPRS無線接入技術(shù)的多區(qū)域覆蓋。

圖3：SARA-R422-00B和SARA-R422S-00B模塊簡易方框圖（來源：Mouser）

4、Sigfox

Sigfox同樣是一種遠(yuǎn)程蜂窩無線通信，通過使用其專利技術(shù)提供端到端的物聯(lián)網(wǎng)連接服務(wù)，它的PHY層協(xié)議是專有的，并且在低于1GHz的無線電頻帶的許可自由頻帶中工作，主要為低吞吐量物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和M2M應(yīng)用程序提供定制解決方案。Sigfox網(wǎng)絡(luò)協(xié)議擁有與軟件定義無線電（SDR）集成的專利基站，終端設(shè)備使用二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）調(diào)制來連接到基站。

Sigfox網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)旨在促進(jìn)低功耗下的有效通信，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程通信，使其能夠使用極少的基站進(jìn)行傳輸，有助于在廣闊的地理區(qū)域內(nèi)從Sigfox節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)收集。在開放空間中，覆蓋范圍超過40公里。對(duì)于那些有大量數(shù)據(jù)傳輸需求的應(yīng)用，很顯然Sigfox不是一個(gè)合適的選擇。

Sigfox SDR-USB100M SDR-Dongle是一個(gè)帶有軟件包可仿真Sigfox網(wǎng)絡(luò)的USB設(shè)備。SDR-USB100M以傳導(dǎo)模式運(yùn)行，與正在開發(fā)的對(duì)象兼容所有歐洲和FCC頻段。根據(jù)所使用的軟件，它允許在不考慮網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題或分析無線電信號(hào)的情況下開發(fā)應(yīng)用程序。

圖4：Sigfox SDR-USB100M SDR-Dongle

（來源：Mouser）

結(jié)語

智慧城市是指利用數(shù)字技術(shù)豐富居民生活、改善基礎(chǔ)設(shè)施、實(shí)現(xiàn)政府服務(wù)現(xiàn)代化、推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的城市地區(qū)。智能城市不僅僅是未來的概念或夢想，它們中的很多智能化應(yīng)用已經(jīng)開始走向現(xiàn)實(shí)。

憑借其高速、低延遲和更高容量的無線連接，5G成為智能城市發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)速度和容量的這一重大飛躍使得大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)部署、人工智能（AI）和量子計(jì)算等新興技術(shù)進(jìn)入企業(yè)和我們的日常生活變得切實(shí)可行。

對(duì)于那些5G無法覆蓋的通信區(qū)域和應(yīng)用，LPWAN以更低的成本和更高的生產(chǎn)率在長距離內(nèi)以較低比特率為電池供電設(shè)備提供了可靠通信保障，其中涉及了一系列無線技術(shù)，如LoRa、LTE-M、Sigfox、NB-IoT等。

LPWAN雖不能取代傳統(tǒng)的短/中端高數(shù)據(jù)技術(shù)，但可以補(bǔ)充遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，它的的輕量級(jí)協(xié)議推動(dòng)了智能城市的智能照明、智能計(jì)量、資產(chǎn)監(jiān)控和能源分配管理的建設(shè)。LPWAN和5G這樣的大規(guī)模無線網(wǎng)絡(luò)是未來智能城市大規(guī)模數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵，它們通過復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)設(shè)施為數(shù)百萬居民提供智能服務(wù)，在此過程中，LPWAN將成為智能城市基礎(chǔ)設(shè)施的核心連接方案。

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