什么是LPWA（Low Power Wide Area）無線通信 - 基礎(chǔ)篇

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INDEX -基礎(chǔ)篇

1. 什么是LPWA？

2. LPWA的兩大特點(diǎn)

2.1 LPWA的特點(diǎn)（1）―消耗電力低―

2.2 LPWA的特點(diǎn)（2）―遠(yuǎn)距離無線通信―

3. LPWA的種類和標(biāo)準(zhǔn)

3.1 LPWA的類型 ―蜂窩LPWA和非蜂窩LPWA―

3.2 蜂窩LPWA和非蜂窩LPWA的標(biāo)準(zhǔn)

3.3 蜂窩LPWA與非蜂窩LPWA的規(guī)格比較

專欄 ― LPWA的出現(xiàn)

INDEX -應(yīng)用篇

4. LPWA的應(yīng)用事例

5. 村田制作所的LPWA模塊

1. 什么是LPWA？

LPWA是Low Power Wide Area的縮寫，又稱LPWAN（Low Power Wide Area Network），是一種以低消耗電力、廣域和遠(yuǎn)距離通信為特點(diǎn)的無線通信技術(shù)。雖然通信數(shù)據(jù)量少且比Wi-Fi等更慢，但可以進(jìn)行超過10km的無線通信。在工廠、物流、農(nóng)業(yè)、住宅和生活基礎(chǔ)設(shè)施等的智能化過程中使用了IoT（Internet of Things）和M2M（Machine to Machine），這要求進(jìn)行少量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離通信，因此，LPWA作為其基礎(chǔ)——無線通信技術(shù)而受到了關(guān)注。

2. LPWA的兩大特點(diǎn)

對(duì)LPWA*1與其他無線通信之間的區(qū)別，特別是低消耗電力和遠(yuǎn)距離通信這些主要特點(diǎn)進(jìn)行說明。圖1顯示了在LPWA和其他無線通信中的通信距離和通信速度（數(shù)據(jù)傳輸速度）的關(guān)系。由此可見，LPWA不僅通信距離較其他通信方式更長，而且數(shù)據(jù)傳輸速度較低，即是一種低速通信方式。

圖1 LPWA與其他無線通信方式中的通信距離和通信速度的關(guān)系

*1 LPWA分為蜂窩LPWA（授權(quán)頻段）和非蜂窩LPWA（免授權(quán)頻段）。關(guān)于這些種類和多種標(biāo)準(zhǔn)，將在下面的 3. LPWA的種類和標(biāo)準(zhǔn) 中進(jìn)行了解說。

*2 NFC（Near Field Communication）是一種最大通信距離為10cm左右的無線通信技術(shù)，被翻譯為“近距離無線通信”。它被用于公共交通的非接觸式IC卡等當(dāng)中。

*3 ZigBee是一種近距離無線通信技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的直接連接和構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是低速（最大250kbps）和消耗電力低，它被用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（傳感器數(shù)據(jù)通信、家電遠(yuǎn)程控制等）。

2.1 LPWA的特點(diǎn)（1）―消耗電力低―

在智能手機(jī)等終端使用的通過4G LTE或5G進(jìn)行的數(shù)據(jù)通信中，通信速度很快，從Mbps到Gbps，通信所需的消耗電力也相應(yīng)增加。
另一方面，物聯(lián)網(wǎng)和M2M中使用的許多設(shè)備需要少量數(shù)據(jù)來進(jìn)行傳感和設(shè)備控制，因此物聯(lián)網(wǎng)和M2M通過低速通信就足以正常工作。因此，預(yù)定用于物聯(lián)網(wǎng)和M2M的LPWA由于其通信速度慢而可以保持低消耗電力。實(shí)際上，LPWA模塊的電池壽命可達(dá)10年或更長，因此，可以大幅降低物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池更換頻率等，在多種設(shè)置場(chǎng)所都能有效工作。

2.2 LPWA的特點(diǎn)（2）―遠(yuǎn)距離無線通信―

討論從幾米到幾百米的短距離數(shù)據(jù)通信時(shí)，候選者通常是Bluetooth?——無線PAN（Personal Area Network），或Wi-Fi——無線LAN（Local Area Network）的一種。另一方面，在物聯(lián)網(wǎng)和M2M等領(lǐng)域，為了監(jiān)控和操作設(shè)置在幾公里到幾十公里的廣闊范圍內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，很多情況下需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，這就需要能夠?qū)崿F(xiàn)比無線PAN和無線LAN的通信距離更遠(yuǎn)的無線技術(shù)。
LPWA就是一種旨在滿足物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的遠(yuǎn)距離通信需求的無線通信技術(shù)。用于遠(yuǎn)距離相互傳輸設(shè)置在遠(yuǎn)處的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備輸出的傳感器值、用于識(shí)別位置的數(shù)據(jù)以及發(fā)送到設(shè)備的控制數(shù)據(jù)等少量數(shù)據(jù)。

3. LPWA的種類和標(biāo)準(zhǔn)

LPWA分為蜂窩LPWA和非蜂窩LPWA*4。此外，每個(gè)種類都有自己的標(biāo)準(zhǔn)，所使用的頻帶寬度、通信距離、傳輸速度等的規(guī)格也各不相同。

*4 在日本，蜂窩LPWA有時(shí)被稱為“蜂窩系統(tǒng)”或“授權(quán)系統(tǒng)”，非蜂窩LPWA有時(shí)被稱為“非蜂窩LPWA”、“非蜂窩系統(tǒng)”或“免授權(quán)系統(tǒng)”。

3.1 LPWA的類型 ―蜂窩LPWA和非蜂窩LPWA―

首先，對(duì)使用需要無線電局許可證的頻段（授權(quán)頻段）的蜂窩LPWA和使用不需要無線局許可證的頻段（免授權(quán)頻段）的非蜂窩LPWA進(jìn)行說明。

［蜂窩LPWA（授權(quán)頻段）］

在需要無線局授權(quán)的蜂窩LPWA中，通常使用運(yùn)營商的基站和通信網(wǎng)絡(luò)（圖2）。但是，需要從配備LPWA模塊的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備到基站能穩(wěn)定通信的環(huán)境。因此，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和基站之間的區(qū)域往往是城區(qū)、居民區(qū)、工業(yè)區(qū)等人口密度較高的區(qū)域。

此外，在到基站的通信存在困難的山區(qū)和偏遠(yuǎn)島嶼等遠(yuǎn)離城區(qū)的地區(qū)，則選擇后述的非蜂窩LPWA。

圖2 蜂窩LPWA的使用示意圖

*5 SIM（Subscriber Identity Module）的字面意思是識(shí)別用戶的模塊。對(duì)于使用需要許可證的授權(quán)頻段的蜂窩LPWA，可以通過在設(shè)備或模塊中配備與簽約運(yùn)營商兼容的SIM來使用其通信網(wǎng)絡(luò)。

作為蜂窩LPWA的使用事例，有電力、煤氣和自來水等生活基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)收集，以及通過漫游*6各國運(yùn)營商的通信網(wǎng)絡(luò)來跟蹤國際物流中的包裹等。

*6 漫游一般是指允許在簽約的運(yùn)營商提供服務(wù)的地區(qū)之外使用與該運(yùn)營商合作的當(dāng)?shù)剡\(yùn)營商的通信網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)。在國際上提供的此類服務(wù)也被稱為國際漫游。

事例的詳細(xì)信息請(qǐng)參見 4. LPWA的應(yīng)用事例 | 什么是LPWA無線通信 - 應(yīng)用篇 。

［非蜂窩LPWA（免授權(quán)頻段）］

非蜂窩LPWA使用在日本國內(nèi)不需要無線電許可證的 Sub-GHz頻段——920MHz頻段。如圖3所示，不需要使用運(yùn)營商的通信網(wǎng)絡(luò)，從LPWA模塊通過網(wǎng)關(guān)*7就可以將獲得的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器或應(yīng)用服務(wù)器。

圖3 非蜂窩LPWA的通信示意圖

*7 網(wǎng)關(guān)：在無線、有線通信中，為了讓設(shè)備之間能夠通信而規(guī)定通信協(xié)議（規(guī)定通信時(shí)的步驟和數(shù)據(jù)格式等的約定）。通信協(xié)議在不同的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間無法直接進(jìn)行通信連接。網(wǎng)關(guān)是解決這個(gè)問題的設(shè)備或軟件，它通過轉(zhuǎn)換協(xié)議使中繼連接成為可能。

作為非蜂窩LPWA應(yīng)用事例，有蜂窩LPWA無法覆蓋的遠(yuǎn)距離通信用途，例如在山區(qū)或偏遠(yuǎn)島嶼等難以連接到運(yùn)營商基站的環(huán)境中的通信，以及私人網(wǎng)絡(luò)中的通信等。

事例的詳細(xì)信息請(qǐng)參見 4. LPWA的應(yīng)用事例 | 什么是LPWA無線通信 - 應(yīng)用篇 。

3.2 蜂窩LPWA和非蜂窩LPWA的標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)蜂窩LPWA和非蜂窩LPWA的標(biāo)準(zhǔn)和特點(diǎn)分別進(jìn)行解說。

［蜂窩LPWA（授權(quán)頻段）的標(biāo)準(zhǔn)］

使用運(yùn)營商的基站和通信網(wǎng)絡(luò)的蜂窩LPWA有LTE Cat. M1（LTE-M）和NB-IoT這2種標(biāo)準(zhǔn)，2種標(biāo)準(zhǔn)均使用LTE的頻帶（700MHz-3.5GHz）中可用的頻段。 每種標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)如下所示。

- LTE Cat. M1（LTE-M）

LTE Category M1的縮寫，也被稱為LTE-M（LTE for Machine-type-communication）。上下行最大速度均為1Mbps，最大通信距離為約10km。此外，在步行、騎自行車或開車等移動(dòng)時(shí)也可以進(jìn)行通信。作為用途事例，可將其用于看護(hù)兒童和追蹤物流貨物等邊移動(dòng)邊傳輸位置信息的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

- NB-IoT

Narrow Band IoT的縮寫，最大速度為上行62.50kbps，下行26.15kbps，雖然速度低，但最大通信距離為約40km。雖然它不適合在移動(dòng)時(shí)的通信，但它適合用于大范圍固定設(shè)置的智能儀表以及具有預(yù)防犯罪和報(bào)警功能的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等。

關(guān)于兩種標(biāo)準(zhǔn)之間的區(qū)別，請(qǐng)參照下一項(xiàng) 3.3 蜂窩LPWA和非蜂窩LPWA的規(guī)格比較 中的表1。
此外，關(guān)于支持這兩種標(biāo)準(zhǔn)的LPWA模塊，可以在下一頁中看到。
5. 村田制作所的LPWA模塊 | 什么是LPWA無線通信 - 應(yīng)用篇

［非蜂窩LPWA（免授權(quán)頻段）的主要標(biāo)準(zhǔn)］

非蜂窩LPWA除了LoRaWAN以外，還有Sigfox、Wi-SUN、ZETA和ELTRES等多種標(biāo)準(zhǔn)。全部標(biāo)準(zhǔn)均使用 Sub-GHz頻段，其中大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的通信速度為 100bps-250kbps左右。通信距離為從2km到100km左右，因標(biāo)準(zhǔn)的不同而有很大差別，呈現(xiàn)通信距離越長，通信速度就越低的傾向。

關(guān)于支持LoRaWAN的LPWA模塊，可以在下一頁中看到。
5. 村田制作所的LPWA模塊 | 什么是LPWA無線通信 - 應(yīng)用篇

3.3 蜂窩LPWA與非蜂窩LPWA的規(guī)格比較

以蜂窩LPWA的標(biāo)準(zhǔn)LTE CAT.M1（LTE-M）和NB-IoT以及非蜂窩LPWA的標(biāo)準(zhǔn)LoRaWAN為例，其規(guī)格如表1所示。此外，作為參考，該表中還一并列出了LTE Cat.1的規(guī)格，該規(guī)格比LPWA目前的標(biāo)準(zhǔn)具有更高的通信速度，但通信成本更高。該表主要通過比較是否需要無線局許可證（或者是否處于能與基站進(jìn)行穩(wěn)定通信的環(huán)境等）、通信距離、通信速度等，為選擇哪種標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

表1 蜂窩/非蜂窩LPWA的主要標(biāo)準(zhǔn)、與LTE（參考）的規(guī)格比較（截至2023年6月）

	LPWA的種類			LTE（參考）
	蜂窩LPWA		非蜂窩LPWA
標(biāo)準(zhǔn)	LTE Cat. M1（LTE-M）	NB-IoT	LoRaWAN	LTE Cat.1
無線局許可證	需要許可證的頻段 （授權(quán)頻段）		不需要許可證的頻段 （免授權(quán)頻段）	需要許可證的頻段 （授權(quán)頻段）
最長通信距離	約10km	約40km	幾十公里	約5km
最大通訊速度	下行1Mbps 上行1Mbps	下行26.15kbps 上行62.50kbps	下行250bps 上行250bps	下行10Mbps 上行5Mbps
發(fā)送功率	+23dBm	+23dBm	+20dBm *	+23dBm
設(shè)備電池壽命	10年或更長			-
消耗電力	Low		Low	High
成本（展開時(shí)）	Low		Low	High

* +20dBm僅限美國。歐盟/亞洲為+14dBm。

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專欄 ― LPWA的出現(xiàn)

在物聯(lián)網(wǎng)和M2M向從制造業(yè)到家庭的廣范圍普及的過程中，曾經(jīng)發(fā)生過布線成為引入瓶頸的情況。
例如，對(duì)于工廠中的通用傳感器那樣處理少量數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，如果分別連接用于供給電源和通信的電纜，則布線會(huì)變得復(fù)雜，更換設(shè)備時(shí)的工時(shí)數(shù)量也會(huì)增加，成為問題。
為了解決這個(gè)問題，人們希望能讓電池驅(qū)動(dòng)和通信實(shí)現(xiàn)無線化。然而，比如在使用Wi-Fi時(shí)，對(duì)于擁有較大場(chǎng)地的工廠設(shè)施來說，通信距離不夠，而且高速通信會(huì)導(dǎo)致電池壽命縮短等問題。此外，手機(jī)使用的LTE也是高速通信，因此，設(shè)備的消耗電力也較大，需要頻繁充電，而且還有使用成本較高的問題（實(shí)際上，一開始使用的是名為LTE Cat.1【參考：3.3 蜂窩LPWA與非蜂窩LPWA的規(guī)格比較】的標(biāo)準(zhǔn)）。工廠中的通用傳感器和家庭中的電氣產(chǎn)品控制等物聯(lián)網(wǎng)/M2M設(shè)備的通信數(shù)據(jù)量本來就少，沒必要使用高速通信。
這個(gè)問題也存在于在廣范圍內(nèi)大量設(shè)置的電氣、自來水、煤氣等生活基礎(chǔ)設(shè)施的儀表智能化中，智能儀表的通信數(shù)據(jù)較少，因此，如何以盡量低的成本實(shí)現(xiàn)低速、低消耗電力、遠(yuǎn)距離的無線通信就是需要解決的問題。

因此，需要物聯(lián)網(wǎng)/M2M用途實(shí)際所需的規(guī)格，即對(duì)少量通信數(shù)據(jù)而言已經(jīng)足夠的低速通信、由此帶來的低消耗電力和可進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信的無線技術(shù)。而且，LPWA被提議作為滿足該規(guī)格的無線技術(shù)，目前各個(gè)企業(yè)和組織都已提供LPWA標(biāo)準(zhǔn)。例如，本文中也進(jìn)行了介紹的LTE Cat.M1（LTE-M）和NB-IoT等標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)出現(xiàn)，因此，LPWA作為物聯(lián)網(wǎng)/M2M領(lǐng)域的代表性無線通信已被大范圍使用。

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INDEX -應(yīng)用篇

4. LPWA的應(yīng)用事例

4.1 生活基礎(chǔ)設(shè)施的智能化（智能儀表）［蜂窩LPWA］

4.2 住宅及設(shè)施的智能化（智能家居、智能鎖等）［蜂窩LPWA/非蜂窩LPWA］

4.3 跟蹤人和物（可穿戴設(shè)備/跟蹤器）［蜂窩LPWA］

4.4 環(huán)境監(jiān)測(cè)和農(nóng)業(yè)的智能化［蜂窩LPWA/非蜂窩LPWA］

4.5 戶外智能支付終端的使用［蜂窩LPWA］

4.6 醫(yī)療設(shè)備（CPAP裝置）的遠(yuǎn)程監(jiān)控［蜂窩LPWA］

5. 村田制作所的LPWA模塊

5.1 村田制作所的LPWA模塊的優(yōu)勢(shì)

5.2 LPWA模塊的產(chǎn)品陣容

審核編輯 黃宇