《中华人民共和国突发事件应对法》
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。图1、连接设备的增长
屋脊线低功耗⼴域（LPWA：Low Power Wide Area）⽹络
低功耗⼴域（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）。 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。
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。
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
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。
图5、以位置为中⼼的芬兰Oulu不同地点的接收信号强度
图5、以位置为中⼼（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）。
图6、IoT的应⽤分类
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。第一代领导集体
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、长的覆盖距离王永庆的球童
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。
中国足协致歉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。
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，则终端设备确保在实际
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。
液气分离器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，或者后端系统必须更加复杂。通常，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，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移动，并抑制重复接收（如果有的话）。在数量较少的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
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