SENSORO沈建華：淺析LPWAN技術(shù)及在智慧城市中的應(yīng)用

根據(jù)知名物聯(lián)網(wǎng)分析機(jī)構(gòu)IoT Analytics預(yù)測(cè)，到2025年，物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)將達(dá)到非物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)的3倍。低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)作為物聯(lián)網(wǎng)連接的核心基礎(chǔ)設(shè)施，其業(yè)務(wù)特點(diǎn)是發(fā)送數(shù)據(jù)極小，并且為了維持電池供電設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間工作，發(fā)送周期被設(shè)定得很長(zhǎng)。從技術(shù)特點(diǎn)上來(lái)說(shuō)，低功耗廣域網(wǎng)具備三個(gè)優(yōu)勢(shì)：低功耗、遠(yuǎn)距離、大連接。

目前主流的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，按頻譜使用分類，可分為授權(quán)頻譜技術(shù)和非授權(quán)頻譜技術(shù)。授權(quán)頻譜主要是由電信運(yùn)營(yíng)商主導(dǎo)，例如NB-IoT、LTE-M；而非授權(quán)頻譜技術(shù)則由于其部署成本低、運(yùn)營(yíng)難度低、實(shí)施靈活等特點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛。

而當(dāng)前主流的非授權(quán)頻譜技術(shù)有LoRa、Sigfox、Weightless、NB-Fi等。這些技術(shù)中有的采用傳統(tǒng)調(diào)制、解調(diào)技術(shù)，例如BPSK，F(xiàn)SK，以及根據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景研發(fā)的MAC層技術(shù)；有的則是從物理層的調(diào)制、解調(diào)技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破，提升接收靈敏度，增大鏈路預(yù)算，例如LoRa。從物理層入手的優(yōu)勢(shì)在于從源頭就能提升信號(hào)覆蓋，降低部署成本。

如何提高接收靈敏度？現(xiàn)階段主要的處理方式，下文將簡(jiǎn)要分析。

一是采用擴(kuò)頻技術(shù)，利用擴(kuò)頻增益改善設(shè)備接收靈敏度。例如采用Chirp擴(kuò)頻的LoRa、DSSS擴(kuò)頻的RPMA等技術(shù)。二是降低接收信號(hào)帶寬，減小帶內(nèi)噪聲功率，改善設(shè)備靈敏度，例如Sigfox。

還有一種技術(shù)，我們稱之為擴(kuò)時(shí)或者重傳技術(shù)。目前，NB-IoT采用的就是這種方案，NB-IoT通過(guò)同一數(shù)據(jù)塊的重復(fù)傳輸，降低單位時(shí)間內(nèi)的實(shí)際傳輸速率，從而改善接收靈敏度。

上文提到的3種方式中，部分技術(shù)通過(guò)一味降低傳輸速率改善靈敏度，但真的有意義嗎？筆者認(rèn)為，答案是否定的，實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景中極少有幾個(gè)bit的傳輸需求。而在僅有的極窄帶和擴(kuò)頻技術(shù)中，擴(kuò)頻具有如下優(yōu)勢(shì)：

1.相對(duì)于極窄帶體制，擴(kuò)頻體制能夠檢測(cè)到小于噪聲功率的信號(hào)；

2.相對(duì)于極窄帶體制，擴(kuò)頻體制對(duì)干擾，噪聲，阻塞有更好的抑制能力；

3.相對(duì)于極窄帶體制，擴(kuò)頻體制具有更好抗多徑能力；

4.相對(duì)于極窄帶體制，擴(kuò)頻體制容許不同的擴(kuò)頻因子存在于同一信道，提升信道容量。

當(dāng)前，Semtech的LoRa技術(shù)申請(qǐng)了近30多篇發(fā)明專利，幾乎形成了完整的技術(shù)保護(hù)墻，在保證性能的情況下，突破其專利壁壘已十分艱難。而升哲科技的SWIC(SENSORO Wide Coverage)技術(shù)現(xiàn)已申請(qǐng)國(guó)內(nèi)發(fā)明專利23篇、國(guó)際PCT 5篇，已授權(quán)專利6篇。目前，中國(guó)僅有升哲科技一家公司開發(fā)的低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)性能可替代LoRa，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)、自主、可控，真正突破了Semtech的專利封鎖，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異性能的同時(shí)，還降低了芯片實(shí)現(xiàn)過(guò)程中乘法器的需求，從而降低成本。

解調(diào)門限對(duì)比如下：

注：C?– SWIC碼域因子，SF – LoRa擴(kuò)頻因子

1.與LoRa相比，SWIC技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

比特傳輸速率和頻譜利用率上更好，對(duì)比如下表：

2.支持雙天線分集合并，

支持雙天線分集合并，可得到2.6dB的增益，進(jìn)一步提升覆蓋距離。

頻率偏移和定時(shí)偏差容忍度要求低

頻率偏移范圍是[-0.25B,0.25B]，定時(shí)偏差容忍度是30ppm，有利于終端低成本設(shè)計(jì)。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量和網(wǎng)絡(luò)間隔離度更高

多樣性的索引資源，可有效增加網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量和網(wǎng)絡(luò)間的隔離度。

那么低功耗廣域網(wǎng)在智慧城市的建設(shè)中，到底能起到什么作用？

當(dāng)前智慧城市的建設(shè)一直在全國(guó)各地進(jìn)行，不斷提高城市的智能化水平，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用正可以解決城市中水、電、氣、消防、管廊、橋隧、洪澇、地災(zāi)等各要素?cái)?shù)據(jù)采集、傳輸、匯總的難題，采集匯總的數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步供系統(tǒng)平臺(tái)分析，從而輔助后端決策。

例如，近期在遼寧連續(xù)發(fā)生燃?xì)獗ㄊ录?，如果能盡早安裝相關(guān)傳感器，即可及早發(fā)現(xiàn)隱患，聯(lián)動(dòng)處置，避免事故發(fā)生。

隨著社會(huì)老齡化的加劇，政府鼓勵(lì)居家養(yǎng)老政策實(shí)施等多重因素之下，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)手段實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老人生理狀態(tài)、空間活動(dòng)、生活用水、用電情況等，有助于基層網(wǎng)格員、社區(qū)工作者隨時(shí)隨地掌握老人情況，老人的居家養(yǎng)老生活也多了一份科技的保障。

此外，對(duì)于危害較大的城市內(nèi)澇現(xiàn)象，如果能及早部署感知設(shè)備，聯(lián)動(dòng)市政、應(yīng)急等救援力量，精準(zhǔn)處置，可大幅減少次生災(zāi)害的發(fā)生，從而降低居民人身財(cái)產(chǎn)損失。

從綜合業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求出發(fā)，明確數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義，充分利用授權(quán)頻譜技術(shù)和非授權(quán)頻譜技術(shù)，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，助力城市治理，將會(huì)對(duì)智慧城市的建設(shè)產(chǎn)生積極影響。

編輯：fqj