开发者学习笔记【阿里云物联网助理工程师认证（ACA）：LPWAN技术及常用场景（一）】
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LPWAN技术及常用场景（一）
内容介绍
一．课程目标
二．LPWAN技术
三．SigFox通信技术及常用场景
四．NB-loT通信技术及常用场景
五．eMTC通信技术及常用场景
六．Cat.1通信技术及常用场景
七．LPWAN常用场景对比
八．本节知识总结
一．课程目标
学习完节课程后，你将能够:
1.了解SigFox通信技术及常用场景
2.了解NB-loT通信技术及常用场景
3.了解eMTC通信技术及常用场景
4.了解Cat.1通信技术及常用场景
二．LPWAN技术
Low-Power Wide-Area Network，低功耗广域技术的简称，是一种用在物联网，使用较低功耗、低比特率，实现远距离通讯的网络。·较于熟悉的低功耗蓝牙(BLE)、ZigBee和Wi-Fi等技术，LPWAN的传输距离更远。较于传统的蜂窝网络技术(2G3G)，LPWAN的功耗更低，电池供电的设备使用寿命可达数年。基于这两个显著特点，LPWAN可以真正使能物物互联，助力和引领物联网革命。
公共频段，无须支付频谱费用，但仍由政府对频谱的使用进行规范，确保不同技术可以相互兼容。许可频段Cellular-loT(简称C-loT)技术，使用政府授权的特定专用无线频段，需要支付频谱费用，传统电信运营商为主体部署和运营网络，技术规范基于蜂窝网络技术，并由3GPP来主导分布。
LPWAN特性
1.低功耗，一般的物联网设备无法使用电源直接供电，LPWAN使得电池供电设备使用可达数年。
2.远距离，室内或短距离的物联应用，可以使用低功耗蓝牙，ZigBee等无线技术，LPWAN针对的是室外或者远距离的无线连接需求，传输速率要求较低，所以传输距离更远，距离是公里级别。
3.低成本，用于LPWAN终端设备的射频模块，随着技术成熟度，应用普及，及物联网设备连接量的增加，一般价格在5美元左右，有些则更低。
4.大容量，传统的无线蜂窝网络首要的连接对象是人，物联网的连接对象是物，而物的数量必将远远超过人的数量，这就要求LPWAN网络有更大的容量，避免网络的拥挤和设备间的干扰。
5.低速率，高延迟等，所以不可以用于实时性特别高的应用场景中。
三．SigFox通信技术及常用场景
是一种以长距离、低功耗、低成本、低传输速率为突出特点的LPWAN技术，用于连接亿记的物理设备，使物联网真正发生。
SigFox使用类蜂窝网络的超窄带技术，使用192kHz频谱带宽的公共频段来传输信号，采用超窄带的调制方式，每条信息的传输宽度为100Hz，并且以每秒100或600bit的数据速率传输，具体速率取决于不同区域的网络配置。用100Hz超窄带频谱调制和传输数据消息，在单位频带有更高的功率密度，抗干扰能力更强，用于建设全球性的loT网络。使用公共的ISM频段，无须支付频谱费用，由政府对频谱的使用进行规范，确保不同技术可以相互兼容，类似BLE和Wi-Fi等。
SigFox网络由SigFox公司为主导进行全球部署，最大程度保证网络服务质量的统一性和稳定性，全球的SigFox网络由一家公司部署，使用到的技术都是一样的，不会出现不同公司的技术存在兼容性问题或者不稳定等等原因，使用这样的一张全球网，用户设备即可以享受到跨国的便利性，不需要漫游服务，又能连接到同等品质的网络，对于物流或者跨境等应用来说具有极大的吸引力。
SigFox应用主要集中在工业、共用事业、农业、公共部门等领域。
下图是他的网络架构图：
左侧是SigFox网络的设备，这些设备连接到SigFox基站上，设备的数据由SigFox传到SigFox云，云上的数据再推送到各公司的服务器或者推送到其他的设备终端上，实现远程对互联网设备的监控管理。
SigFox网络高质量服务
SigFox网络高质量服务主要依赖于两点:时间和频率分散、空间分散。
时间和频率分散是随机接入，是提供高质量服务的关键技术设备。发送信息的时候选择随机的频率发送信息，之后再以另外两个不同的频率发送另外两个数据副本，这样数据在传输过程中，即使某一个副本数据发生了丢失或者失真，还有其他数据库本来保证这个数据的完整性。这种对频率和时间的使用方式就是时间和频率分散。
空间分散是协作接收。协作接收的原理是任何终端不依附于某一个特定的基站，这种方式不同于蜂窝网络，设备发送的信息可以由任何附近的基站进行接收，离哪个基站近就由哪个基站来进行收发数据，这样就能够保证设备在移动的过程中最大可能的使用近距离的基站来收发数据，数据的完整性和可靠性要比远距离阶段来说发数据更可靠。在实际的部署中，每一个设备的平均接收基站数量为三个来保证网络的高质量服务，这就是所谓的空间分散。
以上是时间和频率分散和空间分散的示意图。第一个图，时间和频率分散发送数据的时候，随机选择频率发送一份信息，发送完信息之后再以两个不同的频率发送另外两个副本，发送这三份数据的时候，他们的时间是不一样的，并没有重叠，它是分散的，所以把这种方式称之为时间和频率分散。第二个图，每一个物联网设备的周边至少有三个基站，来保证这个物联网设备的信号足够强，这就是空间分散。
SigFox特点
1.低功耗，极低的能耗，可延长电池寿命，典型的电池供电设备工作可达10年。
2.简单易用，基站和设备间没有配置流程，连接请求或信令。设备在几分钟内启动并运行!
3.低成本，从设备中使用的SigFox射频模块到SigFox网络，SigFox会优化每个步骤，终端模块价格在2美金左右。
4.小消息，用户设备只允许发送很小的数据包，最多12个字节。发送的数据量小，功耗就低。例如笔记本开的应用多，CPU就会一直在工作，电扇呼呼的吹着，它的耗电量是非常快的，如果只是待机，让笔记本跑一两个非常简单的应用，比如时钟日历，耗电量就会非常小。
5.互补性，低成本和易于可发使用，SigFox作为任何其他类型网络的辅助解决方案，例如:Wi-Fi，蓝牙， GPRS等。
6.大容量，SigFox网络单个基站可以每天处理几百万条设备消息，可以同时接收并处理接近300条消息，而丢包率只有0.5%，这么低的原因是时间和频率分散，一份数据分三种频率不同的时间发送出去，即使某份数据发生了丢包或者坏掉了，其他的数据也可以弥补，另外一个是基站特别多，平均每一个设备周边的阶段有三个，不会出现没有信号、信号中断、信号不稳定，数据丢失、数据不完整的情况，所以丢包率很低，只有0.5%，所以能够保证有很高的网络服务质量。
7.远距离，SigFox使用超窄带进行数据传输，并且选用较低的传输速率，从而使得设备和基站间的链接预算(linkbudget)可达160dBm，空旷区域的信号传输距离可达几十公里。
l SigFox常用场景
1.航运物流。航运物流一般是指跨国、跨境的物流。因为SigFox公司在全球部署了SigFox网络，可以使用网络来对物流进行全球管理和定位。
2.定点设备数据采集及控制。通过网络将定点数据进行采集。然后传输到SigFox，再由SigFox传到公司的服务器或者个人应用平台。
3.提供低成本解决方案，SigFox在全球46个国家和地区，已经布了窄带SigFox，覆盖60多个国家和地区，实现非常低成本的追踪，没有漫游费。
四．NB-loT通信技术及常用场景
窄带物联网(Narrow Band Internet of ThingsNB-loT)是万物互联网络的一个重要分支。NB-loT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，和现在的移动网络兼容，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。
NB-loT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。例如日常生活中的共享单车、美的的home、欧服通信的智能宽带、菲利普斯的智能照明、NB-loT设备电池寿命可以提高至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。一个基站可以比传统的2G、蓝牙、Wi-Fi多提供50-100倍的接入终端。
NB-loT技术特点
1. 覆盖广，相比传统GSM，一个基站可以提供10倍的面积覆盖。一个NB-loT基站可以覆盖10km的范围，小县城一个基站就可以覆盖了。同时NB-loT比LTE和GPRS基站提升了20dB的增益，能覆盖到地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方。
例如在地下有可能没信号打电话，但NB-loT仍然可以通信。所以要对埋在地下的设备进行数据采集和管理，这时一般使用NB-loT。
2.海量连接，200KHz的频率可以提供10万个联接。提供的连接越多，那基站就建的少，就省钱。
3.低功耗，使用AA电池(5号电池)便可以工作十年。NB-loT引入了eDRX省电技术和PSM省电模式，进一步降低了功耗，延长了电池使用时间。在PSM模式下，终端仍旧注册在网，但信令不可达，从而使终端更长时间驻留在深睡眠以达到省电的目的。
很多互联网终端大部分时间是没有事情可做的，比如水电煤抄表，把水电煤表上的数据上传了之后就没有事情做了，就会进入休眠状态，这样可以大幅度降低他的功耗。eDRX是扩展不连续接收。DRX的是不连续的去接受信号，大部分时间休息。
举个例子，连续接收就是一个保安一天24小时不能离开工作岗位，眼睛要认真的瞪着门口看有没有异常发生。不连续接收是保安一个小时只花十分钟去看门，其他时间喝茶休息。
4.半双工模式，上行和下行在频率上分开，不会同时处理接收和发送。接收数据之后再发送或者发送之后再接收，可以满足互联网日常需求的设备采集和监控。
5.架构优，部署方便，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。也就是不需要建额外的基站，NB-loT模块只需要部署在现有的基站就可以了。
NB-loT常用场景
智慧水表、智慧燃气、智慧电网、智慧停车、智能工业、智慧照明、贵重资产跟踪、宠物追踪、智慧农业、智慧家电、智慧医疗、智能监控、自动售货、电子制造服务、报警传感器、共享单车、电子支付等。已经形成规模化应用的示范主要集中在智能水表、共享单车两个领域。下图就是共享单车的应用场景：
共享单车部署的是NB-loT终端模块，每隔一段时间将采集到的数据上传到NB-loT基站，NB-loT基站再将数据通过互联网上传到互联网平台或者对应的数字应用平台，平台上的数据再推送到控制室或者应用终端，实现远程对共享单车的控制。
