浅析低功耗广域网及在智慧城市中的应用

发布时间:2021-10-29  

根据知名物联网分析机构IoT Analytics预测,到2025年,物联网连接数将达到非物联网连接数的3倍。低功耗广域网(LPWAN)作为物联网连接的核心基础设施,其业务特点是发送数据极小,并且为了维持电池供电设备的长时间工作,发送周期被设定得很长。从技术特点上来说,低功耗广域网具备三个优势:低功耗、远距离、大连接。

当前主流的物联网技术,按频谱使用分类,可分为授权频谱技术和非授权频谱技术。授权频谱主要是由电信运营商主导,例如NB-IoT、LTE-M;而非授权频谱技术则由于其部署成本低、运营难度低、实施灵活等特点,应用非常广泛。

当前主流的非授权频谱技术有LoRa、Sigfox、Weightless、NB-Fi等。这些技术中有的采用传统调制、解调技术,例如BPSK,FSK,以及根据业务场景研发的MAC层技术;有的则是从物理层的调制、解调技术上实现突破,提升接收灵敏度,增大链路预算,例如LoRa。从物理层入手的优势在于从源头就能提升信号覆盖,降低部署成本。

根据知名物联网分析机构IoT Analytics预测,到2025年,物联网连接数将达到非物联网连接数的3倍。低功耗广域网(LPWAN)作为物联网连接的核心基础设施,其业务特点是发送数据极小,并且为了维持电池供电设备的长时间工作,发送周期被设定得很长。从技术特点上来说,低功耗广域网具备三个优势:低功耗、远距离、大连接。

当前主流的物联网技术,按频谱使用分类,可分为授权频谱技术和非授权频谱技术。授权频谱主要是由电信运营商主导,例如NB-IoT、LTE-M;而非授权频谱技术则由于其部署成本低、运营难度低、实施灵活等特点,应用非常广泛。

当前主流的非授权频谱技术有LoRa、Sigfox、Weightless、NB-Fi等。这些技术中有的采用传统调制、解调技术,例如BPSK,FSK,以及根据业务场景研发的MAC层技术;有的则是从物理层的调制、解调技术上实现突破,提升接收灵敏度,增大链路预算,例如LoRa。从物理层入手的优势在于从源头就能提升信号覆盖,降低部署成本。

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如何提高接收灵敏度当前主要的处理方式下文将简要分析。

一是采用扩频技术,利用扩频增益改善设备接收灵敏度。例如采用Chirp扩频的LoRa、DSSS扩频的RPMA等技术。二是降低接收信号带宽,减小带内噪声功率,改善设备灵敏度,例如Sigfox。

还有一种技术,我们称之为扩时或者重传技术。目前,NB-IoT采用的就是这种方案,NB-IoT通过同一数据块的重复传输,降低单位时间内的实际传输速率,从而改善接收灵敏度。

上文提到的3种方式中,部分技术通过一味降低传输速率改善灵敏度,但真的有意义吗?笔者认为,答案是否定的,实际业务场景中极少有几个bit的传输需求。而在仅有的极窄带和扩频技术中,扩频具有如下优势:

相对于极窄带体制,扩频体制能够检测到小于噪声功率的信号;

相对于极窄带体制,扩频体制对干扰,噪声,阻塞有更好的抑制能力;

相对于极窄带体制,扩频体制具有更好抗多径能力;

相对于极窄带体制,扩频体制容许不同的扩频因子存在于同一信道,提升信道容量。

当前,Semtech的LoRa技术申请了近30多篇发明专利,几乎形成了完整的技术保护墙,在保证性能的情况下,突破其专利壁垒已十分艰难。而升哲科技的SWIC(SENSORO Wide Coverage)技术现已申请国内发明专利23篇、国际PCT 5篇,已授权专利6篇。目前,中国仅有升哲科技一家公司开发的低功耗物联网技术性能可替代LoRa,实现国产、自主、可控,真正突破了Semtech的专利封锁,实现了优异性能的同时,还降低了芯片实现过程中乘法器的需求,从而降低成本。

解调门限对比如下:

 

C/SF 5 6 7 8 9 10 11 12
LoRa -2.5dB -5dB -7.5dB -10dB -12.5dB -15dB -17.5dB -20dB
SWIC -2.5dB -5dB -7.5dB -10dB -12.5dB -15dB -17.5dB -21dB

 

注:C – SWIC码域因子,SF – LoRa扩频因子

与LoRa相比,SWIC技术具有如下优点:

比特传输速率和频谱利用率上更好,对比如下表:

 

BW (kHz) C/SF LoRa SWIC
    R(kbps) ŋb(bps/Hz) R(kbps) ŋb(kbps)
125 5 15.625 0.125 25 0.2
125 12 0.293 0.0023 0.3662 0.0029
500 5 62.5 0.125 100 0.2
500 12 1.1719 0.0023 1.4648 0.0029

 

支持分集合并

支持双天线分集合并,可得到2.6dB的增益,进一步提升覆盖距离。

频率偏移和定时偏差容忍度要求低

频率偏移范围是[-0.25B,0.25B],定时偏差容忍度是30ppm,有利于终端低成本设计。

网络系统容量和网络间隔离度更高

多样性的索引资源,可有效增加网络的系统容量和网络间的隔离度。

那么低功耗广域网在智慧城市的建设中,到底能起到什么作用?

当前智慧城市的建设一直在全国各地进行,不断提高城市的智能化水平,而物联网技术的应用正可以解决城市中水、电、气、消防、管廊、桥隧、洪涝、地灾等各要素数据采集、传输、汇总的难题,采集汇总的数据可以进一步供系统平台分析,从而辅助后端决策。

例如,近期在辽宁连续发生燃气爆炸事件,如果能尽早安装相关传感器,即可及早发现隐患,联动处置,避免事故发生。

随着社会老龄化的加剧,政府鼓励居家养老政策实施等多重因素之下,通过物联网手段实时监测老人生理状态、空间活动、生活用水、用电情况等,有助于基层网格员、社区工作者随时随地掌握老人情况,老人的居家养老生活也多了一份科技的保障。

此外,对于危害较大的城市内涝现象,如果能及早部署感知设备,联动市政、应急等救援力量,精准处置,可大幅减少次生灾害的发生,从而降低居民人身财产损失。

从综合业务场景需求出发,明确数据结构定义,充分利用授权频谱技术和非授权频谱技术,形成优势互补,助力城市治理,将会对智慧城市的建设产生积极影响。

如何提高接收灵敏度当前主要的处理方式下文将简要分析。

一是采用扩频技术,利用扩频增益改善设备接收灵敏度。例如采用Chirp扩频的LoRa、DSSS扩频的RPMA等技术。二是降低接收信号带宽,减小带内噪声功率,改善设备灵敏度,例如Sigfox。

还有一种技术,我们称之为扩时或者重传技术。目前,NB-IoT采用的就是这种方案,NB-IoT通过同一数据块的重复传输,降低单位时间内的实际传输速率,从而改善接收灵敏度。

上文提到的3种方式中,部分技术通过一味降低传输速率改善灵敏度,但真的有意义吗?笔者认为,答案是否定的,实际业务场景中极少有几个bit的传输需求。而在仅有的极窄带和扩频技术中,扩频具有如下优势:

相对于极窄带体制,扩频体制能够检测到小于噪声功率的信号;

相对于极窄带体制,扩频体制对干扰,噪声,阻塞有更好的抑制能力;

相对于极窄带体制,扩频体制具有更好抗多径能力;

相对于极窄带体制,扩频体制容许不同的扩频因子存在于同一信道,提升信道容量。

当前,Semtech的LoRa技术申请了近30多篇发明专利,几乎形成了完整的技术保护墙,在保证性能的情况下,突破其专利壁垒已十分艰难。而升哲科技的SWIC(SENSORO Wide Coverage)技术现已申请国内发明专利23篇、国际PCT 5篇,已授权专利6篇。目前,中国仅有升哲科技一家公司开发的低功耗物联网技术性能可替代LoRa,实现国产、自主、可控,真正突破了Semtech的专利封锁,实现了优异性能的同时,还降低了芯片实现过程中乘法器的需求,从而降低成本。

解调门限对比如下:

 

C/SF 5 6 7 8 9 10 11 12
LoRa -2.5dB -5dB -7.5dB -10dB -12.5dB -15dB -17.5dB -20dB
SWIC -2.5dB -5dB -7.5dB -10dB -12.5dB -15dB -17.5dB -21dB

 

注:C – SWIC码域因子,SF – LoRa扩频因子

与LoRa相比,SWIC技术具有如下优点:

比特传输速率和频谱利用率上更好,对比如下表:

 

BW (kHz) C/SF LoRa SWIC
    R(kbps) ŋb(bps/Hz) R(kbps) ŋb(kbps)
125 5 15.625 0.125 25 0.2
125 12 0.293 0.0023 0.3662 0.0029
500 5 62.5 0.125 100 0.2
500 12 1.1719 0.0023 1.4648 0.0029

 

支持分集合并

支持双天线分集合并,可得到2.6dB的增益,进一步提升覆盖距离。

频率偏移和定时偏差容忍度要求低

频率偏移范围是[-0.25B,0.25B],定时偏差容忍度是30ppm,有利于终端低成本设计。

网络系统容量和网络间隔离度更高

多样性的索引资源,可有效增加网络的系统容量和网络间的隔离度。

那么低功耗广域网在智慧城市的建设中,到底能起到什么作用?

当前智慧城市的建设一直在全国各地进行,不断提高城市的智能化水平,而物联网技术的应用正可以解决城市中水、电、气、消防、管廊、桥隧、洪涝、地灾等各要素数据采集、传输、汇总的难题,采集汇总的数据可以进一步供系统平台分析,从而辅助后端决策。

例如,近期在辽宁连续发生燃气爆炸事件,如果能尽早安装相关传感器,即可及早发现隐患,联动处置,避免事故发生。

随着社会老龄化的加剧,政府鼓励居家养老政策实施等多重因素之下,通过物联网手段实时监测老人生理状态、空间活动、生活用水、用电情况等,有助于基层网格员、社区工作者随时随地掌握老人情况,老人的居家养老生活也多了一份科技的保障。

此外,对于危害较大的城市内涝现象,如果能及早部署感知设备,联动市政、应急等救援力量,精准处置,可大幅减少次生灾害的发生,从而降低居民人身财产损失。

从综合业务场景需求出发,明确数据结构定义,充分利用授权频谱技术和非授权频谱技术,形成优势互补,助力城市治理,将会对智慧城市的建设产生积极影响。

文章来源于:电子工程专辑    原文链接
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