了解低功耗广域和 WPAN 的区别

在本文中, 我们将回顾一些最常用的低功耗广域选项, 专注于蜂窝技术 (窄带物联网和 LT-M), 以及那些使用未经许可带宽的 WPAN, 罗拉/罗拉万, 和 Sigfox. 我们还将弄清楚 LPWAN 和 WPAN 技术之间的区别. 与低频无线电相比，使用更高频率的广播技术可以传输更多数据和更快的比特率. 较高的频率将需要更多的功率，而行程范围不如较低的频率. 在建筑物中, 建成区, 或有其他干扰源的区域, 范围更小. 平面中的任何频率, 由于干扰较少，开放区域的范围将比建成区更广. 学习了这些基础知识后, 我们还将指导您为您的应用选择合适的技术, 考虑到可用功率, 您需要传输的数据量, 以及你想要达到的范围.

基于射频的物联网网络

网络中有很多基于射频的物联网设备通信解决方案. 为了讨论, 我们将它们分为两类:

• 短程技术, 或蓝牙等 WPAN 技术, 无线上网, Z波, 和 Zigbee, 有短距离, 具有高或低比特率，并且有可能消耗更高或更低的功率.
• 长距离, 或低功率广域技术, 用电量低, 远距离, 和低比特率.

无线个域网 (无线局域网)

WPAN 技术范围有限, 但可以使用网状拓扑进行扩展. 网状拓扑是一种网络实现，每个设备通过它重复向附近的其他设备发送信号. 如以下内容, 您会发现 WPAN 的主要用例是那些不太关心范围的人.

无线上网

Wi-Fi 可以运行在 2.4GHz 或 5GHz. 因为这些频率更高, WIFI数据速率也更高. 每个设备都有一个 1:1 与网络路由器的关系. 正如我们之前看到的, 由于射频波的高频，通信范围将非常短. 传统 Wi-Fi 设备对功率要求更高, 这意味着大多数可用设备需要由市电供电. 无线上网 6 参数旨在降低 Wi-Fi IoT 设备的功耗，以便 IoT 设备可以使用 Wi-Fi. 然而, 使用这些新规范的设备要变得易于访问还有很长的路要走. WI-FI 非常适合需要即时传输大量数据的情况. 例如: 需要上传 4K 视频片段的摄像设备.

WI-FI解决方案适合以下应用:

• 高数据速率
• 高质量的服务 (消息传递的可能性)
• 低延迟

Wi-Fi 解决方案不太适合以下应用:

• 设备和路由器之间的范围非常广泛
• 电池供电设备

蓝牙

支持多种蓝牙模式. 与物联网最相关的模式是蓝牙低功耗 (成为). BLE 工作在 2.4GHz, 但只传输少量数据. 此外, 它还使用 FHSS 调制技术来对抗干扰. BLE蓝牙 4 以 1Mbps 实现数据传输. 蓝牙 5 使其高达 2Mbps. BLE范围可以通过Bluetooth Mesh以节点之间传递消息的方式增加, 但是您必须拥有大量节点才能在广泛的区域内保持连接.

BLE 解决方案最适合要求苛刻的应用:

• 低功耗
• 优质服务
• 低延迟
• 在中等范围内使用蓝牙网格

BLE 解决方案不适合:

• 长期使用

Zigbee 和 Z-Wave

紫蜂 工作频率分别为 1000MHz 和 2.4ghz. z 波的工作频率约为 900MHz. 信号受干扰影响更小，更容易通过较低频率的障碍物. 较低的频率导致较低的数据速率. 虽然 Z-Wave 和 Zigbee 的范围很短, 网络的整体覆盖范围可以通过网格中的多个设备进行扩展. Zigbee 和 Z-Wave 非常适合需要高质量服务和少量数据的低能耗设备, 例如, 家中的电灯开关和温度传感器.

Zigbee 和 Z-Wave 最适合:

• 低功耗
• 优质服务
• 低延迟
• 多种设备的灵活范围

Zigbee 和 Z-Wave 不适合:

• 海量数据
• 长距离

低功耗广域网 (低功耗广域网)

低功耗广域网 技术可以满足长距离和低功耗网络的要求. 如果您的网络需要覆盖长距离, 或者您需要穿越建筑物等障碍物, 那么低功耗广域解决方案是您的绝佳选择. 低功率广域解决方案跨越许可和非许可频段的一系列频率. 在以下部分中, 我们将讨论一些比较流行的 LPWAN 技术.

Cellular – the difference between LPWAN and WPAN

蜂窝网络使用许可频段, 通常在 500MHz 至 4GHz 范围内, 尽管 5G 技术可以使用接近 100GHz 的频率. 最初, 蜂窝网络是为高数据速率通信而生的, 例如, 以更高频率运行以承载大量数据的语音呼叫. 频率越高, 距离越短, 所以现在有专门针对低频物联网通信的蜂窝网络标准，以实现更远的距离. 物联网应用应考虑两个关键的蜂窝规范.

两种技术都属于 5G: 窄带物联网

• 窄带物联网, 有时称为 CAT-M2 或 CAT-NB, 是一种具有较窄频率信道宽度的蜂窝通信类别. NB-IoT 都比 LTE-M 耗电少，距离更远.
• LTE-M 比 nB-iot 具有更高的数据速率和更低的延迟. LTE-M 还具有通过 NB-IoT 实现设备移动性的优势, 所以如果设备在数据传输过程中移动, 它可以切换到另一个基站. 蜂窝网络上的数据速率在低功率广域解决方案中最高, 所以, 您可以发送的数据包大小已增加.

蜂窝解决方案的频率是允许的, 它可以减少干扰, 并且可以发送消息. 因此, 蜂窝技术提供高质量服务和低延迟. 如果您的用例需要立即采取行动, 例如一旦发生泄漏就远距离关闭燃气阀, 那么您可以考虑使用蜂窝网络.

蜂窝网络通常属于移动网络提供商. 通过为您的物联网解决方案选择蜂窝网络, 您可以根据目标区域的覆盖范围利用现有的基础设施. 尽管如此, 蜂窝物联网规范相对较新,这就是为什么网络提供商仍在设置他们的系统作为支持. 您可能还会发现您的网络提供商的覆盖范围有限，您可以选择一种或另一种规格 (窄带物联网或 LTE-M) 为您的客户服务. (笔记: 两者都不太可能由给定的网络提供商实施。)

适用于蜂窝物联网实施的一种用例是电表:

• 高数据速率和有效载荷长度
• 高质量的服务
• 低延迟

Sigfox 和 LoRa

Sigfox 和 LoRa 使用 433MHz 和 928MHz 之间的未授权频段来远距离传输低频信号. 正如我们将看到的, 这些技术有一些共同的特点. 与蜂窝网络不同, LoRa 网络和 Sigfox 使用星型网络拓扑,这意味着广播消息可以被特定范围内的任何基站接收并传递到云端. 当设备在多个基站的外部范围内时，这增加了捕获信号的机会. 与蜂窝网络相比，Sigfox 和 LoRa 都可以覆盖更长的距离并使用更少的能量. 反而, 它们都具有较慢的数据传输速度以及对数据和频率的更多限制. 每条消息可以发送更多的数据, 使用 LoRa 更频繁地广播, 并使用 Sigfox 获得最大的潜在范围.

Sigfox 和 LoRa 的共同点:

• 长距离
• 低功耗

西格福克斯

Sigfox 成立于 2010, 成为第一个现代低功耗广域. Sigfox 使用频率从 862MHz 到 928MHz 的非授权频段, 并使用超窄带调制发送 100Hz 宽的信息. 这意味着 Sigfox 设备在给定的工作范围内以随机信道传输, 它有助于减少背景噪声干扰的可能性. Sigfox 可以实现我们正在分析的所有技术的最大范围, 但由于使用了窄带，它会导致低数据速率. 所以, 每条消息必须传输少量数据，小于 12 字节.

Sigfox 用户每小时可以从设备向云端发送不超过 6 条消息 (上游的) 每天从云端到设备的消息不超过 4 条 (下游). 这些限制意味着 Sigfox 非常适合每天只需要传达几个简单值的低功耗应用.

您现在必须注册 Sigfox 公网. 但是没关系, Sigfox 允许您通过提供 PAN 技术来运行网络的私有实例.

• Sigfox的优势: 所有低功率广域选项中最长的范围.

LoRa 和 LoRaWAN

LoRa 根据地区使用 433MHz 和 928MHz 之间的未授权频段, 并使用专有的 CSS 调制方案在更宽的信道带宽和窄带上传输数据 (125, 250 和 500kHz), 这样, 可确保低噪音水平和抗干扰能力. 可以通过改变扩展因子来改变调制方案，从而以功率为代价实现更远的距离. LoRaWAN 是一种开放标准协议，定义了网关和设备之间的通信.

LoRa 的范围大于 Cellular, 但比 Sigfox 小. 尽管如此, 它具有灵活的数据包大小限制, 如果配置正确，您可以传输比使用 Sigfox 更多的数据. 您所在的区域和您想要支持的数据速率决定了 LoRa 消息的最大包大小. 更高的数据速率意味着更短的范围，因为频率更高.

市场上有许多公共 LoRaWAN 网络提供商. 但您也可以使用自己的软件和网关设置专用网络.

滚筒有多种操作:

• A级: 需要最少的功率. 设备大部分时间处于休眠状态，并在传感器值发生变化时唤醒以发送上行链路消息. 从服务器接收消息的窗口 (下游) 非常有限.
• B级: 也需要很少的能量. 设备大部分时间处于休眠状态, 但可以在传感器读数发生变化时按时唤醒并报告当前读数. 从服务器接收消息的窗口 (下游) 是有限的.
• C级: 比 A 类和 B 类设备需要更多功率, 但除非广播上行链路，否则设备一直在监听下行链路. 这些多类操作的灵活性意味着 LoRaWAN 可以服务于更广泛的用例.

LoRaWAN的优势:

• 它控制最大数据包大小, 高于 Sigfox.
• 易于建立具有成本效益的专用网络.
• 灵活的, 具有不同功率和延迟要求的设备组合在一起工作.

Conclusion – the difference between LPWAN and WPAN

低频比高频具有更长的范围，同时携带的数据更少. Wi-Fi 等 WPAN 技术, 蓝牙, Zigbee 和 Z-Wave 频率更高，距离短. 这些选项对于距离很重要的场景并不理想. 与 WPAN 技术相比，LPWAN 技术能够实现更大的覆盖范围并以更低的频率运行. 我们已确定正确的低功耗广域技术取决于您的用例. NB-IoT 和 LTE-M 等蜂窝技术是蜂窝覆盖和服务场景的绝佳选择, 低延迟和大量数据比功率更重要，因为范围可能更小. Sigfox 适用于您的数据量很少并希望以低功耗远距离传输的情况. LoRa 允许最大程度的控制, 通过简单地设置专用网络来发送大量数据的可配置能力, C 类支持更低的延迟.