低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network，LPWAN）是面向物聯(lián)網(wǎng)中遠距離和低功耗的通信需求，近年出現(xiàn)的一種物聯(lián)網(wǎng)無線連結技術，具有覆蓋范圍廣、服務成本低、能耗低的特點，能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)社會環(huán)境下廣域范圍內(nèi)數(shù)據(jù)交換頻率低、連接成本低、漫游網(wǎng)點切換方便、適用復雜環(huán)境的連接需求，是理想的物聯(lián)方式。

低功耗廣域網(wǎng)技術主要可分為兩類：一類是基于現(xiàn)有開放標準的技術，如窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）、Halow等。此類技術雖基于全球標準，但落地需要經(jīng)過多方博弈，因此產(chǎn)業(yè)化進程較慢。另一類是企業(yè)專門開發(fā)的技術，如Sigfox、LoRa和RPMA等。這類技術已進入規(guī)模部署階段，但也面臨選型的激烈競爭。下文將對上述五個主要的低功耗廣域網(wǎng)技術的發(fā)展歷程、特點、應用前景（產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀）作簡要介紹。

1．窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）

NB-IoT基于蜂窩網(wǎng)絡，只消耗大約180KHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡、UMTS網(wǎng)絡或LTE網(wǎng)絡，以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級。

發(fā)展歷程

2013年初，華為與相關業(yè)內(nèi)廠商、運營商展開窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，并起名為LTE-M（LTE for Machine to Machine）。2014年5月，由沃達豐、中國移動、Orange、意大利電信，華為，諾基亞等公司支持的物聯(lián)網(wǎng)超低功耗蜂窩系統(tǒng)項目在3GPP GERAN工作組立項，LTE-M的名字演變?yōu)镃ellular IoT，簡稱CIoT。2015年5月，華為和高通共同宣布了NB-CIoT（Narrow Band Cellular IoT）方案。2015年8月，愛立信聯(lián)合幾家公司提出了NB-LTE（Narrow Band LTE）的概念。2015年9月，NB-CIoT和NB-LTE兩個技術方案進行融合形成了NB-IoT。

技術特點

強鏈接：在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現(xiàn)有無線技術提供50-100倍的接入數(shù)。一個扇區(qū)能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設備成本、低設備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡架構。

高覆蓋：NB-IoT室內(nèi)覆蓋能力強，比LTE提升20dB增益，相當于提升了100倍覆蓋區(qū)域能力。不僅可以滿足農(nóng)村這樣的廣覆蓋需求，對于廠區(qū)、地下車庫、井蓋這類對深度覆蓋有要求的應用同樣適用。

低功耗：NB-IoT聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應用，因此設備設備續(xù)航時間可以從過去的幾個月大幅提升到幾年。

低成本：NB-IoT無需重新建網(wǎng)，射頻和天線基本上都是復用的。

應用前景

NB-IoT促進了物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，帶來巨大的商業(yè)機會。相比面向娛樂和性能的物聯(lián)網(wǎng)應用，NB-IoT面向低端物聯(lián)網(wǎng)終端，更適合廣泛部署，可應用于以智能抄表、智能停車、智能追蹤為代表的智能家居、智能城市、智能生產(chǎn)等領域。

2016年6月16日，NB-IoT技術協(xié)議獲得了3GPP 無線接入網(wǎng)（RAN）技術規(guī)范組會議通過。在9月完成性能標準制定和12月完成一致性測試后，NB-IoT即可進入商用階段。

2．HaLow

2016年1月，Wi-Fi聯(lián)盟（Wi-Fi Alliance）發(fā)布滿足IEEE 802.11ah新標準，并將其命名為“HaLow”（低功耗長距離網(wǎng)絡），以服務更多的產(chǎn)品。

發(fā)展歷程

802.11協(xié)議組是國際電工電子工程學會（IEEE）為無線局域網(wǎng)絡制定的標準。其中，802.11b/g/n運作頻段為2.4GHz，單一天線收發(fā)頻寬40MHz速度最高為802.11n的150Mbps；802.11a/n/ac運作頻段則為5GHz，802.11ac單一天線收發(fā)80MHz頻寬最高為433Mbps；802.11ad使用60GHz 頻段傳輸，最高速率約可達6756Mbps左右，但傳輸距離并不長，加入波束成形技術也僅有10米左右而已；802.11則是專注于傳輸距離、低功耗市場的標準。

技術特點

HaLow將采用現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡協(xié)議，在1MHz下的低頻段運行，從現(xiàn)有的2.4Hz寬帶變相擴展到900MHz頻段中，從而實現(xiàn)更大范圍、更低能耗的連接。HaLow的傳輸距離可達到如今Wi-Fi的兩倍，約1km，而且不僅僅是信號傳輸距離變遠，Halow在一些對穿墻性能有著較高要求的特定環(huán)境下能夠有效連接，傳輸效能保持在100Kbps以上。

應用前景

這個新標準很大程度上對IoT物聯(lián)網(wǎng)以及連接家用設備相當關鍵的，如裝載于門內(nèi)的傳感器、燈泡、攝像頭需要足夠的能量在可能較遠的距離傳送數(shù)據(jù)至控制中心（或路由器），現(xiàn)有的Wi-Fi標準就會比較局限，尤其是在電池續(xù)航和遠距離傳輸?shù)膯栴}上。

Wi-Fi聯(lián)盟表示，HaLow標準將“廣泛采用現(xiàn)有Wi-Fi協(xié)議”，如IP連接，而且類似路由器一類新設備也將同時包含2.4GHz和5GHz頻段支持。Wi-Fi聯(lián)盟說，新標準“將促進智能家居、汽車、零售業(yè)、農(nóng)業(yè)、智能城市環(huán)境等各種注重能效的應用場景”。

3．Sigfox

Sigfox協(xié)議由成立于2009年的Sigfox公司擁有，其創(chuàng)始人是法國企業(yè)家Ludovic Le Moan。Sigfox公司專注于M2M/IoT通信，定位提供低速率、低功耗、低價格，基于Sub 1Ghz的無線網(wǎng)絡通信服務。

技術特點

Sigfox的網(wǎng)絡使用超窄帶技術（UNB）的技術，每秒處理10到1000比特的數(shù)據(jù)，它采用超窄帶技術，使得網(wǎng)絡設備消耗50～100微瓦的功率。相比較而言，移動電話通信則需要約5000微瓦。接入Sigfox網(wǎng)絡的設備每條消息最大的長度大約為12字節(jié)，并且每天每個設備所能發(fā)送的消息不能超過140條。網(wǎng)絡覆蓋范圍可以覆蓋至1000公里并且每個基站能夠處理100萬個對象。

產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

Sigfox正在建立一張與現(xiàn)今GSM/LTE網(wǎng)絡并駕齊驅的專用于物聯(lián)網(wǎng)的全球網(wǎng)絡。基于該技術的網(wǎng)絡，不僅成本遠低于傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡，而且其網(wǎng)絡所占用的900MHz無線頻段在美國不需要授權。當電信運營商更希望通過部署短波技術以最大限度地提高攜帶數(shù)據(jù)的時候，Sigfox公司反其道而行，其所使用的是波段是最長波。相對于無線局域網(wǎng)技術，Sigfox的專用網(wǎng)絡還具有覆蓋范圍廣、即買即用的特點。接入其網(wǎng)絡不需要購買網(wǎng)關、不用進行配置、也不需要設備進行配對。Sigfox商業(yè)模式是將其超窄帶網(wǎng)絡與運營商的蜂窩網(wǎng)絡搭配使用。目前，Sigfox網(wǎng)絡已經(jīng)覆蓋到西班牙、法國、俄羅斯、英國、荷蘭、美國、澳大利亞、新西蘭、德國等幾十個國家。因為價格便宜，Sigfox已經(jīng)幾乎覆蓋整個法國。

4．LoRa

2013年8月，Semtech公司發(fā)布了一種新型的基于1GHz以下的超長距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術（Long Range，簡稱LoRa）的芯片。其接受靈敏度達到了驚人的-148dbm，與業(yè)界其他先進水平的sub-GHz芯片相比，最高的接收靈敏度改善了20db以上，這確保了網(wǎng)絡連接可靠性。LoRaWAN即是基于該芯片組成的網(wǎng)絡。

技術特點

LoRaWAN最大的優(yōu)勢就是低功耗，易組網(wǎng)，成本低，傳輸距離遠等等，可以滿足長時間的運作，電池供電使用時間長達數(shù)年。目前全球大概有數(shù)百萬個物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點運用LoRa技術。LoRaWAN非常適合大規(guī)模部署，比如在智慧城市中的市政設施檢測或者無線抄表等應用領域。

LoRaWAN主要在全球免費頻段運行（即非授權頻段），包括433、868、915 MHz等。LoRaWAN主要由終端（內(nèi)置LoRa模塊）、網(wǎng)關（或稱基站）、服務器和云四部分組成，應用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。

產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

2015年3月，LoRa聯(lián)盟（LoRa Alliance）宣布成立。該聯(lián)盟由Semtech牽頭，發(fā)起成員還有法國Actility，中國AUGTEK和荷蘭皇家電信KPN等企業(yè)，到目前為止，聯(lián)盟成員數(shù)量達330多家，其中不乏IBM、思科、法國Orange等重量級廠商。

目前，LoRaWAN已經(jīng)在世界多地進行試點或部署。據(jù)LoRa聯(lián)盟早先的數(shù)據(jù)是有9個國家開始建網(wǎng)，56個國家開始進行試點；據(jù)最新公布的數(shù)據(jù)，已經(jīng)有17個國家公開宣布建網(wǎng)計劃，120多個城市地區(qū)有正在運行的LoRa網(wǎng)絡，如美國、法國、德國、澳大利亞、印度等等國家，荷蘭、瑞士、韓國等更是部署或計劃部署覆蓋全國的LoRa網(wǎng)絡。

5．RPMA

RPMA（Random Phase Multiple Access，隨機相位多址接入）由美國Ingenu公司開發(fā)。Ingenu公司之前的名稱為OnRamp，成立于2008年。Ingenu為開發(fā)人員提供了收發(fā)器模組以連接到該公司及其合作伙伴在全球范圍內(nèi)建立的RPMA網(wǎng)絡，這些網(wǎng)絡將來自終端節(jié)點的信息轉發(fā)至使用者的IT系統(tǒng)。同時，RPMA也可適用于想要搭建私有網(wǎng)絡的客戶人群。

技術特點

網(wǎng)絡覆蓋能力強。RPMA基站的網(wǎng)絡覆蓋范圍極廣，覆蓋整個美國和歐洲大陸分別只需要619個基站和1866個基站，而對應采用LoRa則分別需要10830個基站和43319個基站；采用Sigfox則分別需要6840個基站和24837個基站。基站數(shù)目的減少大大降低了物聯(lián)網(wǎng)的建設及運營成本，因而從長期來看其經(jīng)濟效益更高。

系統(tǒng)容量大。以美國大陸為例，如果物聯(lián)網(wǎng)中的設備每小時傳輸100個字節(jié)的信息，那么采用RPMA可以接入249232個設備，而采用LoRa和Sigfox則分別只能接入2673個設備和9706個設備。

能夠充分降低設備能耗，進而盡可能地延長電池的使用壽命。RPMA采用功率控制和信息傳輸確認的辦法來減少重新傳輸?shù)拇螖?shù)，終端在數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈g隔進入深度睡眠狀態(tài)來減少功耗，延長電池壽命。

采用統(tǒng)一頻率，方便漫游。RPMA技術采用的是2.4G頻段，該頻段在全球都屬于免費頻段，這樣RPMA的設備可以在全球實現(xiàn)漫游。Sigfox在歐洲使用的是868MHz的頻率，在美國使用的是915MHz的頻率，而868和915這兩個頻率在中國已被占用，實現(xiàn)漫游比較困難。

雙向通訊，可以廣播。RPMA采用的是雙向通訊的方式，可以通過廣播的方式對終端設備進行控制或升級。Sigfox采用的是單向傳輸，Lora采用的是半雙工的通訊方式。

產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

為迅速占領低功耗廣域網(wǎng)市場，Ingenu表示，該公司已經(jīng)在全球超過45個國家和地區(qū)部署其2.4GHz網(wǎng)絡RPMA，該公司目標在2016年底于美國30個城市建立600個通訊塔，覆蓋七成的美國國土。此外Ingenu也打算與更多晶片、模組及系統(tǒng)供應商建立伙伴關系，圍繞RPMA技術打造健康的生態(tài)系統(tǒng)，進一步推進RPMA的市場應用。

表1 低功耗廣域網(wǎng)主流技術指標比較一覽

資料來源：Image Source: EDN.com –Copyright 2015 UBM Americas.

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