联手5G，LPWAN正在成为智慧城市无线连接中的新势力
【导读】城镇化已成为势不可挡的一个全球性大趋势。联合国人居署新发布的《2022世界城市状况报告》预测，到2050年全球城镇人口的占比将从2021年的56%上升至68%。不过，随着城市化的兴起，很多问题随之而来，比如环境污染、不堪重负的交通系统、公共安全和医疗资源紧缺等。好在，智慧城市的到来使这些问题得到了解决或有较大的缓解。
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利用网络技术的进步，智慧城市解决方案对需要关注的问题提供了近乎实时的感知，这些智能设备收集和分析的数据主要用于优化城市的运转，以此形成一个完全互联的城市环境。因此，智能城市也常常被看作是城市化的未来。
智能城市提升大众的生活质量
智能城市有一个底层框架，即利用物联网传感器、通信网络、实时数据和其他信息和通信技术连接城市的各个方面。整个城市的传感器捕获的数据通过高速网络传输，并转化为可操作的信息。这些信息随之推动了自动化技术的发展，使其可以快速跟踪流程并对不断变化的环境做出即时反应。
实际上，智能城市可以被看作是一种数字化转型形式，其中涉及传感器、仪表、机器人、摄像头等众多物联网设备。从使用传感器驱动的红绿灯优化交通流量，到通过根据容量或需求确定收集哪种类型的垃圾以及优化收集卡车的收集路线来简化垃圾收集等服务，所有这些创新服务都需要先进的技术才能发挥作用。
比如，在智能城市的蜂窝物联网连接示例中，使用传感器和摄像头可以改善交通流量，从而大幅减少拥堵并提高安全性。类似的技术也可以帮助城市更好地监测和管理废物和资源，即节省了成本又能减少环境污染，使城市更加宜居。
在智慧城市建设中，智能电网是非常重要的一个环节，它的智能化体现在多个方面，其中两个重点：
一是电力设施的预测性维护。智能电网方案主要利用物联网设备从电网连接元件和与其连接的发电资产中收集数据，包括电压、频率、功率负载、开关状态、温度、振动等，这些参数最能描述网络的状况和工作。借助无线通信技术将这些数据上传后，通过进一步分析即可给出可持续性的维护方案。
二是电力线的巡查。对工作人员来说，这个工作即辛苦又危险，在智慧城市方案中，这些工作可以在装有摄像头的直升机或无人机的协助下完成，减少了认为因素的影响，大大提高了巡检的可靠性。
智能电表是智能电网的一个应用子集。Insider Intelligence预计，由于智能电表的采用和实施，到2035年，公用事业公司将节省1,570亿美元成本。从本质上说，智能电网是从自动抄表（AMR）发展而来的，它除了及时准确地读取用户使用情况，还能为上下游一系列应用提供了数据支撑，比如智能电表允许用户随时跟踪和查看他们的能源消耗情况。
智慧城市方案的实施还为城市公共照明基础设施提供了一个发展机会。通过基于云的监测和管理，以及与智能计量等其他城市物联网功能的集成，智能照明方案在提高能源效率上表现极为出色。
智慧城市概念刚一提出，智能交通就被提上了日程。对于自动驾驶汽车而言，智能交通更是其发展的基础。现在，车联网建设已取得阶段性成果，特别是语音搜索和位置数据功能对司机很有吸引力。随着智能应用程序的不断开发，智能交通的应用案例会越来越多。Insider Intelligence预计，到2035年，美国联网汽车将占注册汽车总数的97%。
5G联手LPWAN改善智能城市连接挑战
在智慧城市建设中，传感节点和监控设备将遍布城市的各个角落。如此大范围的物联网部署有其无可争议的好处，但也带来了设备连接和通信方面的挑战。在现代智能城市的框架中，使用5G蜂窝、LPWAN无线技术和云的连接与联网设备组成的智能网络，提供了在不必挖掘街道、人行道和店面的情况下进行互联网连接的能力，是一种破坏性小、成本效益高的解决方案。智能交通系统就是蜂窝物联网连接的理想应用，连接对象包括交通信号控制器、交通流量计、摄像机和车载传感器等。
相对而言，5G主要部署在中频和毫米波段，这些频带具有中短传播范围和低穿透功率率特性，由于基础设施成本的限制，仅靠5G是无法提供对城市和偏远区域实现通信全覆盖的。而低功耗广域网（LPWAN）的出现恰好弥补了5G的短板。通过部署具有LPWAN的5G网络，就可以实现无处不在的物联网连接，使数十亿智能设备能够自主互联，并支持大规模机器类型通信（mMTC）服务和物联网应用，如车联网、智能计量、智能家居、智能医疗等。
传统上，物联网通信主要基于的是短距离通信技术，如ZigBee、蓝牙低能耗（BLE）、Wi-Fi等。智能城市是提高公民生活质量和减少碳排放的关键，监测电力、空气和水质以及运输需要在坚固、经济高效的网络中安装可靠的低成本传感器。这些传感器常常是由电池或太阳能电池供电，它们需要放置在许多位置以便提供尽可能多的数据。由于高服务需求和大量的数据交换，目前的技术和架构将无法为智慧城市中的很多物联网应用提供灵活的连接。
现在，具有远程、低功耗和低成本的LPWAN技术破除了这项技术屏障。LPWAN网络的远程和低功耗特性允许将这些传感器放置在有意义的地方，技术上的低复杂度，还能将显著降低基础设施的建设成本。
LPWAN的体系结构
LPWAN工作在无许可证频段，它的开发是为了允许以低数据速率和低能耗进行远程通信。这项技术的一个关键点是它能超越设施和家庭的界限，允许在几个设备之间以非常低的功率需求进行远程通信。有了LPWAN，路灯和其他公共基础设施可以得到智能化控制和监管，从而达到节约能源以及提高成本效益的目的。
目前市场上存在着几种不同的LPWAN技术，如LoRaWAN、Sigfox、NB-IoT、LTE-M等，独特的数据传输速率、频率、功耗和通信范围使得它们成为智慧城市连接方案的理想选择。下面我们将列举一些应用广泛的LPWAN技术。
1、LoRaWAN
LoRaWAN是一个基于LoRa的低功耗广域网，是一种扩频、非蜂窝LPWAN技术，可在宽频率上传输窄信号。它使用低于1GHz的无许可证的频带，数据速率为0.3kbps至37.5kbps，覆盖范围长达10公里，旨在为低成本、低电池电量的设备提供更广泛的服务和无处不在的连接。在LPWAN技术中，LoRaWAN是无许可频段物联网应用的领跑者。易于使用的网络拓扑、远程、低功耗和廉价的硬件使LoRaWAN成为智能城市和工业需求的首选。但LoRaWAN也有其应用的局限性，比如不适用于需要更低延迟的实时用例，尤其不适合某些实时监控应用程序。
LoRaWAN协议由LoRa联盟定义，标准化了网络中的通信和系统架构，它的目标是通过确保所有LoRaWAN产品和技术的互操作性来支持和促进LoRaWAN标准的全球采用。LoRa可作为一个国家的一个或多个自治网络应用。目前，LoRa联盟拥有一个由500家公司组成的社区，这些公司在物联网开发方面表现出色，也让该项技术始终保持旺盛的创新活力。可以肯定地说，LoRaWAN的增长将直接推动LPWAN在未来几年的普及。
据估计，到2027年，LPWAN的市场规模将超过800亿美元，作为LPWAN技术之一，LoRaWAN将贡献很大的份额。根据ABI Research的数据，全球已部署了590万个具有LoRa设备的网关，3亿个具有LoRa设备的端节点，以及181家公共网络运营商。到2026年，超过50%的非蜂窝LPWA连接将具有LoRa功能。
LoRa Core的产品组合主要由网关芯片和参考设计组成。Semtech的SX1301数字基带芯片是一个巨大的数字信号处理引擎，专门为全球ISM频段提供突破性的网关能力。在1MHz偏置时，可抗70dB CW干扰，可在高达9dB的负SNR和CCR下工作。拥有双数字TX和RX无线前端接口，10个可编程并行解调路径，非常适于智能计量和安全传感器网络的无线连接。
图1：SX1301数字基带芯片应用方框图
（来源：Semtech）
LLCC68是一款Sub-GHz LoRa射频收发芯片，适用于中等范围的室内和室内外无线应用，只有4.2mA的有源接收电流消耗，非常适合长电池寿命应用。LLCC68同时支持LoRa模式和FSK模式，以满足消费者不同的应用要求。与传统的小无线产品相比，LLCC68的FSK模式的灵敏度更高。
在智能家居解决应用中，SX1262、SX1268与LLCC68组成的无线连接方案可以通过高效集成功率放大器传输高达+22dBm的信号。Semtech在LoRa芯片设计时充分考虑了产品的易用性和系统的设计成本，在开发LoRa Core LLCC68芯片时，还提供了全新的参考设计。
图2：Sub-GHz LoRa射频收发芯片LLCC68系统框图
（来源：Semtech）
2、LTE-M
LTE-M是另一种基于3GPP标准的蜂窝LPWAN，在许可频率（LTE蜂窝）频带上运行。它具有高达10Mbps的下载和5Mbps的上传数据速率，信道带宽为20MHz。LTE-M利用现有的LTE网络基础设施实现高效连接和室内和地下的扩展覆盖。因此，它适用于需要更高吞吐量的物联网应用。
3、NB-IoT
与LTE-M一样，窄带物联网（NB-IoT）也在3GPP Release 13 LPWAN技术中。与LTE-M相比，它以更低的复杂性和更低的数据速率进行操作。NB-IoT也在许可的LTE频带中运行，但具有在GSM许可频带（700MHz、800MHz和900MHz）中部署的灵活性。它使用双向通信，其中正交频分多址（OFDMA）用于下行链路，单载波频分多入（SC-FDMA）用于上行链路，每个基站可连接5万个设备，并使用180kHz的信道带宽来建立通信。NB-IoT的下行数据速率为200kbps，上行数据速率为20kbps，电池寿命长达10年。NB-IoT是领先的蜂窝LPWAN技术，在提供高带宽和数据速率情况下，还能保证服务质量，现在主要用于长区域布局的固定设备。
u-blox公司的SARA-R4多频段LTE-M / NB-IoT / EGPRS模块是多频段多模解决方案。产品采用小型SARA LGA外形尺寸（26.0mm x 16.0mm，96引脚），因此可以轻松地集成到紧凑的设计中，并可以从其他u-blox蜂窝模块系列无缝引入迁移。SARA-R4系列模块提供基于软件的多频段可配置性，实现LTE-M/NB-IoT/EGPRS无线接入技术的多区域覆盖。
图3：SARA-R422-00B和SARA-R422S-00B模块简易方框图（来源：Mouser）
4、Sigfox
Sigfox同样是一种远程蜂窝无线通信，通过使用其专利技术提供端到端的物联网连接服务，它的PHY层协议是专有的，并且在低于1GHz的无线电频带的许可自由频带中工作，主要为低吞吐量物联网（IoT）和M2M应用程序提供定制解决方案。Sigfox网络协议拥有与软件定义无线电（SDR）集成的专利基站，终端设备使用二进制相移键控（BPSK）调制来连接到基站。
Sigfox网络的设计旨在促进低功耗下的有效通信，实现了物联网远程通信，使其能够使用极少的基站进行传输，有助于在广阔的地理区域内从Sigfox节点进行远程控制和数据收集。在开放空间中，覆盖范围超过40公里。对于那些有大量数据传输需求的应用，很显然Sigfox不是一个合适的选择。
Sigfox SDR-USB100M SDR-Dongle是一个带有软件包可仿真Sigfox网络的USB设备。SDR-USB100M以传导模式运行，与正在开发的对象兼容所有欧洲和FCC频段。根据所使用的软件，它允许在不考虑网络覆盖问题或分析无线电信号的情况下开发应用程序。
图4：Sigfox SDR-USB100M SDR-Dongle
（来源：Mouser）
结语
智慧城市是指利用数字技术丰富居民生活、改善基础设施、实现政府服务现代化、推动可持续发展和促进经济发展的城市地区。智能城市不仅仅是未来的概念或梦想，它们中的很多智能化应用已经开始走向现实。
凭借其高速、低延迟和更高容量的无线连接，5G成为智能城市发展的一个关键转折点。网络速度和容量的这一重大飞跃使得大规模物联网部署、人工智能（AI）和量子计算等新兴技术进入企业和我们的日常生活变得切实可行。
对于那些5G无法覆盖的通信区域和应用，LPWAN以更低的成本和更高的生产率在长距离内以较低比特率为电池供电设备提供了可靠通信保障，其中涉及了一系列无线技术，如LoRa、LTE-M、Sigfox、NB-IoT等。
LPWAN虽不能取代传统的短/中端高数据技术，但可以补充远程物联网应用，它的的轻量级协议推动了智能城市的智能照明、智能计量、资产监控和能源分配管理的建设。LPWAN和5G这样的大规模无线网络是未来智能城市大规模数据通信的关键，它们通过复杂的通信网络和基础设施为数百万居民提供智能服务，在此过程中，LPWAN将成为智能城市基础设施的核心连接方案。
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