浅析低功耗广域网及在智慧城市中的应用

作者 | 沈建华、冷咏雪

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。

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：

1) 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；

2) 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；

3) 相对于极窄带体制，扩频体制具有更好抗多径能力；

4) 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：

1) 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
BW (kHz)	C/SF	Rb (kbps)	ŋb(bps/Hz)	Rb (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