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低功耗、广域网（LPWA）并不是一个新现象
物联网（IOT）的增长，使它们变得越来越流行。
广域网会被采用的原因是无线网络如蓝牙，BLE、WiFi和ZigBee都不适合远距离传送和蜂窝M2M网络。因为这些都需要昂贵而功率消耗性大的硬件和服务配合。但LPWA技术则非常适合用于连接需要通过远距离发送少量数据的设备，同时保持长的电池寿命。一些物联网应用程序只需要发送少量数据的信息，例如停车库传感器。当一个现场有反应或被使用时，数据才需要被发送。由于这种装置只需配置低功耗的设备，便可以最小的成本和电池消耗进行工作。
LPWA特点
长距离：基於不同的部署技术，数据传输距离可达10公里以上。
低数据速率：每秒小于5000位和每日只会传送数次。每封邮件通常只有20-256字节。
低功耗：这使电池寿命非常长，可维持5至10年。
以下的两个区域是最适合应用LPWA的技术
固定，中到高的密度连接
在城市或建筑物群中，使用LPWA进行M2M蜂窝连接的例子有：智能照明控制器、配电自动化（智能电网）和校园或城市的GPS资产跟踪。
长的电池寿命供电应用
可以提供比传统技术更长的距离和长的电池寿命，例子包括广域水表，煤气探测器，智能农业，电池供电的门锁和接入控制点。
LPWANs的最佳特点
不同的无线技术需不同的地址应用，因此在调制和频方案都需要变化。在物联网的远程应用程序需要低带宽是典型的要求，但现有的技术並不能支持。
网络配置
许多Link Labs的 LPWA 客户都曾尝试使用网状拓扑网络解决无线连接的问题。因为网状网络可以解决高数据速率和低接收器灵敏度使链路预算有限的问题，所以他们唯有选择这个解决方案。
当数据发送超过20-30米时，有些“ZigBee” 的连接会出现问题，因为当中的功率流失率很高。此外，其他人已被实际建立一个可靠的网状拓扑网络基础设施所需的时间而感到惊讶。
除了网状拓扑网络，很多LPWA技术是使用星形拓扑网络。这与WiFi的连接类似，星形网络的端点被直接连接到所述的接入点。Link Labs可以使用中继器来填补空白的覆盖范围。对于大多数应用程序，在潜在态、可靠性和覆盖范围方面，这是良好的中间地带在。
LPWAN的基本概念
范围比与数据速率
为了达到长距离范围的无线通信，你需要一个尺度的连续预算。
换句话说，当信号到达后，需要有足够的能量被接收器检测到。因为功率会在它传播通过空间和材料之间流失，这是正确传送信号所需的基线量。
LPWAN技术一般用大约140-160 分贝（dB）的总路径，它在适当的条件下可以添加多达几英里范围，例如高的接收灵敏度 。在LPWAN技术中，接收器灵敏度多是-130 dBm以上，而在许多传统的无线技术是-90至-110 dBm之间。使用-130 dBm的技术可以检测到比-90 dBm的技术弱10000倍的信号，所以 LPWAN的高灵敏度十分重要。
基于香农公式或信息理论，较慢的调制率或较高的接收灵敏度都可以做到。其中指出，每个符号的能量或每个比特的能量是主杆，会影响到信息被听到的可能性。减慢一半的调制速率，每个符号可以拥有两倍的能量。因此，可以增加链路预算或接收灵敏度。
Sigfox是一个如何连接调制率及范围的例子。Sigfox使用的发送数据为标准无线传输方法的二进制移相键控（BPSK）。調製率是300個基點，在现代是极其缓慢的。但由於這種緩慢的調製速率，他們能夠用更少的基站但得到很大的範圍。在美國，Sigfox調製速度是較高的，否則他們不能滿足FCC第15部分的要求，即一個傳輸可以在空氣中的最大時間為0.4秒。
Link Lab的 Symphony Link使用連續可變的數據率，其调整率根据来自端节点的信道衰落而估計。換句話說，每個信號都得到足夠的能量鏈接。
处理增益
处理增益的技术定义是射频（RF）带宽至未扩展带宽的比率，通常以分贝(dB)表示
有一个简单的想法是：想象你坐在电视屏幕前，所有你看到的都是静态的。静态可以被认为是噪声的可视化表示。现在让我们假设你能够按下电视遥控器的暂停來定格静态，把透明片放到度到电视屏幕前，直至色彩复制在所有的黑色像素上，形成一个复制品，並标签為静态“X”。你可以再次按下播放，并与手上的透明片對比，直到你看到类似的图形框架。一旦发生这种情况，你可以说，有人在传输静态X.
当在更真实的术语，处理增益图會显示当信号通过RF频谱混合，它是唯一會检测的是你处理的所有噪音，并有过滤器看着。负向分贝信噪比（SNR）表示该信号是低於本底噪声：它不能用简单的接收器，除非你正在寻找到它。这概括地说是处理增益。
作为另一实例，Sigfox技术是有BPSK非常窄带信号和窄通道尺寸。微弱的信号會更容易在狭窄的通道被检测到。相對於像LoRa的宽带信号，本底噪声在窄带信号更有效。这是因为噪声在整个频谱扩展。如果你的接收器带宽越小，则噪声水平會较小。然而，传统的频移键控（FSK）是通过一个载波的频率的变化传输信息，當中没有“处理”或“编码”增益。这意味着它们必须有一个正向信噪比约10分贝，以检测信号。
使用编码时，信号可以检测高达-20分贝信噪比。码分多址（CDMA）信号如Ingenu’s或LoRa使用的线性调频扩频（CSS）调制，较高接收器的本底噪声的影响被处理增益缓解。在大多数情况下，编码信号比窄带信号在最小可检测能量方面更好，但它们也有相关的缺点，我们将在下面讨论。
带宽和噪声
想想这样说：你透过针孔看到的光线會比透过纸巾卷看到較少。该相同的逻辑可应用于电波。
100Hz的窄带信道具有约-154 dB的热杂讯层,这意味着如果你需要10dB SNR,你的理想接收器(理论最大灵敏度)会是-144 dBm(除非你使用的编码)。如果在信道使用编码,那么你就可以以相同的灵敏度得到低于噪声基底,但需要带宽传播能量。
Symphony Link使用125 kHz的信道,具有-124 dBm热噪声功率。由于可以实现高达20 dB的编码增益, 最高理论感光度是-144 dBm。
干扰
基于噪声和带宽之间的比较，你明白到窄带信道和编码信道之间的理论是一样的。
但在LPWA方面的人很多都不同意以噪音來決定哪种技术更好。 例如，TEXAS INSTRUMENTS 的RF通信。
窄带噪声可以认为实际窄信号高于本底噪声。如果一个窄带系统（如Sigfox）在一个微小的100Hz的通道，通道隔壁可以放大声，而且还不会被影响。但在同一个通道有干扰，這會被破坏。
在窄带噪声，其中大部分在900MHz的ISM频段都受到干扰。如果一个窄带信号受到“破坏”，則具有差的阻塞性能。然而，窄带系统有大于50分贝的邻道抑制。
宽频带噪声如广泛噪声可以有效地提高噪声本底。相對於窄带的干扰，宽带和编码系统會有較少問題，因为它只增加该频带中的总噪声。
想知道哪个系统更好？坦率地说，我们不知道，因为它取决于环境的具体情况。这是在LPWAN空间中被广泛讨论，但我们不会本文中作任何揣测。
上述提到的技术在授权频段的工作做得不错。事实上，他们工作可以更好，因为有来自其他用户的干扰少。但有什么问题？当使用许可频段，你必须重新工具MAC方案，以应对不同的通道大小和间距等。例如，在一个许可频谱，可能只有小于1 MHz的频谱，而在免授权频段，你可有26兆赫。
无论编码和窄带信号在许可频谱方面都做得不错，但在频谱效率和容量则成为了问是。（我们将在正交的部分深入讨论这个问题）。本质上，面临的挑战是如何尽可能让更多的数据流入频带。在FCC第15和ETSI规则下，作为一个许可证持有者，你有更多的自由使用你的频谱来特显你的优势。
然而，在不久将来授权与未经授权频谱的问题可能不会再成为一个问题 。据电信部门TV4一篇文章指出，在2015年8月，GSM协会（全球移动通信系统协会，由全球移动运营商组成） 宣布，他们计划在今年年底在许可频谱上将LPWAN技术标准化。这已经获得不同公司拥护和认可，如“AT＆T，KDDI，NTT DOCOMO，Ooredoo，Orange，Telstra，加拿大贝尔，中国移动，中国电信，中国联通，德国电信，阿联酋电信，新加坡电信，意大利电信，西班牙电信，挪威电信和沃达丰”。我们对这LPWAN的消息和GSM协会提出的时间表感到兴趣 。
授权與非授权
目前，大多数LPWA技术使用未经授权频段。在美国，Sigfox和Link Labs 都使用900MHz的ISM频段。在欧洲，使用868MHz波段。 在ON-RAMP使用2.4 GHz频段。
上述提到的技术在授权频段的工作做得不错。事实上，他们工作可以更好，因为有来自其他用户的干扰少。但有什么问题？当使用许可频段，你必须重新工具MAC方案，以应对不同的通道大小和间距等。例如，在一个许可频谱，可能只有小于1 MHz的频谱，而在免授权频段，你可有26兆赫。
无论编码和窄带信号在许可频谱方面都做得不错，但在频谱效率和容量则成为了问是。（我们将在正交的部分深入讨论这个问题）。本质上，面临的挑战是如何尽可能让更多的数据流入频带。在FCC第15和ETSI规则下，作为一个许可证持有者，你有更多的自由使用你的频谱来特显你的优势。
然而，在不久将来授权与未经授权频谱的问题可能不会再成为一个问题 。据电信部门TV4一篇文章指出，在2015年8月，GSM协会（全球移动通信系统协会，由全球移动运营商组成） 宣布，他们计划在今年年底在许可频谱上将LPWAN技术标准化。这已经获得不同公司拥护和认可，如“AT＆T，KDDI，NTT DOCOMO，Ooredoo，Orange，Telstra，加拿大贝尔，中国移动，中国电信，中国联通，德国电信，阿联酋电信，新加坡电信，意大利电信，西班牙电信，挪威电信和沃达丰”。我们对这LPWAN的消息和GSM协会提出的时间表感到兴趣。
GHz子频谱在全球的可用性
在900／868 MHz频段，可能是LPWAN技术最大的缺点。
每个国家都有对于GHz子频谱都有不同的规则。通常有两种规则：遵循欧洲（868兆赫）或遵循美国（915兆赫）。 915 MHz频段仅全球三分之一地方使用，还有一些国家没有任何可用的频段。事实上，许多国家都增加了特别的注意事项，使标准化几乎是不可能的。除非这个问题解决了，否则LPWAN技术在全球没有像蓝牙和WiFi拥有一个可用的频段。
Link Labs试图让无线在不同的频谱电扫描接入点，并告诉端点如何行动和在哪里发射来解决问题。这是GHz子频谱广泛标准化将面临大问题的。（我们建议您阅读“Worldwide sub-GHz bands” 指南以获取更多信息。）
定位能力
测量射频信号的位置是根据实际上转换到达时间和路径长度而推算。当测量到时间，绝对能够检测到其路径。
推算一个RF信号的位置（或者真正到达时间）需要两件事情：足够的能量来检测路径和足够的带宽解决在路径中的多径反射。
想象一下，你在客厅，有人在卧室打闪光灯。你看不到这个人，但你可以看到闪光灯，因为光线是到处弹跳和墙壁的折射。在网络定位能力的讨论上，这种类型的透光性将被视为多路径（或非直接路径）。
大多数LPWAN技术并不是接收直接路径，而是接收多径信道。对于数据接收是一件好事，因为这常常收到反弹的微弱信号，但它也意味着LPWAN技术是不理想的定位。不幸的是，没有平均值可以改变，因为是物理定律。平均值只会有用于事情是移动（在空间和频率），并且在大多数LPWAN系统，但这两个都没发生。
在另一方面，如果你使用的无线电波，你必须能够检测到路径。如果您无法做到这一点，有可能会造成一个巨而大不确定性的领域。例如，您使用错误计算来测量，有可能圈画了一公里范围的不确定性圈。
信号带宽是必需的，因为需要确定在路径中两个信号之间的长度（直接路径和多径反射）的信号带宽函数。窄带信号（100赫兹）不可能被用于基于时间的精确测量，甚至125 kHz的LORA信号只有约1公里的多路径分辨率能力。这意味着，如果直接路径与反射路径的不同少于一公里长度，测量将是不准确的。
由于这些限制，我们鼓励那些谁需要定位能力使用GPS或基于邻近的RFID。
正交
当两个线成直角，这意味着他们都是直角。 RF领域中“Hijacked”这个名词，意味着两个同时信号都可被检测到。
正交是在相同的信道同一时间检测多个数据。这是编码信道其中一个特征，它提供了在宽的频带系统有效得到频谱效率的解决方案。因为编码信号跨越大的光谱，这些信号会占用更多频率。但是，窄带信号可以包含相当多的流量在相同的带宽。如果同时有多个编码数据流在同一个地方，你应放弃编码频谱 。因为 FSK系统不能同时检测多于一个的信号。如果两个信号同时间使用相同的信道，只较强的信号将被解码 。
MAC协议的重要
归根结底，LPWAN技术的价值不是基本於RF特性和假设“链路关闭”。最终用户重視的是：有能力创建网络，控制，并提供双向数据流。 MAC的实行限制和特徵功能理解是非常重要。
以下是Link Labs LPWAN的SYMPHONY Link系统特点：
- 使用中继器来填补覆盖范圍
- 实时自動适应数据速率
- 开放式标准
- 支持国际漫游（多频带）
- 100％ 消息确认
- 上行功率控制
- 服务的实时性
- 交接
- 避免干扰
- 支持Internet离线操作
顶级LPWAN平台与技术
下面是LPWAN的六个关键及技术的优缺点列表说明。
Link Labs
Link Labs 建设一个支持LORA联盟标准的硬件，并开发了专有的系统，及提供先进的功能。 Symphony Link是Link Labs 的LPWAN解决方案。它使用LoRa 物理层，而不是标准LoRaWAN MAC架构。它的范围是WiFi的100倍，如市面上大多数竞争对手，成本效益远远超过蜂窝网络。 Symphony Link网关是一款8通道的亚GHz基站，是理想的工业或城市监控应用，如智能泊车咪表或智能室内和室外照明。 Link Labs的收发器模块允许开发者的设备进行远程通信。这些装置在915MHz的ISM频段和ETSI认证的868 MHz频带使用。
优势
- 由于高的灵敏度（高达-137 dBm）可范围達15英里
- 灵活的技术能够在许可或未经许可的频段部署，从150 MHz到1 GHz都可以。
- 最先进的MAC功能。
注意事项
- 需要LORA芯片组和Symphony Link 的特定软件。
Nwave
Nwave运行了超窄带（UNB）电波，它在工作用低于1 GHz ISM的频段。 Link Labs使用了星型拓扑结构，允许直接基站通信。 Nwave的频段是"先进解调技术"，这为了让网络与无线电无共存而没有额外的噪声技术。
优势
类似Sigfox，但有更好的MAC层。
注意事项
很少人知道这项技术。
Ingenu（前身为上线管道）
Ingenu无线技术的RPA(Random Phase Multiple Access)是其专属封闭式通讯技术。他们将自已从市场上的灵活网络体系区分出来。 Nwave 拥有好的MAC层。Ingenu认为RPMA是创建设备网络制式的协议,如IEEE802.15.4k工作组,专门为低能源基础设施监控的创始成员之一。
优势
- 好的技术栈
- 非常高的容量
- 良好的商业牵引
注意事项
- 使用2.4GHz，會有很多的干扰。
- 在高频率下，传播损耗會更显著。
- 它们的基础技术需要高功率处理，所以它并不适合于电池供电的应用。
Sigfox
Sigfox设置了天线塔（如移动电话公司），接收从设备如倒车雷达或水表传输的数据。正如我们前面所讨论，数据传输发生在868或915 MHz频段。
Sigfox无线系统使用BPSK发送的数据是非常少量（12字节）及非常缓慢（300波特）。Sigfox的长距离能力是长而慢。在上述的信息论指出，消息越慢就越容易"听"。
这项技术是非常适合需要发送的数据小，不频繁发送的应用程序。如基本的报警系统，位置监控和简单的计量等单向系统都是合适的应用例子。在这些网络中，信号通常发送了几次“确保”的消息经过。但有一定的局限性，如电池寿命缩短和无法保证消息是被天线塔接收。
优势
- Sigfox可以應用在很多方面。
- 有良好生态系统的无线供应商如Texas Instruments、Silicon Labs、Axom及其他技术支持。
注意事项
- 目前Sigfox仅提供上行传感器应用但下载流量是非常有限的。
- 在同一个时间内，用户只可发送15字节的信息和每天只可发送约10条消息。
- 只可应用在是非常简单的设备。
- 虽然Sigfox声称自己是在研究双向网络，但尚未使用。如果他们成功使用，更多种类的应用程序可被使用。
- 他们面临最大的挑战是将进入美国市场的技术。根据FCC第15部分，一个传输可以是在空气中的最大时间为0.4秒。由于Sigfox传输需要 3秒左右，这已是一个新的体系结构，这很可能是他们在美国所部署的时间比承诺时间慢的原因。在美国使用的频带比在欧洲使用的频带所受的干扰多。
Weightless
Weightless是一个开放的标准。他们认为一个全球性的标准可以通过开放式软件创新来实现。如其他技术一樣，Weightless协议在亞1 GHz免许可频段运行。
优势
- 他们提供三个开放标准给用户选择。Weightless-N可以是一个简单的单向定向标准，可达至长的电池寿命（约10年）和低的总体成本。 Weightless亦可以是双向通信，但电池寿命变短和高的网络成本。 Weightless-W是最广泛的选项，因为它运行了未使用的电视频谱，但也有一些缺点。
- Weightless有开放的生态系统，这意味着有更多的开源软件和可用的供应商。Weightless特别兴趣小组(SIG) 是非盈利性组织，成立是为了发展开放标准，并测试将来的技术。
注意事项
- 最广泛使用的Weightless-W的电池寿命只有3﹣5年，其终端和网络成本高。
- 如Nwave，很少有人知道这个技术。
LoRa联盟
LORA联盟致力于促进基于LORA网络的一个开放的标准“LoRaWAN”。該标准由Semtech底层芯片技术的拥有者和IBM的研究和Actility共同开发。注：Link Labs是LORA联盟的创始成员之一，而使用LoRaWAN技术的客户認為是一個不错的选择。
优势
- 们提供三个开放标准給用户选择。LoRaWAN所提供功能與SigFox非常类似，可使其成为理想的传感器设备。
- LoRaWAN有开放的生态系统，这意味着有更多的开源软件和可用的供应商。
注意事项
- 对于一些客户LoRaWAN标准缺乏以下的重要功能，包括漫游，打包，然后重试，断开连接的操作，优质的服务，在空中固件升级和中继器。
- 为了使用LoRaWAN，网络服务器软件必须"在云端"，它要求从网络服务器供应商的订阅来运行。
- Semtech是芯片的唯一供应商。
结论
低功耗，广域网要继续彻底改变无线连接因为市场上对这些连接设备的需求不断增加。如上所述科技公司的扩大和发展，以及新的市场参与者加入，将会有更大更多的投入，会更有利LPWA的进一步发展。