根據(jù)知名物聯(lián)網(wǎng)分析機構IoT Analytics預測，到2025年，物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)將達到非物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)的3倍。低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)作為物聯(lián)網(wǎng)連接的核心基礎設施，其業(yè)務特點是發(fā)送數(shù)據(jù)極小，并且為了維持電池供電設備的長時間工作，發(fā)送周期被設定得很長。從技術特點上來說，低功耗廣域網(wǎng)具備三個優(yōu)勢：低功耗、遠距離、大連接。
目前主流的物聯(lián)網(wǎng)技術，按頻譜使用分類，可分為授權頻譜技術和非授權頻譜技術。授權頻譜主要是由電信運營商主導，例如NB-IoT、LTE-M；而非授權頻譜技術則由于其部署成本低、運營難度低、實施靈活等特點，應用非常廣泛。
而當前主流的非授權頻譜技術有LoRa、Sigfox、Weightless、NB-Fi等。這些技術中有的采用傳統(tǒng)調制、解調技術，例如BPSK，F(xiàn)SK，以及根據(jù)業(yè)務場景研發(fā)的MAC層技術;有的則是從物理層的調制、解調技術上實現(xiàn)突破，提升接收靈敏度，增大鏈路預算，例如LoRa。從物理層入手的優(yōu)勢在于從源頭就能提升信號覆蓋，降低部署成本。
如何提高接收靈敏度?現(xiàn)階段主要的處理方式，下文將簡要分析。
一是采用擴頻技術，利用擴頻增益改善設備接收靈敏度。例如采用Chirp擴頻的LoRa、DSSS擴頻的RPMA等技術。二是降低接收信號帶寬，減小帶內(nèi)噪聲功率，改善設備靈敏度，例如Sigfox。
還有一種技術，我們稱之為擴時或者重傳技術。目前，NB-IoT采用的就是這種方案，NB-IoT通過同一數(shù)據(jù)塊的重復傳輸，降低單位時間內(nèi)的實際傳輸速率，從而改善接收靈敏度。
上文提到的3種方式中，部分技術通過一味降低傳輸速率改善靈敏度，但真的有意義嗎?筆者認為，答案是否定的，實際業(yè)務場景中極少有幾個bit的傳輸需求。而在僅有的極窄帶和擴頻技術中，擴頻具有如下優(yōu)勢：
1) 相對于極窄帶體制，擴頻體制能夠檢測到小于噪聲功率的信號;
2) 相對于極窄帶體制，擴頻體制對干擾，噪聲，阻塞有更好的抑制能力;
3) 相對于極窄帶體制，擴頻體制具有更好抗多徑能力;
4) 相對于極窄帶體制，擴頻體制容許不同的擴頻因子存在于同一信道，提升信道容量。
當前，Semtech的LoRa技術申請了近30多篇發(fā)明專利，幾乎形成了完整的技術保護墻，在保證性能的情況下，突破其專利壁壘已十分艱難。而升哲科技的SWIC(SENSORO Wide Coverage)技術現(xiàn)已申請國內(nèi)發(fā)明專利23篇、國際PCT 5篇，已授權專利6篇。目前，中國僅有升哲科技一家公司開發(fā)的低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術性能可替代LoRa，實現(xiàn)國產(chǎn)、自主、可控，真正突破了Semtech的專利封鎖，實現(xiàn)了優(yōu)異性能的同時，還降低了芯片實現(xiàn)過程中乘法器的需求，從而降低成本。
解調門限對比如下：
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碼域因子，SF – LoRa擴頻因子
與LoRa相比，SWIC技術具有如下優(yōu)點：
1) 比特傳輸速率和頻譜利用率上更好，對比如下表：
BW (kHz) | C/SF | LoRa | SWIC | ||
Rb (kbps) | ?b(bps/Hz) | Rb (kbps) | ?b(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 |
2) 支持分集合并
支持雙天線分集合并，可得到2.6dB的增益，進一步提升覆蓋距離。
3) 頻率偏移和定時偏差容忍度要求低
頻率偏移范圍是[-0.25B,0.25B]，定時偏差容忍度是30ppm，有利于終端低成本設計。
4) 網(wǎng)絡系統(tǒng)容量和網(wǎng)絡間隔離度更高
多樣性的索引資源，可有效增加網(wǎng)絡的系統(tǒng)容量和網(wǎng)絡間的隔離度。
那么低功耗廣域網(wǎng)在智慧城市的建設中，到底能起到什么作用?
當前智慧城市的建設一直在全國各地進行，不斷提高城市的智能化水平，而物聯(lián)網(wǎng)技術的應用正可以解決城市中水、電、氣、消防、管廊、橋隧、洪澇、地災等各要素數(shù)據(jù)采集、傳輸、匯總的難題，采集匯總的數(shù)據(jù)可以進一步供系統(tǒng)平臺分析，從而輔助后端決策。
例如，近期在遼寧連續(xù)發(fā)生燃氣爆炸事件，如果能盡早安裝相關傳感器，即可及早發(fā)現(xiàn)隱患，聯(lián)動處置，避免事故發(fā)生。
隨著社會老齡化的加劇，政府鼓勵居家養(yǎng)老政策實施等多重因素之下，通過物聯(lián)網(wǎng)手段實時監(jiān)測老人生理狀態(tài)、空間活動、生活用水、用電情況等，有助于基層網(wǎng)格員、社區(qū)工作者隨時隨地掌握老人情況，老人的居家養(yǎng)老生活也多了一份科技的保障。
此外，對于危害較大的城市內(nèi)澇現(xiàn)象，如果能及早部署感知設備，聯(lián)動市政、應急等救援力量，精準處置，可大幅減少次生災害的發(fā)生，從而降低居民人身財產(chǎn)損失。
從綜合業(yè)務場景需求出發(fā)，明確數(shù)據(jù)結構定義，充分利用授權頻譜技術和非授權頻譜技術，形成優(yōu)勢互補，助力城市治理，將會對智慧城市的建設產(chǎn)生積極影響。
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