物聯(lián)網(wǎng)（IoT）承諾會(huì)改變我們的生活和工作方式。這可以幫助我們克服人口爆炸，能源危機(jī)，資源枯竭和環(huán)境污染等全球面臨的挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)這一愿景，事物（Things）需要感知他們的環(huán)境，在人與人之間分享這些信息，使智能決策能夠?qū)φ麄€(gè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生積極的影響。由于這一承諾，使得業(yè)界對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的興趣正在驚人的增加。多項(xiàng)獨(dú)立研究預(yù)測(cè)，未來十年，物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)對(duì)機(jī)（M2M：Machine-to-Machine）行業(yè)的數(shù)量和收入將大幅增長(zhǎng)。到2020年，連接的M2M設(shè)備和消費(fèi)電子產(chǎn)品的數(shù)量將超過使用手機(jī)，個(gè)人電腦，筆記本電腦和平板電腦的人員數(shù)量（參見圖1）。展望未來，到2024年，整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)預(yù)計(jì)將在不同行業(yè)（如設(shè)備制造，連接和其他增值服務(wù)）產(chǎn)生4.3萬億美元的收入。傳統(tǒng)和致動(dòng)技術(shù)的最新改進(jìn)以及新型通信技術(shù)的出現(xiàn)都是推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的積極因素。

圖1、連接設(shè)備的增長(zhǎng)

低功率廣域（LPWA：Low Power Wide Area）網(wǎng)絡(luò)

低功率廣域（LPWA：Low Power Wide Area）網(wǎng)絡(luò)代表了一種新穎的通信范例，它將補(bǔ)充傳統(tǒng)的蜂窩和短距離無線技術(shù)，以滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的各種需求。 LPWA技術(shù)提供獨(dú)一無二的功能，包括低功耗和低數(shù)據(jù)速率設(shè)備的廣域連接，這種連接是與傳統(tǒng)無線技術(shù)所提供的連接是不同的。LPWA的市場(chǎng)預(yù)計(jì)將是巨大的：總共300億IoT / M2M設(shè)備中的大約四分之一將使用專有或者蜂窩技術(shù)的LPWA網(wǎng)絡(luò)連接到互聯(lián)網(wǎng)（參見圖2）。

圖2、LPWA技術(shù)支持的連接數(shù)（單位：10億）

圖3強(qiáng)調(diào)了可以利用LPWA技術(shù)連接其終端設(shè)備的多個(gè)業(yè)務(wù)部門的各種應(yīng)用。這些業(yè)務(wù)部門包括但不限于智能城市，個(gè)人物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，智能電網(wǎng)，智能計(jì)量，物流，工業(yè)監(jiān)控，農(nóng)業(yè)等。

圖3、LPWA能夠支持的各種應(yīng)用

LPWA網(wǎng)絡(luò)是獨(dú)一無二的，因?yàn)樗鼈兣c物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域普遍存在的傳統(tǒng)技術(shù)（如短距離無線網(wǎng)絡(luò)，例如Zig-Bee，藍(lán)牙，Z-Wave，傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)（WLAN）例如Wi-Fi，以及蜂窩網(wǎng)絡(luò)例如全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM），長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）技術(shù)等是有所不同的。傳統(tǒng)的非蜂窩無線技術(shù)不是連接分布在大地理區(qū)域的低功率設(shè)備的理想選擇。這些技術(shù)的范圍最多限于幾百米。因此，這些設(shè)備不能隨意部署或移動(dòng)到智能城市，物流和個(gè)人健康保健的許多應(yīng)用都是需要的任何地方中。這些技術(shù)的覆蓋是范圍通過使用多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備和密集部署的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行擴(kuò)展的。因此，大量部署的成本昂貴。另一方面，舊式WLAN的特點(diǎn)是機(jī)器類型通信（MTC：machine-type communication）的覆蓋區(qū)域更短，功耗更高。

廣域覆蓋可以由蜂窩網(wǎng)絡(luò)來提供，這也是廣泛采用第二代（2G）和第三代（3G）移動(dòng)蜂窩技術(shù)進(jìn)行M2M通信的原因。然而，一些移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商（MNOs：mobile network operators）宣布的這些技術(shù)即將退役（參見圖4），此舉將擴(kuò)大連接低功耗設(shè)備的技術(shù)差距。一般來說，傳統(tǒng)蜂窩技術(shù)的能源效率不足以提供十年的電池壽命。蜂窩設(shè)備的設(shè)計(jì)復(fù)雜，并且成本高昂，因?yàn)樗鼈冃枰軌蛱幚韽?fù)雜的波形，針對(duì)語音，高速數(shù)據(jù)服務(wù)和文本通信需求進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于低功率的MTC（machine-type communication），顯然需要?jiǎng)冸x復(fù)雜性以降低成本。3GPP正在朝著讓蜂窩網(wǎng)絡(luò)滿足這些技術(shù)需求的方向努力，我們將在后續(xù)的文章中對(duì)此進(jìn)行闡述。

圖4、3G移動(dòng)活躍連接的份額，按地區(qū)，2014和2019年

LPWA技術(shù)具有數(shù)十到幾十公里的驚人覆蓋距離，電池壽命十年以上，對(duì)于實(shí)現(xiàn)低功耗，低成本和低吞吐量的互聯(lián)網(wǎng)而言是有希望的技術(shù)（參見下面的圖5）。一系列LPWA技術(shù)使設(shè)備能夠在大的地理區(qū)域上傳播和移動(dòng)。通過LPWA技術(shù)連接的IoT和M2M設(shè)備可以隨時(shí)隨地在其環(huán)境中立即進(jìn)行感測(cè)和交互。值得澄清的是，LPWA技術(shù)以低數(shù)據(jù)速率（速率通常為幾十千比特每秒的量級(jí)）和更高的延遲（通常以秒或分鐘的等級(jí)）為代價(jià)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和低功耗操作的。因此，顯而易見的是，LPWA技術(shù)并不意味著它能夠解決每一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的應(yīng)用場(chǎng)景，而是適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）景觀中的一些細(xì)分領(lǐng)域。具體來說，LPWA技術(shù)被認(rèn)為是能夠容忍延遲，不需要高數(shù)據(jù)速率，通常需要低功耗和低成本的應(yīng)用場(chǎng)景，后者是一個(gè)越來越重要的課題。與需要超低延遲和超高可靠性的Critical MTC 應(yīng)用相比，這種MTC的應(yīng)用被分類為大規(guī)模MTC （Massive IoT）（參見圖6和圖7）。后者絕對(duì)不屬于LPWA技術(shù)的應(yīng)用范圍，因?yàn)榈统杀竞偷凸慕鉀Q方案無法保證其嚴(yán)格的性能要求，如高達(dá)五個(gè)9（99.999％）的可靠性要求以及高達(dá)1-10 ms的延遲性能要求。雖然LPWA技術(shù)因此不適用于許多工業(yè)IoT，車輛到車輛（V2V）和車輛到基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）應(yīng)用要求，但它們?nèi)匀粷M足智能城市應(yīng)用的諸多應(yīng)用，如智能化計(jì)量，家庭自動(dòng)化，可穿戴電子，物流，環(huán)境監(jiān)測(cè)等需要交換數(shù)據(jù)量少，交換的頻率也不高的應(yīng)用。因此，LPWA技術(shù)的吸引力雖然受到低數(shù)據(jù)速率的限制，但仍然有很廣泛的應(yīng)用。這就是為什么LPWA技術(shù)在諸如SIGFOX （參見：http://www.sigfox.com/）和LORa （參見：https://www.lora-alliance.org/portals/0/specs/LoRaWAN%20Specification%201R0.pdf）等專有技術(shù)打入市場(chǎng)之后產(chǎn)生了如此巨大的興趣的原因。

圖5、以基站位置為中心的芬蘭Oulu不同地點(diǎn)的接收信號(hào)強(qiáng)度

圖5、以基站位置為中心（PTX = 14 dBm，GRX = 2 dBi）的芬蘭Oulu不同地點(diǎn)的接收信號(hào)強(qiáng)度，R = 293bps，hTX = 2m，hRX = 24m）。

圖6、IoT的應(yīng)用分類

圖7、MTC的通信類型分類

在這個(gè)時(shí)刻，有幾個(gè)競(jìng)爭(zhēng)的LPWA技術(shù)，每個(gè)都采用各種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離，低功耗操作和高可擴(kuò)展性。下面我們將介紹這些設(shè)計(jì)目標(biāo)，并描述了不同的新技術(shù)的組合如何實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)目標(biāo)的。

LPWA的設(shè)計(jì)目標(biāo)和技術(shù)

LPWA技術(shù)的成功在于他們能夠以前所未有的低成本向大面積的地理區(qū)域中分布的大量設(shè)備提供低功耗連接。下面將介紹用于實(shí)現(xiàn)這些經(jīng)常沖突的目標(biāo)的LPWA技術(shù)，與實(shí)現(xiàn)更高數(shù)據(jù)速率，更低延遲和更高可靠性的其他技術(shù)相比，LPWA技術(shù)的關(guān)鍵目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)低功耗和低成本的長(zhǎng)覆蓋距離。

A、長(zhǎng)的覆蓋距離

LPWA技術(shù)被設(shè)計(jì)用于廣泛的覆蓋范圍和優(yōu)良的信號(hào)傳播特性以到到其它技術(shù)難以到達(dá)的室內(nèi)場(chǎng)所，如地下室。針對(duì)這一目標(biāo)，其鏈路預(yù)算增益通常超過傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)的+20 dB。這允許終端設(shè)備根據(jù)其部署環(huán)境（農(nóng)村，城市等），距離其連接的基站有幾公里到幾十公里的距離。利用低于1GHz頻率的頻帶和特殊調(diào)制方案可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

1）使用Sub-1GHz即低于1GHz的頻段：除了幾個(gè)LPWA技術(shù)（例如，WEIGHTLESS-W））之外，大多數(shù)使用Sub-GHz頻段即低于1GHz的頻段，在低頻下可以在低功率預(yù)算的情況下提供健壯的和可靠的通信鏈路；因?yàn)槭紫?，與2.4GHz的頻帶相比，較低頻率的信號(hào)經(jīng)歷較少的衰減以及由障礙物和致密表面（如混凝土墻壁）引起的多徑衰落。其次，低于1GHz的頻段比2.4GHz頻段更寬松，這是由大多數(shù)流行的無線技術(shù)（例如Wi-Fi，無繩電話，藍(lán)牙，ZigBee和其他家用電器）使用的是2.4GHz頻帶。由此產(chǎn)生的更高的可靠性使得能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離和低功率通信。然而，INGENU的RPMA技術(shù)（RPMA，全稱Random Phase MulTIple Access，官方中文翻譯為“隨機(jī)相位多址接入”，它是由美國(guó)Ingenu公司開發(fā)的低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)。）是一個(gè)例外，該技術(shù)仍然使用的2.4 GHz頻帶，因?yàn)樗梢岳眠@個(gè)頻帶中的無線電占空比方面更寬松的頻譜規(guī)則以及多個(gè)區(qū)域采用最大的傳輸功率。

2）調(diào)制技術(shù)：LPWA技術(shù)旨在實(shí)現(xiàn)150±10 dB的鏈路預(yù)算，分別在城市和農(nóng)村地區(qū)實(shí)現(xiàn)幾公里和幾十公里的覆蓋范圍。物理層在實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率上需要進(jìn)行折中，減慢的調(diào)制速率可以在每個(gè)傳輸?shù)男畔it位中（或符號(hào)中）放入更多的能量。由于這個(gè)原因，接收機(jī)可以正確解碼嚴(yán)重衰減的信號(hào)?，F(xiàn)有技術(shù)的LPWA接收機(jī)的典型靈敏度達(dá)到低至-130dBm。不同的LPWA技術(shù)已經(jīng)采用了兩類不同的調(diào)制技術(shù)，即窄帶調(diào)制技術(shù)和擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)。

窄帶調(diào)制技術(shù)通過在低帶寬（通常小于25kHz）下對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼來提供高的鏈路預(yù)算。通過為每個(gè)載波分配非常窄的頻帶，這些調(diào)制技術(shù)在多個(gè)鏈路之間能夠非常有效地共享整個(gè)頻譜。單個(gè)窄帶信道帶內(nèi)經(jīng)歷的噪音水平也很小。因此，不需要通過頻率去擴(kuò)展的處理增益來對(duì)接收機(jī)處的信號(hào)進(jìn)行解碼，這導(dǎo)致簡(jiǎn)單且便宜的收發(fā)信機(jī)設(shè)計(jì)。 NB-IoT和WEIGHTLESS-P是窄帶技術(shù)的例子。

一些LPWA技術(shù)把每個(gè)載波信號(hào)擠壓在寬度為100Hz的窄帶（UNB：ultra narrow band）信號(hào)中（例如，在SIGFOX中），這將進(jìn)一步減少經(jīng)歷的噪聲并增加每單位帶寬支持的終端設(shè)備的數(shù)量。然而，單個(gè)終端設(shè)備的有效數(shù)據(jù)速率也隨之降低了，從而增加無線電接通需要保持的時(shí)間量。這種低數(shù)據(jù)速率與共享底層頻段的頻譜規(guī)則相結(jié)合可能會(huì)限制數(shù)據(jù)分組包的最大大小和傳輸頻率，從而限制業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景的數(shù)量。 SIGFOX，WEIGHTLESS-N和TELENSA （是使用UNB調(diào)制的LPWA技術(shù)的幾個(gè)例子。

擴(kuò)展頻譜技術(shù)是在較寬頻帶上擴(kuò)展了窄帶信號(hào)，但具有相同的功率強(qiáng)度。擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)際的傳輸是一種類似噪聲的信號(hào)，使得它難以被竊聽者檢測(cè)到，因此更能抵御干擾，并且能夠強(qiáng)大地對(duì)干擾進(jìn)行攻擊。然而，在接收機(jī)側(cè)需要更多的處理增益來解碼通常埋在底噪（ noise floor）之下接收的信號(hào)。在寬帶上傳播窄帶信號(hào)導(dǎo)致頻譜效率較低。但是，這個(gè)問題通常通過使用多個(gè)正交序列來克服。只要多個(gè)終端設(shè)備使用不同的信道和/或正交序列，則可以同時(shí)解碼，這將導(dǎo)致更高的總體網(wǎng)絡(luò)容量?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)使用了擴(kuò)展頻譜技術(shù)的不同變體，例如LORa和RPMA分別使用的啁啾擴(kuò)頻（CSS：Chirp Spread Spectrum）和直序擴(kuò)頻（DSSS：Direct Sequence Spread Spectrum ）。

B.超低功耗操作

超低低功率運(yùn)行是利用由電池供電的IoT / M2M設(shè)備提供的巨大商機(jī)的關(guān)鍵要求。期望使用AA或紐扣電池的電池壽命到達(dá)10年或者10年以上，以降低維護(hù)成本。

1）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：網(wǎng)狀拓?fù)湟驯粡V泛用于擴(kuò)展短距離無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，它們的高部署成本是連接大面積地理位置中的大量分布式的設(shè)備的主要缺點(diǎn)。此外，隨著業(yè)務(wù)在向網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的多個(gè)跳躍上，一些節(jié)點(diǎn)由于其在網(wǎng)絡(luò)中的位置或者網(wǎng)絡(luò)流量模式而導(dǎo)致比其他節(jié)點(diǎn)具有更多的擁塞概率。因此，它們很快耗盡電池，將網(wǎng)絡(luò)使用壽命限制在僅有幾個(gè)月到幾年。

另一方面，一系列LPWA技術(shù)通過將終端設(shè)備直接連接到基站來克服這些限制，從而避免了對(duì)密集部署的昂貴的中繼器和網(wǎng)關(guān)的需要。這樣所得到的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種廣泛應(yīng)用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的星形架構(gòu)，具有巨大的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。與網(wǎng)狀拓?fù)浼軜?gòu)相反，星形架構(gòu)中的設(shè)備不需要浪費(fèi)寶貴的能量來偵聽需要通過它們來傳輸流量的其它設(shè)備。始終在線的基站能夠在終端設(shè)備需要時(shí)提供方便快捷的接入。除了星形架構(gòu)之外，一些LPWA技術(shù)支持樹形和網(wǎng)格拓?fù)浼軜?gòu)，但是這些架構(gòu)在協(xié)議設(shè)計(jì)中需要增加額外的復(fù)雜性。

2）占空比周期：低功耗操作是通過機(jī)會(huì)地關(guān)閉M2M / IoT設(shè)備中的耗電組件（例如數(shù)據(jù)收發(fā)信機(jī)）來實(shí)現(xiàn)的。無線電信號(hào)周期循環(huán)允許LPWA終端設(shè)備在不需要時(shí)關(guān)閉其收發(fā)信機(jī)。只有當(dāng)要發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)時(shí)，收發(fā)信機(jī)才會(huì)打開。

系統(tǒng)可以基于應(yīng)用，電源類型以及業(yè)務(wù)模式等因素來對(duì)LPWA占空比機(jī)制進(jìn)行調(diào)整。如果某個(gè)應(yīng)用僅需要通過上行鏈路傳輸數(shù)據(jù)，則僅當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好傳輸時(shí)才能喚醒終端設(shè)備。相反，如果需要下行鏈路傳輸時(shí)，則終端設(shè)備確保在基站實(shí)際發(fā)送時(shí)才偵聽。終端設(shè)備通過同意偵聽計(jì)劃來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。例如，終端設(shè)備可以在其上行鏈路傳輸之后進(jìn)行短時(shí)間監(jiān)聽以接收回復(fù)?；蛘撸鼈兛梢栽谂c基站同意的預(yù)定時(shí)間中喚醒。對(duì)于下行鏈路通信需要超低延遲的主電源供電的終端設(shè)備，無線電收發(fā)信機(jī)可以始終保持在開啟模式。不同的LPWA標(biāo)準(zhǔn)，如LORAWAN [10]根據(jù)上行鏈路或下行鏈路的通信需求定義了多種類型的終端設(shè)備。

在LPWA技術(shù)的領(lǐng)域，數(shù)據(jù)收發(fā)信機(jī)的占空比周期循環(huán)不僅是節(jié)電機(jī)制，而且也是監(jiān)管立法的要求。共享頻譜的區(qū)域規(guī)則可能會(huì)限制單個(gè)發(fā)射機(jī)的占用時(shí)間，以確保其與共享相同信道的其他設(shè)備之間共存。

如許多低功耗嵌入式網(wǎng)絡(luò)的背景下，占空比周期循環(huán)也可以擴(kuò)展到收發(fā)信機(jī)之外的其他硬件組件中。模塊化硬件設(shè)計(jì)可以提供選擇不同操作模式的能力，具有打開或者關(guān)閉各個(gè)硬件組件（如輔助組件和存儲(chǔ)和微控制器）。通過利用這些電源管理技術(shù)，LPWA應(yīng)用開發(fā)人員可以進(jìn)一步降低功耗并增加電池壽命。

3）輕的介質(zhì)訪問控制（Lightweight Medium Access Control）：用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)或短距離無線網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的媒體接入控制（MAC：Medium Access Control）協(xié)議對(duì)于LPWA技術(shù)來說太復(fù)雜了。例如，蜂窩網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確地同步基站和用戶設(shè)備（UE），從利用頻率和時(shí)間分集的復(fù)雜MAC方案中受益。這些方案的控制開銷雖然對(duì)于強(qiáng)大的蜂窩UE來說是合理的，但對(duì)于LPWA終端設(shè)備來說具有實(shí)質(zhì)性的影響。換句話說，這些MAC協(xié)議的控制可能比這些的短期和不經(jīng)常使用的機(jī)器類型通信的LPWA設(shè)備更加昂貴。此外，這些方案所需的非常緊密的同步難以通過具有低質(zhì)量廉價(jià)振蕩器的超低成本（$ 1- $ 5）LPWA終端設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。訪問頻譜時(shí)，這些設(shè)備在時(shí)域和頻域都會(huì)出現(xiàn)漂移，從而使獨(dú)占訪問共享介質(zhì)成為這些競(jìng)爭(zhēng)設(shè)備的主要挑戰(zhàn)。由于這個(gè)原因，簡(jiǎn)單的隨機(jī)接入方案（random access schemes ）對(duì)于LPWA技術(shù)來說更為合適也更加流行。

具有沖突避免的載波偵聽多址訪問（CSMA / CA：Carrier sense multiple access with collision avoidance）是成功部署在WLAN和其他短距離無線網(wǎng)絡(luò)中的最流行的MAC協(xié)議之一。對(duì)于這樣的網(wǎng)絡(luò)每個(gè)基站的設(shè)備數(shù)量是有限的，保持克服隱藏的節(jié)點(diǎn)問題。然而，隨著這些設(shè)備的數(shù)量在LPWA網(wǎng)絡(luò)中的增長(zhǎng)，載波偵聽在可靠地檢測(cè)正在進(jìn)行的傳輸方面變得不那么有效并且變得昂貴起來，并且會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生不利影響。雖然使用請(qǐng)求發(fā)送/清除發(fā)送（RTS / CTS：Request to Send/ Clear to Send ）的虛擬載波偵聽機(jī)制來克服這個(gè)問題，但它在上行鏈路和下行鏈路上會(huì)引入額外的通信開銷。由于要連接大量的設(shè)備，因此LPWA技術(shù)通常不能承受這種過度的信令開銷。此外，鏈路不對(duì)稱性是當(dāng)今許多LPWA技術(shù)的特性，這也降低了虛擬載波感測(cè)的實(shí)用性。

由于這些原因，諸如SIGFOX和LORAWAN之類的多個(gè)LPWA技術(shù)使用ALOHA，即隨機(jī)接入MAC協(xié)議，其中終端設(shè)備在不進(jìn)行任何載波感測(cè)的情況下傳輸。 ALOHA的簡(jiǎn)單性被認(rèn)為是使收發(fā)信機(jī)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且成本低廉。然而，INGENU和NB-IoT也考慮了基于TDMA的MAC協(xié)議來更有效地分配無線電資源，盡管犧牲了最終設(shè)備的復(fù)雜性和成本。

4）從終端設(shè)備卸載復(fù)雜性：大多數(shù)技術(shù)人員通過將復(fù)雜任務(wù)卸載到基站或者后端系統(tǒng)來簡(jiǎn)化終端設(shè)備的設(shè)計(jì)。為了使終端設(shè)備的收發(fā)信機(jī)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且成本低，基站或者后端系統(tǒng)必須更加復(fù)雜。通常，基站利用硬件分集，并且能夠同時(shí)使用多個(gè)信道或者正交信號(hào)發(fā)送到和偵聽多終端設(shè)備。這允許終端設(shè)備可以使用任何可用信道或者正交信號(hào)來發(fā)送數(shù)據(jù)，并且仍然能到達(dá)基站，而不需要昂貴的信令來發(fā)起通信。通過在后端系統(tǒng)中嵌入一些智能，終端設(shè)備可以進(jìn)一步受益于更可靠和節(jié)能的最后一公里通信。一個(gè)顯著的例子是LORAWAN，其中后端系統(tǒng)自適應(yīng)通信參數(shù)（例如數(shù)據(jù)速率/調(diào)制參數(shù)）以維持良好的上行鏈路和下行鏈路連接。此外，后端系統(tǒng)還負(fù)責(zé)為終端設(shè)備提供支持以跨多個(gè)基站移動(dòng)，并抑制重復(fù)接收（如果有的話）。在數(shù)量較少的基站和后端系統(tǒng)中選擇保持復(fù)雜性為許多終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)了低成本和低功耗的設(shè)計(jì)。

除了通信之外，數(shù)據(jù)處理也可以從終端設(shè)備卸載，但是我們需要先了解其中的一些權(quán)衡。鑒于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的多樣性，每個(gè)應(yīng)用可能有不同的要求，特別是數(shù)據(jù)報(bào)告頻率。可能存在一些需要終端設(shè)備經(jīng)常報(bào)告數(shù)據(jù)（例如每隔幾分鐘一次）的應(yīng)用。而另一方面，我們可能會(huì)有一些應(yīng)用程序要求終端設(shè)備不頻繁地報(bào)告數(shù)據(jù)，例如也許要求每天一次。從能量消費(fèi)的角度來看，眾所周知的事實(shí)是，通信操作比處理操作要消耗更多的能量。因此，一個(gè)經(jīng)常需要面對(duì)的關(guān)鍵問題是按原樣報(bào)告所有的數(shù)據(jù)，還是先執(zhí)行一些本地處理后再報(bào)告處理后的結(jié)果（減少通信需求）。前一種方法在終端設(shè)備上不需要任何顯著的處理能力，這意味著可以實(shí)現(xiàn)低成本設(shè)備。然而，在后一種情況下，取決于所需處理的復(fù)雜性，終端設(shè)備的成本可能會(huì)上升，盡管降低了傳輸數(shù)據(jù)所需的能量消耗。兩者之間的選擇確實(shí)是由底層商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景所驅(qū)動(dòng)的。雖然總是期望具有低成本的終端設(shè)備，特別是考慮到設(shè)備的數(shù)量比較大的時(shí)候，但是如果通信成本很大，則可能有一些本地處理是有益的。類似地，如果通信成本不依賴于數(shù)據(jù)量（由于統(tǒng)一的價(jià)格定價(jià)），則具有更簡(jiǎn)單的終端設(shè)備可能是有益的。還需要估計(jì)與具有和不具有精密處理要求的操作相關(guān)的終端設(shè)備的成本。換句話說，如果終端設(shè)備經(jīng)常被更換，由于頻繁的通信導(dǎo)致的電池耗盡，如果首先部署稍微更昂貴的終端設(shè)備，而不會(huì)由于經(jīng)常通信導(dǎo)致耗盡其電池，則成本將如何疊加。從網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的角度來看，可能希望通過節(jié)點(diǎn)上的本地處理來減少其網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)量，因?yàn)檫@可能降低出現(xiàn)性能問題的可能性。然而，如果運(yùn)營(yíng)商的商業(yè)模式依賴于不是基于數(shù)據(jù)量的定價(jià)那么這可能是不希望的。

處理數(shù)據(jù)更接近終端設(shè)備（最近被稱為邊緣計(jì)算（edge computing））的模式似乎越來越受歡迎，這一點(diǎn)可以從OpenFog 和移動(dòng)邊緣計(jì)算等計(jì)劃的興起中可以看出來。話雖如此，對(duì)于是傳輸原始數(shù)據(jù)還是傳輸本地處理后的結(jié)果的問題還沒有簡(jiǎn)單的一刀切的非此即彼的解答。如前所述，這真的歸結(jié)為對(duì)于那些想要部署這樣的解決方案的應(yīng)用程序的要求和對(duì)投資回報(bào)率（ROI：return on investment）的分析。

C.低成本

LPWA網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)成功與連接的大量的終端設(shè)備有關(guān)，需要同時(shí)保持硬件成本低于5美元，每單位的連接費(fèi)用低至1美元。這種負(fù)擔(dān)能力使得LPWA技術(shù)不僅可以解決廣泛的應(yīng)用問題，而且還可以在短距離無線技術(shù)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建立的領(lǐng)域中處于有利的競(jìng)爭(zhēng)位置。 LPWA技術(shù)采用多種方法來減少最終用戶和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的資本支出（CAPEX）和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用（OPEX）。終端設(shè)備的低成本設(shè)計(jì)可以通過幾種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，其中一些技術(shù)已經(jīng)在上面已經(jīng)討論過。例如使用星型（而不是網(wǎng)狀）的連接，簡(jiǎn)單的MAC協(xié)議以及從終端設(shè)備中卸載復(fù)雜性的技術(shù)使制造商能夠設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單且成本低廉的終端設(shè)備。另外一些技術(shù)，機(jī)制和方法的討論如下：

1）降低硬件復(fù)雜性：與蜂窩和短距離無線技術(shù)相比，LPWA收發(fā)信機(jī)需要處理較不復(fù)雜的波形。它能夠減少收發(fā)信機(jī)占用的空間，峰值數(shù)據(jù)速率和內(nèi)存大小，從而最大程度降低硬件復(fù)雜性，從而降低成本。 LPWA芯片制造商瞄準(zhǔn)大量連接終端設(shè)備，并且還可以降低成本同時(shí)實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

2）最小化的基礎(chǔ)設(shè)施：傳統(tǒng)的無線和有線技術(shù)的覆蓋范圍有限，需要密集部署，因此基礎(chǔ)設(shè)施（網(wǎng)關(guān)，電源線，中繼節(jié)點(diǎn)等）的部署成本昂貴。然而，單個(gè)LPWA基站連接數(shù)萬個(gè)分布在幾公里的終端設(shè)備，大大降低了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的成本。

3）使用無許可證或者自己擁有許可證的頻段：網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商為L(zhǎng)PWA技術(shù)申請(qǐng)新許可頻譜的成本與低成本部署，縮短上市時(shí)間以及向用戶提供有競(jìng)爭(zhēng)力的訂閱消費(fèi)相沖突。因此，大多數(shù)LPWA技術(shù)被認(rèn)為是要在許可證豁免的頻段中的部署，包括工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)療（ISM： Industrial, Scientific and Medical ）頻段或者電視白頻譜（TV-white spaces）中部署。 NB-IoT這個(gè)來自3GPP的LPWA標(biāo)準(zhǔn)可以共享MNOs（移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商）擁有的蜂窩頻段，以避免額外的頻譜許可成本。然而，為了獲得更好的性能，也可以獲得獨(dú)立的許可頻帶，一種趨勢(shì)專有的LPWA技術(shù)可能最終會(huì)遵循相關(guān)的規(guī)范，以避免由于使用共享頻譜的連接設(shè)備數(shù)量的增加而導(dǎo)致性能下降。

D.可擴(kuò)展性

支持大量發(fā)送低流量的設(shè)備是LPWA技術(shù)的關(guān)鍵要求之一。這些技術(shù)應(yīng)該隨著連接設(shè)備的數(shù)量和密度的增加而正常工作?？梢钥紤]以下幾種技術(shù)來應(yīng)對(duì)這種可擴(kuò)展性問題。

1）多樣性技術(shù)：為了適應(yīng)盡可能多的連接設(shè)備，有效地利用信道，時(shí)間，空間和硬件的多樣性至關(guān)重要。由于終端設(shè)備的低功耗和便宜性，其中大部分是通過與LPWA網(wǎng)絡(luò)（如基站和后端系統(tǒng)）中更強(qiáng)大的組件的合作來實(shí)現(xiàn)的。 LPWA技術(shù)采用多信道和多天線通信來并行傳輸?shù)胶瓦B接到設(shè)備。此外，通過使用多個(gè)信道并進(jìn)行冗余傳輸，使通信對(duì)于干擾更具有抵抗力。

2）致密化：為了應(yīng)對(duì)某些領(lǐng)域終端設(shè)備的密度增加，像傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)這樣的LPWA網(wǎng)絡(luò)將采用密集的基站部署。然而，問題是這樣做要確保不會(huì)造成終端設(shè)備和密集部署的基站之間有太多的干擾。 LPWA網(wǎng)絡(luò)的新型密集部署方法需要進(jìn)一步研究，因?yàn)楝F(xiàn)有的蜂窩技術(shù)依賴于小區(qū)內(nèi)和小區(qū)之間協(xié)調(diào)良好的無線電資源管理，但對(duì)于大多數(shù)LPWA技術(shù)來說這種假設(shè)是不正確的。

3）自適應(yīng)信道選擇和數(shù)據(jù)速率：不僅LPWA系統(tǒng)應(yīng)該隨著連接設(shè)備的數(shù)量增加而擴(kuò)展，而且還應(yīng)該優(yōu)化單個(gè)鏈路以實(shí)現(xiàn)可靠和高能效的通信。自適應(yīng)調(diào)制方案，選擇更好的信道達(dá)到距離可靠，或進(jìn)行自適應(yīng)傳輸功率控制需要有效監(jiān)控鏈路的質(zhì)量以及進(jìn)行終端設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)調(diào)。

自適應(yīng)信道選擇和調(diào)制的可能程度取決于基礎(chǔ)的LPWA技術(shù)。不同的因素，例如鏈路不對(duì)稱和最大可降低的無線電占空比可能會(huì)限制采用非常魯棒的自適應(yīng)機(jī)制的可能性。在基站無法對(duì)上行鏈路通信質(zhì)量給出反饋和/或通知終端設(shè)備適應(yīng)其通信參數(shù)的情況下，終端設(shè)備采用非常簡(jiǎn)單的機(jī)制來提高鏈路質(zhì)量。這種機(jī)制包括經(jīng)常在多個(gè)隨機(jī)選擇的信道上多次發(fā)送相同的分組，這樣希望至少一個(gè)副本能夠成功到達(dá)基站。這種機(jī)制可以提高這種盡力而為的上行鏈路通信的可靠性，同時(shí)保持終端設(shè)備的復(fù)雜性和成本非常低。在某些下行鏈路通信可以實(shí)現(xiàn)上行鏈路參數(shù)調(diào)整的情況下，基站或后端系統(tǒng)在選擇最優(yōu)參數(shù)（如信道或最優(yōu)數(shù)據(jù)速率）方面起著至關(guān)重要的作用，從而提高可靠性和能量效率。

總之，在網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性和低成本終端設(shè)備的簡(jiǎn)單性之間存在有明顯的折衷。大多數(shù)LPWA技術(shù)使用低功耗終端設(shè)備來以大部分不協(xié)調(diào)和隨機(jī)的方式訪問有限的無線電源，這限制了網(wǎng)絡(luò)可以支持的設(shè)備數(shù)量。越來越多的最近發(fā)表的研究揭示了LPWA網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性的實(shí)際限制。

E.服務(wù)質(zhì)量

LPWA技術(shù)滿足不同需求的多種應(yīng)用程序。在一個(gè)極端情況下，它可以是對(duì)延遲能夠容忍的智能電表應(yīng)用程序，而在另一端應(yīng)該在最短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的警報(bào)的提供家庭安全的應(yīng)用程序。因此，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該在相同的底層LPWA技術(shù)上提供某種服務(wù)質(zhì)量（QoS）。對(duì)于在LPWA和移動(dòng)寬帶應(yīng)用之間共享底層無線電資源的蜂窩標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)為不同業(yè)務(wù)類型的共存定義相應(yīng)的機(jī)制。據(jù)我們所知，目前的LPWA技術(shù)沒有提供任何那怕是有限的QoS。

圖8、巨量IoT的應(yīng)用