LPWAN与LoraWAN的关系 LPWAN的特点

LPWAN或称LPN，全称为LowPower Wide Area Network或者LowPower Network，指的是一种无线网络。这种无线网络强调低功耗与远距离，通常用于电池供电的传感器节点组网。因为低功耗与低速率的特点，这种网络与其他用于商业，个人数据共享的无线网络(如WiFi，蓝牙等)有着鲜明的区别。

应用中，LPWAN可使用集中器组建为私有网络，也可利用网关连到公有网络上去。

LPWAN因为跟LoRaWAN名字类似，再加上最近的LoRaWAN在IoT领域引起的热潮，使得不少人对这两个概念有所混淆。事实上LoRaWAN仅仅是LPWAN的一种，还有几种类似的技术在与LoRaWAN进行竞争。

图1 LPWAN与其他无线网络相比

概括来讲，LPWAN具有如下特点：

双向通信，有应答

星形拓扑(一般情况下不使用中继器，也不使用Mesh组网，以求简洁)

低数据速率

低成本

非常长的电池使用时间

通信距离较远

LPWAN适合的应用:

IoT，M2M

工业自动化

低功耗应用

电池供电的传感器

智慧城市，智慧农业，抄表，街灯控制等等

同样是因为名字类似，不少人将LoRaWAN与LoRa两个概念混淆。事实上LoRaWAN指的是MAC层的组网协议。而LoRa只是一个物理层的协议。虽然现有的LoRaWAN组网基本上都使用LoRa作为物理层，但是LoRaWAN的协议也列出了在某些频段也可以使用GFSK作为物理层。从网络分层的角度来讲，LoRaWAN可以使用任何物理层的协议，LoRa也可以作为其他组网技术的物理层。事实上有几种与LoRaWAN竞争的技术在物理层也采用了LoRa。

图2 LoraWAN网络分层(图中物理层使用Lora,但是要注意物理层与MAC层独立,至于无线频段,图中使用的ISM频段,但从技术角度来讲也可使用其他任何频段)

LoraWAN的主要竞争技术    

市场上存在多个同样使用LoRa作为物理层的LPWAN技术，例如深圳艾森智能（AISenz Inc.）的aiCast。aiCast支持单播、多播和组播，比LoRaWAN更加复杂完备。许多LoRaWAN下不可能的应用因此可以实现。

Sigfox使用慢速率的BPSK(300bps)，也有一些较有前景的应用案例。

NB-IoT(Narrow Band-IoT)是电信业基于现有移动通信技术的IoT网络。其特点是使用现有的蜂窝通信硬件与频段。不管是电信商还是硬件商，对这项技术热情很高。

LoRaWAN的核心技术是LoRa。LoRa是一种Semtech的私有调制技术(2012收购CycleoSAS公司得来)。为了便于不熟悉数字通信技术的读者理解，先介绍两个常见的调制技术FSK与OOK。选用这两个调制方式是因为：

1.这两个是最简单、最基础、最常见的数字通信调制方式

2.在Semtech的SX127x芯片上与LoRa同时被支持，尤其是FSK经常被用来与LoRa比较性能。

OOK

OOK全称为On-Off Keying。核心思想是用有载波表示一个二进制值(一般是1，也可能反向表示0)，无载波表示另外一个二进制值(正向是0，反向是1)。

图3 OOK时域波形

在0与1切换时也会插入一个比较短的空的无载波间隔，可以为多径延迟增加一点冗余以便接收端解调。OOK对于低功耗的无线应用很有优势，因为只用传输大约一半的载波，其余时间可以关掉载波以省功耗。缺点是抗噪音性能较差。

FSK

FSK全称为Frequency Shift Keying。LoRaWAN协议也在某些频段写明除LoRa之外也支持(G)FSK。FSK的核心思想是用两种频率的载波分别表示1与0。只要两种频率相差足够大，接收端用简单的滤波器即可完成解调。

图4 FSK时域波形

对于发送端，简单的做法就是做两个频率发生器，一个频率在Fmark，另一个频率在Fspace。用基带信号的1与0控制输出即可完成FSK调制。但这样的实现中，两个频率源的相位通常不同步，而导致0与1切换时产生不连续，最终对接收器来讲会产生额外的干扰。实际的FSK系统通常只使用一个频率源，在0与1切换时控制频率源发生偏移。

GFSK是基带信号进入调制前加一个高斯(Gaussian)窗口，使得频率的偏移更加平滑。目的是减少边带(Sideband)频率的功率，以降低对相邻频段的干扰。代价是增加了码间干扰。