LPWAN(低功耗广域网，Low Power Wide Area Network)是一种专为物联网(IoT)设计的无线通信技术。它具有低功耗、长距离和大规模部署的特点，适用于需要低带宽、低数据传输速率和广域覆盖的应用场景。
LPWAN的主要用途包括：
- 物联网设备通信：LPWAN能够支持大量电池供电的传感器和设备，通过低比特率进行长距离通信，非常适合物联网中的应用，如环境监测、智能计量、智能家居等。
- 机器对机器（M2M）通信：LPWAN可以满足机器对机器通信的需求，支持在广泛的地理区域内连接大量设备，同时提供可靠的电源效率和较低的成本。
- 公共服务和工业应用：LPWAN在公共服务和工业领域也有广泛应用，例如监控环境状况、远程控制设备、物流货物追踪等。
LPWAN技术可以分为两大类：一类是工作在未授权频谱上的技术，如LoRa和SigFox;另一类是工作在授权频谱上的技术，如NB-IoT和LTE Cat-M1.这些技术由3GPP标准化。这些技术共同的特点是低功耗、长距离覆盖，并且能够在低成本下实现大规模的设备连接。
一、 LPWAN技术在环境监测中的具体应用
LPWAN技术在环境监测中的具体应用案例包括以下几个方面：
- 水质监测：LPWAN技术被广泛应用于水质监测中。例如，通过传感器监测水中的PH值、溶解氧、浊度等指标，并将数据通过LPWAN网络传输到监测中心，从而实时了解水质状况并采取相应措施保护水资源。此外，还有基于LoRaWAN技术的无线传感器网络用于沿海地区水质参数的监测，以评估其对生物多样性的影响。
- 空气质量监测：LPWAN技术也被用于空气质量监测。研究中使用LoRa和NB-IoT技术结合MQTT协议，创建了一个经济高效且节能的实时空气质量监测系统。
- 森林火灾监测：LPWAN技术还被应用于森林火灾监测，通过传感器网络实时监控森林环境，以便及时发现并处理火灾隐患。
- 温室环境监测：在农业领域，LPWAN技术用于温室环境监测，通过部署传感器节点、网关、数据服务器和用户客户端，实时获取温度、湿度和二氧化碳浓度等关键环境参数，支持作物生长过程的精确控制和优化。
- 污水排放监测：LPWAN技术还被用于污水排放监测，研华公司开发了一套基于LoRa无线感测终端的解决方案，能够覆盖五公里半径范围，有效监控废水排放。
二、 LoRa和SigFox技术在未授权频谱上的工作原理及其优势
LoRa和SigFox技术都是在未授权频谱上工作的LPWA(低功耗广域网)通信技术，它们各自具有独特的工作原理和优势。
1. LoRa技术的工作原理及其优势：
- 工作频段：LoRa主要工作在全球免费的非授权频段，如433 MHz、868 MHz和915 MHz。这些频段通常用于物联网(IoT)网络的构建。
- 扩频技术：LoRa采用线性调频扩频技术，通过在较宽的频带上发送信号来抵抗多径衰落和干扰。这种技术使得LoRa能够在长距离内保持较高的通信质量。
- 覆盖范围：LoRa能够实现较远的通信距离，例如在相同的发射功率下，其覆盖范围可以达到15公里。这使得LoRa非常适合需要长距离覆盖的应用场景，如智能计量、工业自动化和资产追踪等。
- 低功耗：LoRa技术具有低功耗的特点，适用于电池供电的设备，从而延长了设备的使用寿命。
- 网络架构：LoRa采用星型网络架构，相比网状网络架构具有低延迟和简单的特点。这种架构有助于简化网络部署和管理。
2. SigFox技术的工作原理及其优势：
- 工作频段：SigFox也利用非授权的ISM频段作为工作频段，通过UNB(超窄带)技术来降低发射信号占用的带宽。
- 超窄带技术：SigFox使用超窄带技术，传输速率较低(约100 bps)，但能够在非常有限的频谱带宽内高效传输数据。这种技术特别适合于需要长距离覆盖和低数据速率需求的应用场景。
- 高能效：SigFox的UNB技术实现了高效、低功耗的广域网通信，非常适合于需要长时间运行且对数据安全性要求不高的应用。
- 覆盖范围：SigFox的覆盖范围可以达到50公里，这使其在需要广泛覆盖的场景中表现出色。
- 数据存储：SigFox的数据存储由公司自己进行，虽然这在公信力和信息安全方面可能存在疑问，但其低成本和简单的数据传输使其在某些应用场景中更具吸引力。
LoRa和SigFox各有其独特的优势。LoRa以其长距离和高覆盖范围著称，适合需要长距离传输和高可靠性的应用;
三、 NB-IoT和LTE Cat-M1技术在授权频谱上的性能比较
NB-IoT和LTE Cat-M1在授权频谱上的性能存在一些差异。
从覆盖范围来看，NB-IoT的链路预算(覆盖能力)比LTE Cat-M1更高。根据3GPP的描述，NB-IoT的链路预算为164dB，而LTE Cat-M1的链路预算为155.7dB，这意味着NB-IoT在覆盖上具有优势，尤其是在室内等复杂环境中。
在数据速率方面，LTE Cat-M1的数据速率上限可以达到1 Mbps，而NB-IoT的数据速率则较低，通常在几十kbps左右。这表明LTE Cat-M1在需要较高数据传输的应用场景中可能更具优势。
此外，LTE Cat-M1支持更广泛的移动性，包括有限到完全的移动性，这对于需要频繁移动的设备(如资产追踪)非常重要。相比之下，NB-IoT仅支持小区重选，适用于静态或半静态的物联网用例。
NB-IoT和LTE Cat-M1各有优势。NB-IoT在覆盖范围上更优，适合于需要广泛覆盖的应用场景;
四、 LPWAN技术在智能家居领域的最新进展
LPWAN(低功耗广域网)技术在智能家居领域的最新进展主要体现在LoRaWAN的应用和推广上。LoRaWAN是一种专门为物联网设计的LPWAN协议，具有极强的抗干扰能力，能够有效连接电池供电的设备到本地、区域、国家甚至全球网络。这种技术在智能家居中的应用包括智能城市、建筑、智能农业等多个领域，目前已有超过1.05亿台设备采用LoRaWAN技术。
LoRaWAN的主要特点包括低功耗、长距离覆盖和高抗干扰能力，使其成为智能家居中理想的通信解决方案。例如，它可以在建筑物内放置和连接低功耗设备，替代蓝牙或WiFi等传统技术。此外，LoRaWAN的灵活性和低成本也使其成为许多企业物联网项目的关键基础设施。
然而，尽管LoRaWAN在智能家居领域取得了显著进展，但也存在一些挑战，例如传输成功率不保证以及可能受到其他同带宽传输的影响。
五、 LPWAN技术在公共服务和工业应用中的经济效益?
评估LPWAN技术在公共服务和工业应用中的经济效益可以从多个方面进行分析：
- 成本效益：LPWAN技术以其低成本的网关、基站和传感器而著称，这使得其在大规模部署时具有显著的成本优势。特别是在未授权频谱上运行的非授权LPWAN技术(如LoRaWAN)，由于监管负担较低，进一步降低了部署成本。此外，LPWAN技术能够通过长距离传输少量数据来提高效率，避免了大容量蜂窝网络的高成本使用。
- 投资回报率（ROI） ：LPWAN技术在公共服务中的应用，如智能街灯和公用事业计量，可以加快投资回报率。例如，在市政LPWAN网络中，通过引入第三方设备和扩展低成本节点的连接能力，可以提高网络的利用率并回收成本。
- 市场潜力与增长：根据市场预测，到2021年全球LPWAN市场将达到244.6亿美元，从2016年的10亿美元增长而来。这种快速增长表明LPWAN技术在物联网市场中的经济价值正在增加，并且预计到2025年将占所有物联网连接的11%。
- 应用多样性与扩展性：LPWAN技术适用于多种应用场景，包括工业农业、资产跟踪、石油天然气以及环境监测等。这些应用通常需要长距离传输少量数据，而LPWAN技术正好满足这些需求，从而提高了其在工业领域的经济效益。
- 环境与效率提升：在公共服务领域，LPWAN技术有助于提高能源和基础设施部门的效率，同时应对环境问题。例如，在智能城市建筑中，LPWAN技术可以用于智能街灯的管理，从而降低能源消耗并减少维护成本。
- 互操作性和生态系统：LPWAN技术的互操作性促进了不同供应商之间的合作，这有助于降低成本并提高网络的可靠性。活跃的生态系统和广泛的采用率也推动了创新和定制解决方案的发展。
LPWAN技术在公共服务和工业应用中展现了显著的经济效益，包括成本效益、快速的投资回报、市场潜力、应用多样性、环境效益以及强大的生态系统支持。
