物联网(IoT)中低功率广域(LPWA)技术介绍

D. IETF
IETF旨在通过标准化超低功耗设备和应用的端到端IP连接来支持主要专有技术的LPWA生态系统。 IETF已经为低功耗无线个人局域网（6LoWPAN）设计了IPv6堆栈。然而，这些标准化工作侧重于传统的基于IEEE 802.15.4的无线网络，与目前大多数LPWA技术相比其支持相对较高的数据速率，更长的有效负载大小和更短的覆盖范围。然而，LPWA技术的独特特征为IP连接提出了真正的技术挑战。首先，LPWA技术是异构的：每个技术人员使用不同的物理层和MAC层来处理不同格式的数据。其次，大多数技术使用ISM频段，这些频段受到严格的区域规定的限制，限制了数据传输的最大数据速率，时间和频率。第三，许多技术的特征在于上行链路和下行链路之间的链路不对称性强，通常限制下行链路能力。因此，所提出的IP堆栈应该足够轻（lightweight），以限制这些非常严格的底层技术。不幸的是，这些挑战在早期的IETF标准化工作中并没有得到解决。

在2011年4月，IETF总部成立了一个低功耗广域网（LPWAN）工作组（参见：https://datatracker.ietf.org/wg/lpwan/charter/）。该组织确定了LPWA技术的IPv6连接的挑战和设计领域。未来的努力可能最终会导致出现多种标准，为LPWA（6LPWA）定义了一个完整的IPv6堆栈，可以以安全和可扩展的方式将LPWA设备与其他外部生态系统相连接。该IETF组要解决的更具体的技术问题描述如下：

?帧头压缩。 LPWA技术的最大有效载荷大小有限。帧头压缩技术就是针对这些小的有效载荷大小以及LPWA设备的稀疏和不频繁的流量。

?分段和重组。大多数LPWA技术本身不支持第二层（L2）的碎片化和重新布局。由于IPv6报文通常太大，无法容纳在单个L2报文中，因此需要定义IPv6报文的分段和重组机制。

?管理。为了管理终端设备，应用，基站和服务器，需要超轻量级的信令协议，可以在约束的L2技术上有效地运行。为此，IETF可以研究有效的应用级信令协议（参见：https://tools.ietf.org/html/draft-pelov-core-cosol-01）。

?安全，完整和隐私。 IP连接应保持在LPWA无线电接入网络及其以外的数据的安全性，完整性和隐私。大多数LPWA技术使用对称密钥cryptogra-phy，其中终端设备和网络共享相同的密钥。可以研究更强大和有弹性的技术和机制。

E. LORA?联盟
如第三部分所述，LORa是LPWA连接的专有物理层。然而，上层和系统架构由LORa?联盟根据LORaWAN?规范定义的（参见：https://www.lora-alliance.org/portals/0/specs/LoRaWAN%20Specification%201R0.pdf），于2015年7月发布。

在MAC层使用简单的ALOHA方案，其与LORa物理层结合使得多个设备能够同时进行通信，但是使用不同的信道和/或正交码（即扩频因子）。终端设备可以跳转到任何基站，而不需要额外的信令开销。基站通过回程将终端设备连接到网络服务器，LORAWAN系统的大脑禁止重复接收，自适应无线电接入链路，并将数据转发到合适的应用服务器中。然后应用服务器处理接收到的数据并执行用户定义的任务。

LORAWAN预计，根据应用需求，设备将具有不同的功能。因此，LORAWAN定义了三种不同类别的终端设备，它们都支持双向通信，但具有不同的下行延迟和功率要求。 A类设备实现了最长的使用寿命，但延时最长。只有在上行传输之后才能听到下行通信。此外，B类设备可以以某些时间间隔调度来自基站的下行接收。因此，只有在这些商定的时间段内，应用程序可以向终端设备发送控制消息（用于可能执行启动功能）。最后，C类设备通常由市电供电，具有在任何时间以尽可能短的延迟连续监听和接收下行链路传输的能力。

LORAWAN标准使用对称密钥加密技术来验证终端设备与网络，并保护应用程序数据的隐私。

F. WEIGHTLESS-SIG
WEIGHTLESS特别兴趣小组（参见;http://www.weightless.org/）提出了三个开放的LPWA标准，每个标准提供不同的功能，范围和功耗。这些标准可以在无许可证频谱以及许可频谱中运行。

WEIGHTLESS-W利用电视白频谱的优异信号传播特性。它支持多种调制方案，包括16正交幅度调制（16-QAM）和差分BPSK（DBPSK）以及广泛的扩频因子。根据链路预算，可以以1 kbps和10 Mbps之间的速率传输大小在10字节以上的数据包。终端设备在窄带中发送到基站，但是以比基站更低的功率电平发送以节省能量。 WEIGHTLESS-W有一个缺点。电视白频谱的共享访问仅允许在少数地区，因此WEIGHTLESS-SIG定义了ISM频带中的另外两个标准，可用于全球共享访问。

WEIGHTLESS-N是UNB标准，仅用于从终端设备到基站的单向通信，与其他WEIGHTLESS标准相比，实现了显著的能源效率和低成本。它在SUB-GHZ频段使用DBPSK调制方案。然而，单向通信限制了WEIGHTLESS-N的用例数量。

WEIGHTLESS-P将双向连接与两个非专有物理层进行了融合。它使用GMSK和正交相移键控（QPSK）来调制信号，这是两种在不同商业产品中采用的众所周知的方案。因此，终端设备不需要专有的芯片组。 SUB-GHZ ISM频段中的每个12.5 kHz窄频道提供0.2 kbps至100 kbps范围内的数据速率。完全支持确认和双向通信功能，可以实现固件升级。

像LORAWAN一样，所有WEIGHTLESS标准都采用符号密钥加密技术来验证终端设备和应用数据的完整性。