低功耗广域网络(LPWAN)具有以下几个显著特点：
- 低功耗：LPWAN使用低功耗的传输技术和设计，能够显著降低节点的能耗，从而延长电池寿命。例如，LoRa技术在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一。
- 长距离、大覆盖范围：LPWAN的基站与节点之间的通信距离远，能够覆盖广阔的区域。一般情况下，其传输距离可以超过5公里，甚至达到几十公里。这种特性使其非常适合大规模物联网设备的连接和通信。
- 低成本：相对于其他无线技术如蜂窝移动通信等，LPWAN的建设成本较低，更加经济和实用。它通过简化网络拓扑结构和部署过程，进一步降低了基础设施成本。
- 多种技术实现：LPWAN可以通过多种无线技术实现，例如LoRa、Sigfox、NB-IoT等。这些技术各有优势，适用于不同的应用场景。
- 低数据速率：LPWAN通常以低比特率进行远距离通信，这使得它能够满足物联网和机器对机器(M2M)应用中对较低数据速率的需求。
- 高可靠性：由于其低功耗和长距离的特点，LPWAN在智能城市、环境监测、工业自动化等领域得到了广泛应用，并且表现出较高的可靠性和抗干扰能力。
- 星型网络拓扑结构：LPWAN采用星型网络拓扑结构，每个终端点直接连接到公共中央接入点，这简化了终端设备的实现并降低了功耗。
低功耗广域网络(LPWAN)以其低功耗、长距离、低成本、高可靠性和多种技术实现方式，在物联网领域展现出巨大的应用潜力和优势。
一、 低功耗广域网络(LPWAN)的最新技术进展
低功耗广域网络(LPWAN)的最新技术进展主要集中在以下几个方面：
- LoRa技术和NB-IoT技术的发展：LoRaWAN和NB-IoT是当前LPWAN领域中的两种主要技术。LoRaWAN因其长距离连接能力和低能耗性能，被广泛应用于智能城市、农业监控和环境监测等领域。NB-IoT则在物联网设备的互联互通中提供了强大的支持，特别是在需要高密度连接的场景下表现优异。
- 超窄带(UNB)与扩频(SS)技术的比较：在LPWAN技术中，超窄带(UNB)和扩频(SS)两种通信技术各有优缺点。UNB技术在用户较少时可以实现网络共存，而SS技术由于干扰问题，在多网络共存时可能会遇到更多挑战。这两种技术的选择取决于具体的应用场景和需求。
- 多种LPWAN技术并存的趋势：LPWAN技术领域高度碎片化，存在多种协议并行使用，包括Wi-SUN、PLUS LR、M-Bus、NB-IoT和LTE-M等。这些技术在不同的数据速率需求和区域/细分市场中都有各自的应用场景。
- 智慧城市和农村地区的普及：LPWAN技术在智慧城市和农村地区的应用正在迅速发展，并且也在向其他领域扩展，从2.4GHz到卫星网络的覆盖范围不断扩大。
- 市场现状和发展前景：根据最新的市场调研报告，全球与中国低功耗广域网市场的现状和发展前景得到了系统总结和预测。报告指出，LPWAN产业的发展态势良好，技术现状及趋势也得到了进一步的分析和展望。
二、 LoRa、Sigfox和NB-IoT在LPWAN应用中的性能比较
在低功耗广域网(LPWAN)应用中，LoRa、Sigfox和NB-IoT各有其独特的性能表现。以下是对这三种技术的详细比较：
1.信号覆盖范围：
- NB-IoT：具有较大的信号覆盖范围，适用于需要大范围覆盖的应用场景。
- LoRa：虽然传输距离较短，但其信号穿透力强，适合于复杂环境中的长距离传输。
- Sigfox：由于其工作频率较低，覆盖范围最大，因此在开阔地区和远距离传输方面表现最佳。
2.数据传输速率：
- NB-IoT：支持较高的数据传输速率，平均可以达到512字节每消息，适合对数据量要求较高的应用。
- LoRa：数据传输速率相对较低，但可以通过增加信息量来提高效率。
- Sigfox：数据传输速率最低，每个消息最多只能传输24字节的数据。
3.终端连接数：
- NB-IoT：能够支持更多的终端连接数，适合大规模物联网应用。
- LoRa和Sigfox：在这方面的具体数据未明确提及，但通常情况下，NB-IoT的连接数更多。
4.功耗：
- LoRa：在低数据率应用中具有最佳的功耗效率，是三种技术中最为节能的一种。
- Sigfox：由于其低数据率和简单的协议设计，整体功耗较低，但在高数据率下可能不如LoRa。
- NB-IoT：尽管其复杂性较高，但在某些情况下也能表现出良好的能效比。
5.成本：
- LoRa：硬件成本低且功耗小，适合于小数据量、大范围的传输应用，并且在城市低密度场景下具有较高的成本效益。
- Sigfox：由于其无需专用网关，部署成本较低，但在高密度场景下可能需要更多的基站以保证覆盖。
- NB-IoT：由于其复杂的物理层和访问控制机制，初期部署成本较高，但在农村和高密度场景下具有较高的成本效益。
6.使用频段及频谱授权：
- NB-IoT：使用蜂窝频段，需要频谱授权，但可以通过运营商网络实现快速部署。
- LoRa和Sigfox：均为非蜂窝技术，不需要频谱授权，部署更为灵活。
LoRa、Sigfox和NB-IoT在LPWAN应用中的性能各有优劣。选择哪种技术取决于具体的应用需求，如覆盖范围、数据传输速率、终端连接数、功耗和成本等因素。对于需要大范围覆盖和高数据传输速率的应用，NB-IoT可能是最佳选择;
三、 LPWAN在智能城市和环境监测领域的具体应用案例
在智能城市和环境监测领域，LPWAN(低功耗广域网)技术尤其是基于LoRaWAN协议的解决方案，已经得到了广泛应用。以下是几个具体的应用案例：
Semtech的LoRa技术通过低功耗、广覆盖的网络为智能城市提供了智能感知和控制基础设施。这种技术能够高效地收集和分析来自数千个连接设备的数据，从而实现对城市服务的智能决策。
在武汉菲奥达物联科技有限公司的一个项目中，利用LPWAN技术对老旧社区的消防设施进行了升级。该项目包括烟感探测器、电气火灾监测和可燃气体探测等，实现了对消防设备的统一管理和监控，提高了物业监管效率，并方便居民远程获取安全信息和报警。
根据ABI Research的研究，到2026年，非蜂窝型LPWAN技术如Semtech的LoRa设备和LoRaWAN协议将占所有智能水表部署的20%以上。这些智能计量系统利用其长距离能力和低功耗特性，为电池供电的水表提供优势。
一个基于LoRaWAN的物联网空气质量监测系统(AQMS)被部署在户外环境中，用于及时收集空气质量和更新云数据。该系统验证了其可靠性和有效性，展示了LPWAN在环境监测中的应用潜力。
江苏省构建了一个全省“网维联控”的智慧监测体系，重点打造了“生态环境数据超市”和“空气质量高值区智慧管理”两个试点应用场景，取得了初步成效。这种创新应用展示了LPWAN在大规模环境监测中的实际效果。
四、 LPWAN的能耗优化策略有哪些
LPWAN(低功耗广域网)的能耗优化策略主要包括以下几种：
- 动态调整网络资源：通过动态调整基站(BS)的激活天线元素数量，可以显著降低能耗。例如，减少TxRU(发射接收单元)的数量在轻负载情况下能有效降低功耗，但可能会增加数据包延迟。
- 主动切换策略：在网络中引入主动切换策略，即AP(接入点)联合邻居AP的信息对满足切换判别条件的终端进行主动切换，从而降低网络中AP的发射功率，进一步优化网络能耗。
- 软件定义无线网络(SDWN)结构：采用SDWN结构，通过量子熵基禁忌搜索算法(QETS)选择要关闭的BS，以实现更高的节能效果。该方法比传统的贪心算法和量子启发式禁忌搜索算法具有更快的收敛速度，并且可以在集中控制器中作为软件部署。
- 联合设计空间域和频域技术：采用联合设计空间域和频域技术来平衡能量消耗、覆盖范围和容量，支持SSB和CSI-RS更新机制。此外，还建议使用关联TRX池索引和半静态网络能源节约配置来优化能量管理。
这些策略的效果评估如下：
- 节能效果显著：通过动态调整网络资源和主动切换策略，能够有效降低网络中的功耗。例如，减少TxRU数量在轻负载情况下可以显著降低能耗，同时保持较高的网络性能。
- 提高系统稳定性：采用SDWN结构和QETS算法不仅提高了节能效果，还确保了系统的稳定性和可靠性。QETS算法在理论分析和模拟结果中表现出比传统算法更好的收敛速度和优化概率。
- 用户体验影响较小：尽管某些策略可能带来一定的数据包延迟增加，但总体上，这些策略在不显著影响用户体验的前提下实现了显著的节能效果。
五、 星型网络拓扑结构对LPWAN性能的影响及其优化方法
星型网络拓扑结构在LPWAN(低功耗广域网)中的应用具有显著的性能影响及其优化方法。
1. 性能影响
- 中心节点负荷重：星型网络中，所有设备都通过点到点链路与中心节点相连，信息传输需要经过中心节点的存储转发技术。这导致中心节点的负荷非常重，一旦中心节点发生故障，整个网络将无法工作。
- 线路利用率低：由于每条通信线路只被该线路上的中央节点和一个站点使用，线路利用率不高。
- 能量消耗高：在多跳配置中，每个LoRa设备需要识别其能量消耗、流量速率和剩余电池寿命，以指导特定设备与更接近的LoRa设备通信，从而实现节能。
2. 优化方法
- 优化中心节点性能：确保中心节点的处理能力和稳定性是优化星型网络拓扑结构的关键。可以通过增加冗余设计来提高中心节点的可靠性和冗余度。
- 合理分配网络带宽：通过合理规划带宽分配和负载均衡策略，可以有效避免网络过度拥塞，从而提高网络性能。
- 定期检查和维护网络设备：确保网络设备正常运行，减少因设备故障导致的网络中断。
- 调整链路容量或路径选择策略：针对带宽利用率低的情况，可以考虑调整链路容量或路径选择策略;针对延迟较高的情况，可以考虑优化路由选择等。
- 结合图论与关系矩阵进行优化：利用图论与关系矩阵的相关知识，根据接近中心性和无向完全图的概念，提出提高网络性能的方法。
