低功耗广域网络(LPWAN)涵盖了一系列用于连接低功耗设备的技术，如物联网(IoT)和机器对机器(M2M)通信中的传感器和控制器。物联网和M2M通信要求无线传感器网络具有一定的要求，如远程、延长电池寿命和极低的终端成本[1]。LPWAN技术成功地满足了物联网和M2M通信的所有这些要求。因此，它们在物联网行业中得到了更广泛的认可。Machina Research预测，到2022年LPWAN连接将达到14亿个，因此LPWAN连接将超过2G、3G和4G，成为物联网和M2M连接的领先技术。
在大多数LPWAN技术中，在物理层使用两种主要的替代通信技术，超窄带(UNB)和扩频(SS)。UNB技术用于传输带宽非常小的信号，主要适用于较小的上行流量。由于信号处理技术的进步，这种旧的UNB技术再次被用于物联网和M2M通信。在UNB中，信号用突变相移调制调制。随后，通过UNB滤波器进行处理，以过滤所有的边带和谐波，保持一个单边带。
SS技术是军事应用中最古老的通信技术之一，通过在大频段内传播原始信号实现安全通信。SS技术使用比实际信号额外的带宽，尽管它保持相同的信号功率。它在频谱中没有明显的峰值，类似于噪声，因此很难干扰或拦截。
UNB和SS都满足了工业物联网系统的远程覆盖和长电池寿命的要求。但是UNB和SS是不同的技术，其中最明显的区别是使用超窄带和宽带。两者对于物联网/M2M连接都有各自的优势和局限性。本文通过研究影响LPWAN技术性能的一些最关键因素，如干扰、容量、链路预算和共存，解决了UNB和SS的这种选择困境。此外，它评估了最流行的基于unb的LPWAN技术Sigfox和Telensa，以及基于ss的LPWAN技术LoRa和RPMA，调查它们在物联网应用中的优势和局限性。
LPWAN是什么?低功率广域网(LPWAN)是由低功耗(低功耗的消耗)和广域网络(远距离通信)两个短语组合而成，描述了它的两个内在特征:小功率预算(即较长的电池寿命)和扩展的传输范围。LPWAN的这些特点，例如，低成本和低数据率，使其成为无线通信的独特通信技术和物联网和M2M应用的首选。虽然LPWAN不是单一的技术，但它包含了一系列技术，用于连接物联网和M2M通信中的传感器和控制器等低功耗设备。LPWAN技术可以在许可或未许可的频谱上运行，包括专有、联盟或开放标准选项。网络设计师利用LPWAN技术设计定制的无线传感器网络，并为特定的物联网和M2M应用定制传输的成本、覆盖范围和功耗。
为什么LPWAN适合物联网和M2M?今天，有几种无线通信技术可用于设计无线网络，然而，就数据速率、通信范围和功耗(电池寿命)而言，大多数都不完全适合物联网和M2M通信。如下图所示：
- 一些无线通信技术提供了更高的数据速率、更远的距离和更高的功率需求(如蜂窝LTE、WiMax);
- 一些通信技术提供较低的数据速率、较短的距离和较低的功率需求(如蓝牙/BLE);或一些通信技术提供更高的数据速率，短的距离和更高的电力需求(如WiFi)。
然而，大多数物联网和M2M解决方案需要一个无线传感器网络，提供更低的数据速率，更长的距离和更低的电源需求(更长的电池寿命)，这是不能完全满足现有的无线通信技术，如前所述。LPWAN技术旨在满足这些要求，因此，它们非常适合在保持长电池寿命的同时，远距离发送少量数据的物联网和M2M通信。此外，许多LPWAN技术在城市和恶劣的户外环境等有障碍物的环境中表现良好。
要成功支持物联网和M2M系统的商业部署，LPWAN技术的主要特征是:
- 远距离
- 低功耗
- 低数据速率
- 设备和部署成本低
- 简化网络拓扑和部署
- 全覆盖(改进的室外和室内渗透覆盖)
- 容量升级的网络可扩展性
在物联网和M2M通信中，选择LPWAN技术取决于具体的应用领域及其具体要求，如数据速率、范围、能量预算、频带、双向性、网络成本、可扩展性和安全性。虽然有许多LPWAN技术，但大致可以分为两类:授权的LPWAN技术(如NB - IOT、LTE-M-IoT、EC-ISM-IoT和5G IoT)和免授权或未授权的LPWAN技术(如Sigfox、Telensa、LoRa和RPMA)。大多数LPWAN技术使用两种主要的替代方法来支持物理层通信超窄带(UNB)和扩频(SS)。除了选择许可的和未许可的LPWAN外，在选择满足特定物联网/M2M应用需求的UNB和SS时，了解它们的优缺点是至关重要的。
超窄带(UNB-ULTRA NARROW BAND )和扩频频谱(SS-SPREAD SPECTRUM)技术超窄带：采用超窄频谱信道(工业物联网系统的LPWAN技术。此外，其超高的功率谱密度(PSD)可以抵御干扰和干扰，使UNB在共享频段上友好共存。许多传统的调制方法需要在整个载频中留出上下侧带。UNB调制是一种改进的不太依赖其侧带的数据传输方法。
扩频：是工业物联网系统的一种替代技术，它使用宽带(类噪声信号)传输数据，并将数据信号传播到比实际数据信号带宽大得多的带宽上。与窄带不同，窄带的数据是通过单个射频波段传输的;而在SS中，数据通过交替地改变其载波频率或连续地改变数据的模式来传输。SS发射机与窄带发射机的发射功率水平相同。这是因为SS信号较宽，因此，与窄带发射机相比，它们可以以较低的谱功率密度(W/Hz)发射。这是SS的最大优势之一，它在低功耗物联网设备中很受欢迎。此外，SS信号难以检测、拦截、解调和干扰。SS技术可分为DSSS、FHSS和CSS等几类。
