許多標(biāo)準(zhǔn)化工作由包括電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE），歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）和第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）以及工業(yè)聯(lián)盟（如WEIGHTLESS-SIG）， LORa?聯(lián)盟和DASH7聯(lián)盟等在內(nèi)的不同的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)進(jìn)行的。圖1提出標(biāo)準(zhǔn)的各種開發(fā)組織，文章最后的表1總結(jié)了不同標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)規(guī)格。一些LPWA技術(shù)的定性比較可以在相關(guān)文獻(xiàn)中找到。并且大多數(shù)這些標(biāo)準(zhǔn)化努力還涉及本公眾號(hào)前面討論的幾個(gè)專有的LPWA連接提供商。這些SDO和SIG的目標(biāo)是相當(dāng)多樣化的。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，希望采用這些標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)減少LPWA市場(chǎng)的分散度，并使多種競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)能夠共存。

圖1、各種LPWA的標(biāo)準(zhǔn)化組織

A. IEEE

IEEE正在擴(kuò)展其802.15.4 （參見：http://standards.ieee.org/findstds/standard/802.15.4-2011.html）和802.11 （參見：http://standards.ieee.org/about/get/802/802.11.html）標(biāo)準(zhǔn)的覆蓋范圍并降低功耗，并提供相應(yīng)的物理層和MAC層的新協(xié)議規(guī)范。IEEE提出了兩個(gè)LPWA標(biāo)準(zhǔn)作為IEEE 802.15.4低速無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（LR-WPAN）基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的修訂版，我們將本文中介紹。此外，本文還簡(jiǎn)要描述了為實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)覆蓋范圍對(duì)用于無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）的IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的修改努力。

圖2、IEEE的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)化組織架構(gòu)

1）IEEE 802.15.4k：低能量，關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)：IEEE 802.15.4k任務(wù)組（TG4k）提出了一種低能量關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控（LECIM：low-energy critical infrastructure monitoring ）應(yīng)用在ISM頻段（SUB- GHZ和2.4 GHz）頻段的標(biāo)準(zhǔn)。這是對(duì)早期標(biāo)準(zhǔn)在滿足LPWA應(yīng)用所需的覆蓋范圍以及節(jié)點(diǎn)密度不足的事實(shí)的回應(yīng)。 IEEE 802.15.4k修正版通過(guò)采用DSSS和FSK兩個(gè)新的PHY層調(diào)制方式來(lái)彌補(bǔ)這一差距?？梢允褂梅秶鷱?00kHz到1MHz的多個(gè)離散的信道帶寬。 MAC層的規(guī)范也被修改以適應(yīng)新的物理層。該標(biāo)準(zhǔn)支持常規(guī)的無(wú)優(yōu)先級(jí)通道訪問（PCA）的CSMA / CA，，以及具有PCA的CSMA和ALOHA。使用PCA，設(shè)備和基站可以優(yōu)先考慮其訪問介質(zhì)的流量，從而提供服務(wù)質(zhì)量（quality of service）的概念。像大多數(shù)LPWA標(biāo)準(zhǔn)一樣，終端設(shè)備以星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接到基站，并能夠交換異步和調(diào)度消息。

圖3、IEEE的802.15.4協(xié)議架構(gòu)

基于IEEE 802.15.4k的基于LPWA的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)部署例子，該例子中部署了一個(gè)星形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，其中1個(gè)接入點(diǎn)和5個(gè)節(jié)點(diǎn)部署在距離大學(xué)校園中心3公里的半徑范圍內(nèi)。接入點(diǎn)工作在433 MHz頻段的頻譜上。使用15 dBm的發(fā)射功率，收發(fā)信機(jī)可以根據(jù)數(shù)據(jù)速率要求支持不同的靈敏度，例如對(duì)于分別對(duì)應(yīng)于300 bps，1.2 kbps和50 kbps的數(shù)據(jù)速率，可以實(shí)現(xiàn)-129 dBm，-123 dBm和-110 dBm的接收靈敏度。

INGENU，RPMA LPWA技術(shù)提供商（參見：http://theinternetofthings.report/Resources/Whitepapers/4cbc5e5e-6ef8-4455-b8cd-f6e3888624cb_RPMA%20Technology.pdf），是本標(biāo)準(zhǔn)的支持者。 INGENU LPWA技術(shù)的PHY和MAC層符合本標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2）IEEE 802.15.4g：低數(shù)據(jù)速率，無(wú)線，智能電表電力網(wǎng)絡(luò)（ Low-Data-Rate, Wireless, Smart Metering Utility Networks）：IEEE 802.15 WPAN任務(wù)組4g（TG4g）提出了第一套PHY修改，以擴(kuò)展IEEE 802.15.4基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的短距離組合。 2012年4月發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)涉及諸如智能電表計(jì)量網(wǎng)絡(luò)之類的過(guò)程控制應(yīng)用，這些智能計(jì)量網(wǎng)絡(luò)固有地由部署在城市或國(guó)家的大量固定終端設(shè)備組成。該標(biāo)準(zhǔn)定義了三個(gè)PHY層，即FSK，正交頻分多址（OFDMA）和偏移第四相移鍵控（QPSK），其支持跨不同區(qū)域的40kbps到1Mbps的多個(gè)數(shù)據(jù)速率。除了在美國(guó)采用單一的許可頻段外，PHY主要在ISM（SUB-GHZ和2.4 GHz）頻帶中工作，因此與同一頻段內(nèi)的其他干擾技術(shù)共存。 PHY被設(shè)計(jì)為提供大小達(dá)1500字節(jié)的幀，以避免互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）分組數(shù)據(jù)包出現(xiàn)分段。

支持新PHY的MAC層的變化由IEEE 802.15.4e而不是由IEEE 802.15.4g標(biāo)準(zhǔn)本身定義。

3）IEEE 802.11：無(wú)線局域網(wǎng)：WLAN技術(shù)將在IoT中發(fā)揮重要作用。 IEEE 802.11任務(wù)組AH（TGah：IEEE 802.11 Task Group AH）和長(zhǎng)距離低功率（LRLP： Long Range Low Power）中的IEEE 802.11主題興趣組（TIG：Topic Interest Group））對(duì)WLAN進(jìn)行擴(kuò)展范圍和降低功耗的努力。

TGah （參見：http://www.ieee802.org/11/Reports/tgah_update.htm）提出了用于在SUB-GHZ ISM頻帶中運(yùn)行長(zhǎng)距離Wi-Fi操作的IEEE 802.11ah PHY層和MAC層規(guī)范。與IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)相比，該標(biāo)準(zhǔn)引入了幾個(gè)新功能，在戶外環(huán)境中實(shí)現(xiàn)1公里的覆蓋范圍，數(shù)據(jù)速率超過(guò)100 kbps。 PHY層采用比IEEE 802.11ac（早先的WiFi標(biāo)準(zhǔn)）慢10倍的OFDM調(diào)制方式，以擴(kuò)展通信范圍。在MAC層，減少了與幀，幀頭以及信標(biāo)相關(guān)聯(lián)的開銷，以延長(zhǎng)電池供電的工作壽命（參見文獻(xiàn)“IEEE 802.11ah: the WiFi approach for M2M communications”，下載地址：https://www.researchgate.net/publication/260268761_IEEE_80211ah_the_WiFi_approach_for_M2M_communications）。 MAC協(xié)議針對(duì)數(shù)千（8191）個(gè)連接終端設(shè)備的應(yīng)用進(jìn)行了裁減，從而減少了它們之間的沖突。終端設(shè)備支持在非活動(dòng)期間節(jié)省能量但仍保持與接入點(diǎn)的連接/同步的機(jī)制。隨著所有這些新的省電模式和覆蓋范圍的增強(qiáng)，IEEE 802.11ah確實(shí)提供比其他WLAN標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee和藍(lán)牙更大的覆蓋范圍和更低的能源消耗，但不如本文中討論的其他LPWA技術(shù)那么多。由于這個(gè)原因，越來(lái)越多的最近發(fā)表的研究和IETF草案文獻(xiàn)（參見：https://tools.ietf.org/html/draft-minaburo-lpwan-gap-analysis-02），（參見：https://datatracker.ietf.org/wg/lpwan/charter/）中并沒有采用IEEE 802.11ah作為L(zhǎng)PWA技術(shù)。實(shí)際上，IEEE 802.11ah為了適應(yīng)那些需要相對(duì)較高帶寬的應(yīng)用，因此犧牲了比其他LPWA技術(shù)更高的功耗。

在文獻(xiàn)“Feasibility study of IΕΕΕ 802.11ah radio technology for IoT and M2M use cases”（下載地址：http://www.ie.u-ryukyu.ac.jp/~wada/system15/fesibility_study_80211ah.pdf）中研究了使用IEEE 802.11ah進(jìn)行滿足IoT / M2M應(yīng)用場(chǎng)景的可行性。作者表明，當(dāng)使用900MHz頻帶時(shí)，對(duì)于下行鏈路情況，當(dāng)AP使用更高的發(fā)射功率（20-30dBm）時(shí)，可以直接實(shí)現(xiàn)1km的范圍和高于100kbps的數(shù)據(jù)速率。然而，對(duì)于上行鏈路情況，實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)時(shí)是相當(dāng)有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)榭蛻舳瞬僮鞯凸β剩? dBm），并且要進(jìn)行信號(hào)周期占空比循環(huán)以支持多年的電池運(yùn)行壽命。在這種情況下，作者強(qiáng)調(diào)使用編碼方案，更高的發(fā)射功率和更高的天線增益可能有助于改善這種情況，達(dá)到高達(dá)400米的覆蓋范圍。然而，這可能是以客戶端的電池壽命降低為代價(jià)的，這可能是不希望的。他們還建議，如果可靠性要求降低，覆蓋范圍可以進(jìn)一步提高，例如。他們能夠?qū)崿F(xiàn)1公里范圍的鏈路而可靠性低于60％。

新的主題興趣小組（TIG）于2016年在802.11的職權(quán)范圍內(nèi)成立，該小組旨在探討長(zhǎng)距離低功耗（LRLP）新標(biāo)準(zhǔn)的可行性（參見：http://www.ieee802.org/11/Reports/lrlp_update.htm）。在這項(xiàng)工作的早期階段，TIG已經(jīng)在"IEEE P802.11 Wireless LANs"(參見:http://www.ieee802.org/11/index.html)中定義了該技術(shù)的一些應(yīng)用場(chǎng)景和功能要求，但無(wú)法明確證明IEEE LAN / MAN標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（LMSC）對(duì)此活動(dòng)的需求。因此，LRLP的工作已經(jīng)有點(diǎn)啟動(dòng)過(guò)早。

B. ETSI

ETSI致力于標(biāo)準(zhǔn)化雙向低數(shù)據(jù)速率LPWA標(biāo)準(zhǔn)。被稱為低吞吐率網(wǎng)絡(luò)（LTN:Low Throughput Network ）的標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)工作于2014年以三組規(guī)格的形式發(fā)布。這些規(guī)范定義了i）使用情況（參見：http://www.etsi.org/deliver/etsi_gs/LTN/001_099/001/01.01.01_60/gs_LTN001v010101p.pdf） ii）功能體系架構(gòu)（參見：http://www.etsi.org/deliver/etsi_gs/LTN/001_099/002/01.01.01_60/gs_LTN002v010101p.pdf），以及iii）協(xié)議和接口（參見：http://www.etsi.org/deliver/etsi_gs/LTN/001_099/003/01.01.01_60/gs_LTN003v010101p.pdf）。其主要目標(biāo)之一是通過(guò)利用M2M / IoT通信的短有效載荷大小和低數(shù)據(jù)速率來(lái)減少電磁輻射。

除了對(duì)空中接口的建議外，LTN也為終端設(shè)備，基站，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器以及操作和業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)之間的協(xié)作定義了各種接口和協(xié)議。

圖4、ETSI的LTN例子

受新興LPWA網(wǎng)絡(luò)使用超窄帶寬（例如SIGFOX，TELENSA）和正交序列擴(kuò)頻（OSSS）（例如LORa）調(diào)制技術(shù)這一事實(shí)的推動(dòng)，LTN標(biāo)準(zhǔn)并不限于單一類別。只要終端設(shè)備，基站和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)LTN規(guī)范描述的接口，它就可以為L(zhǎng)PWA運(yùn)營(yíng)商提供靈活性，以便在SUB-GHZ ISM頻段內(nèi)設(shè)計(jì)和部署自己的專有UNB或OSSS調(diào)制方案 。這些規(guī)范建議中在上行鏈路使用BPSK調(diào)制方式，在下行鏈路中使用GFSK調(diào)制方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)UNB。或者，可以使用任何OSSS調(diào)制方案來(lái)支持雙向通信。數(shù)據(jù)加密以及用戶認(rèn)證過(guò)程被定義為L(zhǎng)TN規(guī)范的一部分。

許多LPWA技術(shù)提供商，如SIGFOX，TELENSA和Semtech等，積極參與ETSI的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)工作。

C. 3GPP

為了解決M2M和IoT市場(chǎng)，3GPP正在發(fā)展其現(xiàn)有的蜂窩標(biāo)準(zhǔn)，以降低復(fù)雜性和成本，提高覆蓋范圍和信號(hào)穿透率，并延長(zhǎng)電池壽命。其多種許可解決方案，如機(jī)器類型通信（eMTC），擴(kuò)展GSM的覆蓋范圍（EC-GSM）和窄帶IoT（NB-IoT）的長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）增強(qiáng)功能提供了成本，覆蓋率，數(shù)據(jù)速率和功耗標(biāo)準(zhǔn)，以滿足物聯(lián)網(wǎng)和M2M應(yīng)用的不同需求。然而，所有這些標(biāo)準(zhǔn)的共同目標(biāo)是最大限度地重新利用現(xiàn)有的蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施和擁有的無(wú)線電頻譜。

1）機(jī)器類型通信（eMTC）的LTE增強(qiáng)版：傳統(tǒng)的LTE終端設(shè)備提供高數(shù)據(jù)速率服務(wù)，它們的成本和功耗在幾種MTC用例中是不可接受的。為了降低符合LTE系統(tǒng)要求的成本，3GPP將峰值數(shù)據(jù)速率從LTE類別1（ LTE Category 1）降低到LTE類別0（ LTE Category 0），然后降低到LTE類別M（ LTE Category M），即LTE演進(jìn)過(guò)程的不同階段。通過(guò)在0類中支持可選的半雙工操作來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步降低成本。這種選擇降低了調(diào)制解調(diào)器和天線設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。從0類（Category 0）到M1類（Category M1）（也稱為eMTC），接收帶寬從20 MHz下降到1.4 MHz，結(jié)合降低的傳輸功率將導(dǎo)致更具成本效益和低功耗的設(shè)計(jì)。

為了延長(zhǎng)eMTC的電池使用壽命，3GPP采用了省電模式（PSM: Power Saving Mode）和擴(kuò)展的不連續(xù)接收（eDRx： extended Discontinuous Reception）兩個(gè)功能。它們使終端設(shè)備能夠在深度睡眠模式下保持?jǐn)?shù)小時(shí)甚至數(shù)天，而不會(huì)丟失其網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)信息。終端設(shè)備可以避免長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)控下行鏈路控制信道，以節(jié)省能源。下面描述的EC-GSM中也采用了相同的省電特性。

2）EC-GSM：全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）宣布在某些地區(qū)停用，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商（MNO）可能希望延長(zhǎng)其在少數(shù)市場(chǎng)中的運(yùn)營(yíng)。有了這個(gè)假設(shè)，3GPP正在提出擴(kuò)展覆蓋的GSM（EC-GSM：extended coverage GSM）標(biāo)準(zhǔn)，其目標(biāo)是通過(guò)SUB-GHZ頻帶將GSM覆蓋范圍擴(kuò)展到+ 20dB，從而在室內(nèi)環(huán)境中更好地進(jìn)行信號(hào)穿透。根據(jù)發(fā)射功率，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)154dB-164dB范圍內(nèi)的鏈路預(yù)算。只要GSM網(wǎng)絡(luò)的軟件升級(jí)，傳統(tǒng)GPRS頻譜就可以打包定義的新的邏輯信道以適應(yīng)EC-GSM設(shè)備需求。 EC-GSM利用重復(fù)的傳輸和信號(hào)處理技術(shù)來(lái)提高傳統(tǒng)GPRS的覆蓋和容量。兩種調(diào)制技術(shù)即高斯最小偏移鍵控（GMSK）和8位相移鍵控（8PSK）提供了240kbps的峰值可變數(shù)據(jù)速率。該標(biāo)準(zhǔn)于2016年中期發(fā)布，旨在與基于傳統(tǒng)的GSM解決方案相比，每個(gè)基站支持50k個(gè)設(shè)備，并且增強(qiáng)安全性和隱私功能。

3）NB-IoT：NB-IoT是一種窄帶技術(shù)，可在2016年中期左右作為Release-13的一部分提供。NB-IoT旨在實(shí)現(xiàn)部署靈活性，延長(zhǎng)電池壽命，降低設(shè)備成本和復(fù)雜性以及信號(hào)覆蓋范圍擴(kuò)展。 NB-IoT與3G不兼容，但可與GSM，GPRS和LTE共存。只有在現(xiàn)有LTE基礎(chǔ)設(shè)施之上進(jìn)行軟件升級(jí)才能支持NB-IoT。它可以部署在200 kHz的單個(gè)GSM載波內(nèi)，在單個(gè)為180 kHz的LTE物理資源塊（PRB）或LTE保護(hù)頻帶內(nèi)部。與eMTC相比，NB-IoT通過(guò)降低數(shù)據(jù)速率和帶寬要求（僅需180 kHz），簡(jiǎn)化協(xié)議設(shè)計(jì)和移動(dòng)性支持，進(jìn)一步降低了成本和能耗。此外，支持專用許可頻譜中的獨(dú)立部署。

NB-IoT旨在實(shí)現(xiàn)164 dB的覆蓋范圍，每個(gè)單元可以為高達(dá)50k個(gè)終端設(shè)備提供連接，并可通過(guò)添加更多的NB-IoT運(yùn)營(yíng)商來(lái)擴(kuò)大容量。 NB-IoT在下行鏈路中使用正交FDMA（OFDMA）調(diào)制方式，而在上行鏈路中使用單載波頻分多址（FDMA）調(diào)制方式（參見：http://www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1766-iot_progress）。對(duì)于多信道（multi-tone）下行通信，數(shù)據(jù)速率限制在250kbps，單信道（single-tone）上行通信的數(shù)據(jù)速率限制在20kbps。如文獻(xiàn)“A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things (NB-IoT)”（參見：https://arxiv.org/abs/1606.04171）所強(qiáng)調(diào)的，對(duì)于164 dB的耦合損耗，基于NB-IoT的無(wú)線電平均可以在每天傳輸200字節(jié)的數(shù)據(jù)時(shí)實(shí)現(xiàn)10年的電池壽命。

在3GPP發(fā)布第13版（Release 13）規(guī)范之后，NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)已在3GPP中得到批評(píng)。業(yè)界對(duì)這個(gè)規(guī)范的批評(píng)總結(jié)如下（參見：http://www.ingenu.com/portfolio/seven-nb-iot-surprises-you-need-to-know-about/）：

?由于下行鏈路容量有限，只有一半的消息在NB-IoT中被確認(rèn)。這意味著無(wú)法實(shí)現(xiàn)需要確認(rèn)IoT應(yīng)用中所有上行鏈路數(shù)據(jù)流量，除非應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)某種形式的可靠性機(jī)制。后者可能由于額外的處理而導(dǎo)致更高的應(yīng)用復(fù)雜度和更高的能量消耗。

?在基于3GPP的解決方案中使用分組聚合（組合多個(gè)分組并將其按照單個(gè)更大的分組進(jìn)行發(fā)送）提高了效率，但是以延遲敏感IoT應(yīng)用可能不希望的額外延遲為代價(jià)。

?NB-IoT流量是最大的努力，因此在重語(yǔ)音/數(shù)據(jù)流量的時(shí)候，動(dòng)態(tài)重新分配功能以減輕后一類流量的擁塞問題可能會(huì)影響NB-IoT的應(yīng)用性能。此外，一旦部署NB-IoT設(shè)備可能會(huì)保持10-20年的時(shí)間，與傳統(tǒng)手機(jī)（通常為2年）相比，設(shè)備升級(jí)周期要更高一個(gè)數(shù)量級(jí)。一些應(yīng)用可能需要更長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到盈虧并提供投資回報(bào)。此外，如果新的小區(qū)世代相繼出現(xiàn)，則可能存在關(guān)于所部署的小區(qū)的壽命的問題，例如，這種情況類似于一些運(yùn)營(yíng)商逐步淘汰其GSM網(wǎng)絡(luò)以回收頻譜用于LTE。這可能會(huì)使客戶陷入困境，因?yàn)樯?jí)終端可能不是微不足道的或經(jīng)濟(jì)上可行的，這是一個(gè)值得討論的問題。

?缺乏實(shí)際電池壽命和性能要求使得在現(xiàn)實(shí)世界中的商業(yè)部署難以實(shí)現(xiàn)。

D. IETF

IETF旨在通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化超低功耗設(shè)備和應(yīng)用的端到端IP連接來(lái)支持主要專有技術(shù)的LPWA生態(tài)系統(tǒng)。 IETF已經(jīng)為低功耗無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)（6LoWPAN）設(shè)計(jì)了IPv6堆棧。然而，這些標(biāo)準(zhǔn)化工作側(cè)重于傳統(tǒng)的基于IEEE 802.15.4的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，與目前大多數(shù)LPWA技術(shù)相比其支持相對(duì)較高的數(shù)據(jù)速率，更長(zhǎng)的有效負(fù)載大小和更短的覆蓋范圍。然而，LPWA技術(shù)的獨(dú)特特征為IP連接提出了真正的技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，LPWA技術(shù)是異構(gòu)的：每個(gè)技術(shù)人員使用不同的物理層和MAC層來(lái)處理不同格式的數(shù)據(jù)。其次，大多數(shù)技術(shù)使用ISM頻段，這些頻段受到嚴(yán)格的區(qū)域規(guī)定的限制，限制了數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)速率，時(shí)間和頻率。第三，許多技術(shù)的特征在于上行鏈路和下行鏈路之間的鏈路不對(duì)稱性強(qiáng)，通常限制下行鏈路能力。因此，所提出的IP堆棧應(yīng)該足夠輕（lightweight），以限制這些非常嚴(yán)格的底層技術(shù)。不幸的是，這些挑戰(zhàn)在早期的IETF標(biāo)準(zhǔn)化工作中并沒有得到解決。

在2011年4月，IETF總部成立了一個(gè)低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）工作組（參見：https://datatracker.ietf.org/wg/lpwan/charter/）。該組織確定了LPWA技術(shù)的IPv6連接的挑戰(zhàn)和設(shè)計(jì)領(lǐng)域。未來(lái)的努力可能最終會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)多種標(biāo)準(zhǔn)，為L(zhǎng)PWA（6LPWA）定義了一個(gè)完整的IPv6堆棧，可以以安全和可擴(kuò)展的方式將LPWA設(shè)備與其他外部生態(tài)系統(tǒng)相連接。該IETF組要解決的更具體的技術(shù)問題描述如下：

?幀頭壓縮。 LPWA技術(shù)的最大有效載荷大小有限。幀頭壓縮技術(shù)就是針對(duì)這些小的有效載荷大小以及LPWA設(shè)備的稀疏和不頻繁的流量。

?分段和重組。大多數(shù)LPWA技術(shù)本身不支持第二層（L2）的碎片化和重新布局。由于IPv6報(bào)文通常太大，無(wú)法容納在單個(gè)L2報(bào)文中，因此需要定義IPv6報(bào)文的分段和重組機(jī)制。

?管理。為了管理終端設(shè)備，應(yīng)用，基站和服務(wù)器，需要超輕量級(jí)的信令協(xié)議，可以在約束的L2技術(shù)上有效地運(yùn)行。為此，IETF可以研究有效的應(yīng)用級(jí)信令協(xié)議（參見：https://tools.ietf.org/html/draft-pelov-core-cosol-01）。

?安全，完整和隱私。 IP連接應(yīng)保持在LPWA無(wú)線電接入網(wǎng)絡(luò)及其以外的數(shù)據(jù)的安全性，完整性和隱私。大多數(shù)LPWA技術(shù)使用對(duì)稱密鑰cryptogra-phy，其中終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)共享相同的密鑰?？梢匝芯扛鼜?qiáng)大和有彈性的技術(shù)和機(jī)制。

E. LORA?聯(lián)盟

如第三部分所述，LORa是LPWA連接的專有物理層。然而，上層和系統(tǒng)架構(gòu)由LORa?聯(lián)盟根據(jù)LORaWAN?規(guī)范定義的（參見：https://www.lora-alliance.org/portals/0/specs/LoRaWAN%20Specification%201R0.pdf），于2015年7月發(fā)布。

在MAC層使用簡(jiǎn)單的ALOHA方案，其與LORa物理層結(jié)合使得多個(gè)設(shè)備能夠同時(shí)進(jìn)行通信，但是使用不同的信道和/或正交碼（即擴(kuò)頻因子）。終端設(shè)備可以跳轉(zhuǎn)到任何基站，而不需要額外的信令開銷?；就ㄟ^(guò)回程將終端設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，LORAWAN系統(tǒng)的大腦禁止重復(fù)接收，自適應(yīng)無(wú)線電接入鏈路，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到合適的應(yīng)用服務(wù)器中。然后應(yīng)用服務(wù)器處理接收到的數(shù)據(jù)并執(zhí)行用戶定義的任務(wù)。

LORAWAN預(yù)計(jì)，根據(jù)應(yīng)用需求，設(shè)備將具有不同的功能。因此，LORAWAN定義了三種不同類別的終端設(shè)備，它們都支持雙向通信，但具有不同的下行延遲和功率要求。 A類設(shè)備實(shí)現(xiàn)了最長(zhǎng)的使用壽命，但延時(shí)最長(zhǎng)。只有在上行傳輸之后才能聽到下行通信。此外，B類設(shè)備可以以某些時(shí)間間隔調(diào)度來(lái)自基站的下行接收。因此，只有在這些商定的時(shí)間段內(nèi)，應(yīng)用程序可以向終端設(shè)備發(fā)送控制消息（用于可能執(zhí)行啟動(dòng)功能）。最后，C類設(shè)備通常由市電供電，具有在任何時(shí)間以盡可能短的延遲連續(xù)監(jiān)聽和接收下行鏈路傳輸?shù)哪芰Α?/p>

LORAWAN標(biāo)準(zhǔn)使用對(duì)稱密鑰加密技術(shù)來(lái)驗(yàn)證終端設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)，并保護(hù)應(yīng)用程序數(shù)據(jù)的隱私。

F. WEIGHTLESS-SIG

WEIGHTLESS特別興趣小組（參見;http://www.weightless.org/）提出了三個(gè)開放的LPWA標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)提供不同的功能，范圍和功耗。這些標(biāo)準(zhǔn)可以在無(wú)許可證頻譜以及許可頻譜中運(yùn)行。

WEIGHTLESS-W利用電視白頻譜的優(yōu)異信號(hào)傳播特性。它支持多種調(diào)制方案，包括16正交幅度調(diào)制（16-QAM）和差分BPSK（DBPSK）以及廣泛的擴(kuò)頻因子。根據(jù)鏈路預(yù)算，可以以1 kbps和10 Mbps之間的速率傳輸大小在10字節(jié)以上的數(shù)據(jù)包。終端設(shè)備在窄帶中發(fā)送到基站，但是以比基站更低的功率電平發(fā)送以節(jié)省能量。 WEIGHTLESS-W有一個(gè)缺點(diǎn)。電視白頻譜的共享訪問僅允許在少數(shù)地區(qū)，因此WEIGHTLESS-SIG定義了ISM頻帶中的另外兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，可用于全球共享訪問。

WEIGHTLESS-N是UNB標(biāo)準(zhǔn)，僅用于從終端設(shè)備到基站的單向通信，與其他WEIGHTLESS標(biāo)準(zhǔn)相比，實(shí)現(xiàn)了顯著的能源效率和低成本。它在SUB-GHZ頻段使用DBPSK調(diào)制方案。然而，單向通信限制了WEIGHTLESS-N的用例數(shù)量。

WEIGHTLESS-P將雙向連接與兩個(gè)非專有物理層進(jìn)行了融合。它使用GMSK和正交相移鍵控（QPSK）來(lái)調(diào)制信號(hào)，這是兩種在不同商業(yè)產(chǎn)品中采用的眾所周知的方案。因此，終端設(shè)備不需要專有的芯片組。 SUB-GHZ ISM頻段中的每個(gè)12.5 kHz窄頻道提供0.2 kbps至100 kbps范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)速率。完全支持確認(rèn)和雙向通信功能，可以實(shí)現(xiàn)固件升級(jí)。

像LORAWAN一樣，所有WEIGHTLESS標(biāo)準(zhǔn)都采用符號(hào)密鑰加密技術(shù)來(lái)驗(yàn)證終端設(shè)備和應(yīng)用數(shù)據(jù)的完整性。

G. DASH7聯(lián)盟

DASH7聯(lián)盟是一個(gè)行業(yè)聯(lián)盟，其定義了稱為DASH7聯(lián)盟協(xié)議（D7AP）的LPWA連接的完整垂直網(wǎng)絡(luò)堆棧。 D7AP的起源于用于有源射頻識(shí)別（RFID）設(shè)備的空中接口的ISO / IEC 18000-7標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)發(fā)展成為向低功率傳感器和執(zhí)行器提供中端連接的堆棧。

DASH7采用窄帶調(diào)制方案，在SUB-GHZ頻段使用兩級(jí)GFSK。與大多數(shù)其他LPWA技術(shù)相比，DASH7有一些顯著的差異。首先，默認(rèn)使用樹形拓?fù)洌⑦x擇星形布局。在前一種情況下，終端設(shè)備首先連接到占空比子控制器，然后連接到總是在線的基站。這種負(fù)荷循環(huán)機(jī)制對(duì)上層設(shè)計(jì)帶來(lái)了更多的復(fù)雜性。第二，DASH7 MAC協(xié)議強(qiáng)制終端設(shè)備周期性檢查可能的下行鏈路傳輸信道，顯著增加的空閑監(jiān)聽成本。通過(guò)這樣做，DASH7的下行鏈路通信延遲比其他LPWA技術(shù)低得多，但犧牲了更高的能耗。第三，與其他LPWA技術(shù)不同，DASH7定義了一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)堆棧，使應(yīng)用程序和終端設(shè)備能夠彼此通信，而無(wú)需處理底層物理層或MAC層的復(fù)雜性。

DASH7支持前向糾錯(cuò)和對(duì)稱密鑰加密。

總結(jié)

各種LPWA的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)特性總結(jié)如下表：

表1，各種LPWA標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)規(guī)格