許多標準化工作由包括電氣和電子工程師協會（IEEE），歐洲電信標準協會（ETSI）和第三代合作伙伴計劃（3GPP）以及工業聯盟（如WEIGHTLESS-SIG）， LORa?聯盟和DASH7聯盟等在內的不同的標準化機構進行的。圖1提出標準的各種開發組織，文章最后的表1總結了不同標準的技術規格。一些LPWA技術的定性比較可以在相關文獻中找到。并且大多數這些標準化努力還涉及本公眾號前面討論的幾個專有的LPWA連接提供商。這些SDO和SIG的目標是相當多樣化的。從長遠來看，希望采用這些標準可能會減少LPWA市場的分散度，并使多種競爭技術能夠共存。

圖1、各種LPWA的標準化組織

A. IEEE

IEEE正在擴展其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）標準的覆蓋范圍并降低功耗，并提供相應的物理層和MAC層的新協議規范。IEEE提出了兩個LPWA標準作為IEEE 802.15.4低速無線個人區域網絡（LR-WPAN）基準標準的修訂版，我們將本文中介紹。此外，本文還簡要描述了為實現更長覆蓋范圍對用于無線局域網（WLAN）的IEEE 802.11標準的修改努力。

圖2、IEEE的無線標準化組織架構

1）IEEE 802.15.4k：低能量，關鍵基礎設施監控網絡：IEEE 802.15.4k任務組（TG4k）提出了一種低能量關鍵基礎設施監控（LECIM：low-energy critical infrastructure monitoring ）應用在ISM頻段（SUB- GHZ和2.4 GHz）頻段的標準。這是對早期標準在滿足LPWA應用所需的覆蓋范圍以及節點密度不足的事實的回應。 IEEE 802.15.4k修正版通過采用DSSS和FSK兩個新的PHY層調制方式來彌補這一差距。可以使用范圍從100kHz到1MHz的多個離散的信道帶寬。 MAC層的規范也被修改以適應新的物理層。該標準支持常規的無優先級通道訪問（PCA）的CSMA / CA，，以及具有PCA的CSMA和ALOHA。使用PCA，設備和基站可以優先考慮其訪問介質的流量，從而提供服務質量（quality of service）的概念。像大多數LPWA標準一樣，終端設備以星形拓撲結構連接到基站，并能夠交換異步和調度消息。

圖3、IEEE的802.15.4協議架構

基于IEEE 802.15.4k的基于LPWA的空氣質量監測部署例子，該例子中部署了一個星形拓撲網絡，其中1個接入點和5個節點部署在距離大學校園中心3公里的半徑范圍內。接入點工作在433 MHz頻段的頻譜上。使用15 dBm的發射功率，收發信機可以根據數據速率要求支持不同的靈敏度，例如對于分別對應于300 bps，1.2 kbps和50 kbps的數據速率，可以實現-129 dBm，-123 dBm和-110 dBm的接收靈敏度。

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

2）IEEE 802.15.4g：低數據速率，無線，智能電表電力網絡（ Low-Data-Rate, Wireless, Smart Metering Utility Networks）：IEEE 802.15 WPAN任務組4g（TG4g）提出了第一套PHY修改，以擴展IEEE 802.15.4基準標準的短距離組合。 2012年4月發布的標準涉及諸如智能電表計量網絡之類的過程控制應用，這些智能計量網絡固有地由部署在城市或國家的大量固定終端設備組成。該標準定義了三個PHY層，即FSK，正交頻分多址（OFDMA）和偏移第四相移鍵控（QPSK），其支持跨不同區域的40kbps到1Mbps的多個數據速率。除了在美國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，因此與同一頻段內的其他干擾技術共存。 PHY被設計為提供大小達1500字節的幀，以避免互聯網協議（IP）分組數據包出現分段。

支持新PHY的MAC層的變化由IEEE 802.15.4e而不是由IEEE 802.15.4g標準本身定義。

3）IEEE 802.11：無線局域網：WLAN技術將在IoT中發揮重要作用。 IEEE 802.11任務組AH（TGah：IEEE 802.11 Task Group AH）和長距離低功率（LRLP： Long Range Low Power）中的IEEE 802.11主題興趣組（TIG：Topic Interest Group））對WLAN進行擴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頻帶中運行長距離Wi-Fi操作的IEEE 802.11ah PHY層和MAC層規范。與IEEE 802.11ac標準相比，該標準引入了幾個新功能，在戶外環境中實現1公里的覆蓋范圍，數據速率超過100 kbps。 PHY層采用比IEEE 802.11ac（早先的WiFi標準）慢10倍的OFDM調制方式，以擴展通信范圍。在MAC層，減少了與幀，幀頭以及信標相關聯的開銷，以延長電池供電的工作壽命（參見文獻“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協議針對數千（8191）個連接終端設備的應用進行了裁減，從而減少了它們之間的沖突。終端設備支持在非活動期間節省能量但仍保持與接入點的連接/同步的機制。隨著所有這些新的省電模式和覆蓋范圍的增強，IEEE 802.11ah確實提供比其他WLAN標準，ZigBee和藍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技術那么多。由于這個原因，越來越多的最近發表的研究和IETF草案文獻（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LPWA技術。實際上，IEEE 802.11ah為了適應那些需要相對較高帶寬的應用，因此犧牲了比其他LPWA技術更高的功耗。

在文獻“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進行滿足IoT / M2M應用場景的可行性。作者表明，當使用900MHz頻帶時，對于下行鏈路情況，當AP使用更高的發射功率（20-30dBm）時，可以直接實現1km的范圍和高于100kbps的數據速率。然而，對于上行鏈路情況，實現這些目標時是相當有挑戰性的，因為客戶端操作低功率（0 dBm），并且要進行信號周期占空比循環以支持多年的電池運行壽命。在這種情況下，作者強調使用編碼方案，更高的發射功率和更高的天線增益可能有助于改善這種情況，達到高達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，覆蓋范圍可以進一步提高，例如。他們能夠實現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的職權范圍內成立，該小組旨在探討長距離低功耗（LRLP）新標準的可行性（參見：http://www.ieee802.org/11/Reports/lrlp_update.htm）。在這項工作的早期階段，TIG已經在"IEEE P802.11 Wireless LANs"(參見:http://www.ieee802.org/11/index.html)中定義了該技術的一些應用場景和功能要求，但無法明確證明IEEE LAN / MAN標準委員會（LMSC）對此活動的需求。因此，LRLP的工作已經有點啟動過早。

B. ETSI

ETSI致力于標準化雙向低數據速率LPWA標準。被稱為低吞吐率網絡（LTN:Low Throughput Network ）的標準化標準工作于2014年以三組規格的形式發布。這些規范定義了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（參見：http://www.etsi.org/deliver/etsi_gs/LTN/001_099/002/01.01.01_60/gs_LTN002v010101p.pdf），以及iii）協議和接口（參見：http://www.etsi.org/deliver/etsi_gs/LTN/001_099/003/01.01.01_60/gs_LTN003v010101p.pdf）。其主要目標之一是通過利用M2M / IoT通信的短有效載荷大小和低數據速率來減少電磁輻射。

除了對空中接口的建議外，LTN也為終端設備，基站，網絡服務器以及操作和業務管理系統之間的協作定義了各種接口和協議。

圖4、ETSI的LTN例子

受新興LPWA網絡使用超窄帶寬（例如SIGFOX，TELENSA）和正交序列擴頻（OSSS）（例如LORa）調制技術這一事實的推動，LTN標準并不限于單一類別。只要終端設備，基站和網絡服務器實現LTN規范描述的接口，它就可以為LPWA運營商提供靈活性，以便在SUB-GHZ ISM頻段內設計和部署自己的專有UNB或OSSS調制方案 。這些規范建議中在上行鏈路使用BPSK調制方式，在下行鏈路中使用GFSK調制方式，來實現UNB。或者，可以使用任何OSSS調制方案來支持雙向通信。數據加密以及用戶認證過程被定義為LTN規范的一部分。

許多LPWA技術提供商，如SIGFOX，TELENSA和Semtech等，積極參與ETSI的標準化技術工作。

C. 3GPP

為了解決M2M和IoT市場，3GPP正在發展其現有的蜂窩標準，以降低復雜性和成本，提高覆蓋范圍和信號穿透率，并延長電池壽命。其多種許可解決方案，如機器類型通信（eMTC），擴展GSM的覆蓋范圍（EC-GSM）和窄帶IoT（NB-IoT）的長期演進（LTE）增強功能提供了成本，覆蓋率，數據速率和功耗標準，以滿足物聯網和M2M應用的不同需求。然而，所有這些標準的共同目標是最大限度地重新利用現有的蜂窩基礎設施和擁有的無線電頻譜。

1）機器類型通信（eMTC）的LTE增強版：傳統的LTE終端設備提供高數據速率服務，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系統要求的成本，3GPP將峰值數據速率從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演進過程的不同階段。通過在0類中支持可選的半雙工操作來實現進一步降低成本。這種選擇降低了調制解調器和天線設計的復雜性。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，結合降低的傳輸功率將導致更具成本效益和低功耗的設計。

為了延長eMTC的電池使用壽命，3GPP采用了省電模式（PSM: Power Saving Mode）和擴展的不連續接收（eDRx： extended Discontinuous Reception）兩個功能。它們使終端設備能夠在深度睡眠模式下保持數小時甚至數天，而不會丟失其網絡注冊信息。終端設備可以避免長時間監控下行鏈路控制信道，以節省能源。下面描述的EC-GSM中也采用了相同的省電特性。

2）EC-GSM：全球移動通信系統（GSM）宣布在某些地區停用，移動網絡運營商（MNO）可能希望延長其在少數市場中的運營。有了這個假設，3GPP正在提出擴展覆蓋的GSM（EC-GSM：extended coverage GSM）標準，其目標是通過SUB-GHZ頻帶將GSM覆蓋范圍擴展到+ 20dB，從而在室內環境中更好地進行信號穿透。根據發射功率，目標是實現154dB-164dB范圍內的鏈路預算。只要GSM網絡的軟件升級，傳統GPRS頻譜就可以打包定義的新的邏輯信道以適應EC-GSM設備需求。 EC-GSM利用重復的傳輸和信號處理技術來提高傳統GPRS的覆蓋和容量。兩種調制技術即高斯最小偏移鍵控（GMSK）和8位相移鍵控（8PSK）提供了240kbps的峰值可變數據速率。該標準于2016年中期發布，旨在與基于傳統的GSM解決方案相比，每個基站支持50k個設備，并且增強安全性和隱私功能。

3）NB-IoT：NB-IoT是一種窄帶技術，可在2016年中期左右作為Release-13的一部分提供。NB-IoT旨在實現部署靈活性，延長電池壽命，降低設備成本和復雜性以及信號覆蓋范圍擴展。 NB-IoT與3G不兼容，但可與GSM，GPRS和LTE共存。只有在現有LTE基礎設施之上進行軟件升級才能支持NB-IoT。它可以部署在200 kHz的單個GSM載波內，在單個為180 kHz的LTE物理資源塊（PRB）或LTE保護頻帶內部。與eMTC相比，NB-IoT通過降低數據速率和帶寬要求（僅需180 kHz），簡化協議設計和移動性支持，進一步降低了成本和能耗。此外，支持專用許可頻譜中的獨立部署。

NB-IoT旨在實現164 dB的覆蓋范圍，每個單元可以為高達50k個終端設備提供連接，并可通過添加更多的NB-IoT運營商來擴大容量。 NB-IoT在下行鏈路中使用正交FDMA（OFDMA）調制方式，而在上行鏈路中使用單載波頻分多址（FDMA）調制方式（參見：http://www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1766-iot_progress）。對于多信道（multi-tone）下行通信，數據速率限制在250kbps，單信道（single-tone）上行通信的數據速率限制在20kbps。如文獻“A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things (NB-IoT)”（參見：https://arxiv.org/abs/1606.04171）所強調的，對于164 dB的耦合損耗，基于NB-IoT的無線電平均可以在每天傳輸200字節的數據時實現10年的電池壽命。

在3GPP發布第13版（Release 13）規范之后，NB-IoT標準已在3GPP中得到批評。業界對這個規范的批評總結如下（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。這意味著無法實現需要確認IoT應用中所有上行鏈路數據流量，除非應用程序實現某種形式的可靠性機制。后者可能由于額外的處理而導致更高的應用復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（組合多個分組并將其按照單個更大的分組進行發送）提高了效率，但是以延遲敏感IoT應用可能不希望的額外延遲為代價。

?NB-IoT流量是最大的努力，因此在重語音/數據流量的時候，動態重新分配功能以減輕后一類流量的擁塞問題可能會影響NB-IoT的應用性能。此外，一旦部署NB-IoT設備可能會保持10-20年的時間，與傳統手機（通常為2年）相比，設備升級周期要更高一個數量級。一些應用可能需要更長時間才能達到盈虧并提供投資回報。此外，如果新的小區世代相繼出現，則可能存在關于所部署的小區的壽命的問題，例如，這種情況類似于一些運營商逐步淘汰其GSM網絡以回收頻譜用于LTE。這可能會使客戶陷入困境，因為升級終端可能不是微不足道的或經濟上可行的，這是一個值得討論的問題。

?缺乏實際電池壽命和性能要求使得在現實世界中的商業部署難以實現。

D. IETF

IETF旨在通過標準化超低功耗設備和應用的端到端IP連接來支持主要專有技術的LPWA生態系統。 IETF已經為低功耗無線個人局域網（6LoWPAN）設計了IPv6堆棧。然而，這些標準化工作側重于傳統的基于IEEE 802.15.4的無線網絡，與目前大多數LPWA技術相比其支持相對較高的數據速率，更長的有效負載大小和更短的覆蓋范圍。然而，LPWA技術的獨特特征為IP連接提出了真正的技術挑戰。首先，LPWA技術是異構的：每個技術人員使用不同的物理層和MAC層來處理不同格式的數據。其次，大多數技術使用ISM頻段，這些頻段受到嚴格的區域規定的限制，限制了數據傳輸的最大數據速率，時間和頻率。第三，許多技術的特征在于上行鏈路和下行鏈路之間的鏈路不對稱性強，通常限制下行鏈路能力。因此，所提出的IP堆棧應該足夠輕（lightweight），以限制這些非常嚴格的底層技術。不幸的是，這些挑戰在早期的IETF標準化工作中并沒有得到解決。

在2011年4月，IETF總部成立了一個低功耗廣域網（LPWAN）工作組（參見：https://datatracker.ietf.org/wg/lpwan/charter/）。該組織確定了LPWA技術的IPv6連接的挑戰和設計領域。未來的努力可能最終會導致出現多種標準，為LPWA（6LPWA）定義了一個完整的IPv6堆棧，可以以安全和可擴展的方式將LPWA設備與其他外部生態系統相連接。該IETF組要解決的更具體的技術問題描述如下：

?幀頭壓縮。 LPWA技術的最大有效載荷大小有限。幀頭壓縮技術就是針對這些小的有效載荷大小以及LPWA設備的稀疏和不頻繁的流量。

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

?管理。為了管理終端設備，應用，基站和服務器，需要超輕量級的信令協議，可以在約束的L2技術上有效地運行。為此，IETF可以研究有效的應用級信令協議（參見：https://tools.ietf.org/html/draft-pelov-core-cosol-01）。

?安全，完整和隱私。 IP連接應保持在LPWA無線電接入網絡及其以外的數據的安全性，完整性和隱私。大多數LPWA技術使用對稱密鑰cryptogra-phy，其中終端設備和網絡共享相同的密鑰。可以研究更強大和有彈性的技術和機制。

E. LORA?聯盟

如第三部分所述，LORa是LPWA連接的專有物理層。然而，上層和系統架構由LORa?聯盟根據LORaWAN?規范定義的（參見：https://www.lora-alliance.org/portals/0/specs/LoRaWAN%20Specification%201R0.pdf），于2015年7月發布。

在MAC層使用簡單的ALOHA方案，其與LORa物理層結合使得多個設備能夠同時進行通信，但是使用不同的信道和/或正交碼（即擴頻因子）。終端設備可以跳轉到任何基站，而不需要額外的信令開銷。基站通過回程將終端設備連接到網絡服務器，LORAWAN系統的大腦禁止重復接收，自適應無線電接入鏈路，并將數據轉發到合適的應用服務器中。然后應用服務器處理接收到的數據并執行用戶定義的任務。

LORAWAN預計，根據應用需求，設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類設備實現了最長的使用壽命，但延時最長。只有在上行傳輸之后才能聽到下行通信。此外，B類設備可以以某些時間間隔調度來自基站的下行接收。因此，只有在這些商定的時間段內，應用程序可以向終端設備發送控制消息（用于可能執行啟動功能）。最后，C類設備通常由市電供電，具有在任何時間以盡可能短的延遲連續監聽和接收下行鏈路傳輸的能力。

LORAWAN標準使用對稱密鑰加密技術來驗證終端設備與網絡，并保護應用程序數據的隱私。

F. WEIGHTLESS-SIG

WEIGHTLESS特別興趣小組（參見;http://www.weightless.org/）提出了三個開放的LPWA標準，每個標準提供不同的功能，范圍和功耗。這些標準可以在無許可證頻譜以及許可頻譜中運行。

WEIGHTLESS-W利用電視白頻譜的優異信號傳播特性。它支持多種調制方案，包括16正交幅度調制（16-QAM）和差分BPSK（DBPSK）以及廣泛的擴頻因子。根據鏈路預算，可以以1 kbps和10 Mbps之間的速率傳輸大小在10字節以上的數據包。終端設備在窄帶中發送到基站，但是以比基站更低的功率電平發送以節省能量。 WEIGHTLESS-W有一個缺點。電視白頻譜的共享訪問僅允許在少數地區，因此WEIGHTLESS-SIG定義了ISM頻帶中的另外兩個標準，可用于全球共享訪問。

WEIGHTLESS-N是UNB標準，僅用于從終端設備到基站的單向通信，與其他WEIGHTLESS標準相比，實現了顯著的能源效率和低成本。它在SUB-GHZ頻段使用DBPSK調制方案。然而，單向通信限制了WEIGHTLESS-N的用例數量。

WEIGHTLESS-P將雙向連接與兩個非專有物理層進行了融合。它使用GMSK和正交相移鍵控（QPSK）來調制信號，這是兩種在不同商業產品中采用的眾所周知的方案。因此，終端設備不需要專有的芯片組。 SUB-GHZ ISM頻段中的每個12.5 kHz窄頻道提供0.2 kbps至100 kbps范圍內的數據速率。完全支持確認和雙向通信功能，可以實現固件升級。

像LORAWAN一樣，所有WEIGHTLESS標準都采用符號密鑰加密技術來驗證終端設備和應用數據的完整性。

G. DASH7聯盟

DASH7聯盟是一個行業聯盟，其定義了稱為DASH7聯盟協議（D7AP）的LPWA連接的完整垂直網絡堆棧。 D7AP的起源于用于有源射頻識別（RFID）設備的空中接口的ISO / IEC 18000-7標準，已經發展成為向低功率傳感器和執行器提供中端連接的堆棧。

DASH7采用窄帶調制方案，在SUB-GHZ頻段使用兩級GFSK。與大多數其他LPWA技術相比，DASH7有一些顯著的差異。首先，默認使用樹形拓撲，并選擇星形布局。在前一種情況下，終端設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。這種負荷循環機制對上層設計帶來了更多的復雜性。第二，DASH7 MAC協議強制終端設備周期性檢查可能的下行鏈路傳輸信道，顯著增加的空閑監聽成本。通過這樣做，DASH7的下行鏈路通信延遲比其他LPWA技術低得多，但犧牲了更高的能耗。第三，與其他LPWA技術不同，DASH7定義了一個完整的網絡堆棧，使應用程序和終端設備能夠彼此通信，而無需處理底層物理層或MAC層的復雜性。

DASH7支持前向糾錯和對稱密鑰加密。

總結

各種LPWA的協議標準特性總結如下表：

表1，各種LPWA標準的技術規格