LPWAN简介

　　LPWAN是Low Power Wide Area Networks的英文缩写，意为低功耗广域网络，是一种以低功耗低数据速率低成本进行无线组网通信的网络接入技术。LPWAN也可以写成Low Power Wireless Access Network，意为低功耗无线接入网络。无论是低功耗广域网络，还是低功耗无线接入网络，都是要解决大量设备无线组网、数据采集和设备控制管理等问题。

　　在这里，我们不妨把LPWAN都统称之为低功耗无线接入网络。顾名思义，低功耗无线接入网络主要包括有三部分：低功耗、无线接入、网络。低功耗一般是指能源受限设备不是采用传统的AC/DC电源供给，而是采用电池、能量收集等方式供电。无线接入是设备间的通信连接方式，可以分为蜂窝和非蜂窝无线接入。网络是指覆盖一定地理范围的无线连接网络，可以连接和管理终端设备。

　　一个典型的LPWAN网络系统架构如下：

　　LPWAN系统的硬件部分主要包括了设备、网关和网络服务器三部分。设备是包括智能传感器等在内的各种终端设备，通过无线网络连接到网关。网关主要是负责通信协议转换、转发数据到网络服务器，进一步对数据进行处理和计算。近年来，出现了边缘计算，可以将LPWAN系统做本地化应用部署。网络服务器可分为网络服务器和应用服务器。网络服务器是LPWAN系统的核心网络，负责管理网络并分发数据到其他服务器等；应用服务器负责数据可视化、运维管理等。

　　一个LPWAN系统应用包括了低功耗无线接入网络、数据和计算。下面就这三部分做进一步说明。

　　低功耗无线接入网络

　　从低功耗无线接入网络技术来看，主要有蜂窝和非蜂窝无线接入网络两大类。蜂窝无线接入网络主要是以电信运营商建设部署的网络，如NB-IoT、Cat。1等，是覆盖范围最广较为成熟的无线接入网络；非蜂窝无线接入网络又可大致分为近距离和远距离无线接入网络两类，近距离无线接入技术主要有Bluetooth、Zigbee、Z-Wave、Wireless M-Bus、LDSW等；远距离无线接入技术主要有LoRaWAN、Sigfox、ZETA、Wi-SUN等。低功耗无线接入网络分类：

　　在LPWAN系统应用中，往往需要不同的连接技术组建网络应用，而且越来越呈现出多协议多网络融合发展的趋势。不同的LPWAN技术标准使得企业或组织形成了各自的企业生态圈，不同的生态圈间缺乏互联互通的标准。

　　2020年12月。由国内企业联合发起成立了开放智联联盟（Open Link Association，简称OLA联盟），旨在建立统一的物联网连接标准和产业生态圈，促进物联网更安全、更智能、更高质量发展，推动物联网产业链融合并走向全球，实现万物智能互联的愿景。

　　数据

　　LPWAN应用主要目的是采集数据通过网关上传至网络服务器，以做进一步地数据处理和计算。在这个过程中，数据大致经历了三个阶段：数据转换、数据转发或计算、数据计算。：

　　数据转换是指设备将自然界的连续模拟信息转换成为计算机所能识别的数字量，或将设备相关数据转换为一定格式的数据用于数据传输，这是一个物的数字化转换的过程。数据转发一般是指LPWAN网关通过通信协议转换将数据转发到网络服务器，或由边缘计算进行本地化的数据处理和计算。数据计算是对数据或设备相关数据进行计算处理和管理，并进行数据的可视化等。

　　对数据存储、数据安全和数据隐私等方面的要求，也决定了LPWAN应用的部署方式。在LPWAN技术不断地发展推动下，互联网、物联网不断地深化融合，数据可以自由地在网络里交换。而当数据成为了一种生产要素，通过要素市场化配置体制机制，将会促进社会经济的发展。

　　2020年5月，政府发布了《中共中央 国务院关于构建更加完善的要素市场化配置体制机制的意见》，《意见》提到从以下三方面加快培育数据要素市场：

　　推进政府数据开放共享。

　　优化经济治理基础数据库，加快推动各地区各部门间数据共享交换，制定出台新一批数据共享责任清单。研究建立促进企业登记、交通运输、气象等公共数据开放和数据资源有效流动的制度规范。

　　提升社会数据资源价值。

　　培育数字经济新产业、新业态和新模式，支持构建农业、工业、交通、教育、安防、城市管理、公共资源交易等领域规范化数据开发利用的场景。发挥行业协会商会作用，推动人工智能、可穿戴设备、车联网、物联网等领域数据采集标准化。

　　加强数据资源整合和安全保护。

　　探索建立统一规范的数据管理制度，提高数据质量和规范性，丰富数据产品。研究根据数据性质完善产权性质。

　　制定数据隐私保护制度和安全审查制度。

　　推动完善适用于大数据环境下的数据分类分级安全保护制度，加强对政务数据、企业商业秘密和个人数据的保护。

　　根据《中国数据要素市场发展研究报告（2020~2021）》中对数据要素市场的概念描述，“生产要素主要包括土地、资本、技术、劳动力和数据。数据作为新型生产要素，具有劳动工具和劳动对象的双种属性。首先数据作为劳动对象，通过采集、加工、存储、流通、分拆环节，具备了价值和使用价值；其次，数据作为劳动工具，通过融合应用能够提升生产效能，促进生产力发展。数据要素市场就是将尚未完全由市场配置的数据要素转向由市场配置的动态过程，其目的是形成以市场为根本调配机制，实现数据流动的价值或者数据在流动种产生价值”。

　　传统产品或方案的设计与应用，主要是面向设备的，未来将会出现面向数据的分析与服务，在数据要素的推动下，助力企业的数字化转型，加速数字经济的发展。

　　数据是计算的“原材料”，数据的开发利用离不开计算。下面就看一下计算在LPWAN中应用的相关情况。

　　计算

　　无线通信将不同的计算连接起来了，赋予了计算更多的能力，设备不再是单个的智能，而是一种网络化的智能，使得设备具备了智能网联的特点。在LPWAN系统的应用中，主要有三种计算的形态：MCU、MCU/MPU/CPU、HPC。：

　　MCU是指微控制器，是设备上的计算，主要是处理信号转换、控制和小数据计算任务等，还有无线通信方面的管理，一般是采用超低功耗MCU产品。MPU是微处理器、CPU是中央处理器，是网关或边缘侧的计算，计算能力较强，主要是负责通信协议转换与数据管理等，边缘计算有助于实现LPWAN本地化部署，提供本地化的计算和应用服务。HPC是高性能计算机，主要是数据中心的云计算，可以提供各种基于云计算服务的应用。

　　在摩尔定律的推动下，芯片计算能力不断提升，无论是MCU、CPU、还是MPU都得到了很大的发展。现在的高性能的32位MCU也可以运行一些人工智能轻量的深度学习框架，如tinyML、TensorFlow Lite、Keras、Caffe、Lasagne等。

　　终端设备上人工智能的应用一般是先采集足够的数据，然后对数据进行清洗并标记数据，提取数据的特征值，再创建一个神经网络拓扑，并不断地对神经网络模型进行训练和验证，神经网络的训练和测试验证一般是在高性能的计算平台上使用深度学习框架完成，最后将神经网络模型进行代码优化，移植到MCU上运行，MCU使用经过训练的神经网络处理和分析新数据，数据也可以通过LPWAN传输到网络服务器上，做进一步数据处理和计算。

　　设备的预测性维护是比较典型的人工智能的应用。预测性维护通过设备状态的监测来识别潜在的问题，减少设备生命周期中的维护的时间和成本。将边缘计算和云计算技术相结合有助于开发预测性维护技术并提高其效率和有效性。在云端可以对变化趋势和分析模型进行管理，可以对多终端设备进行更复杂的分析。

　　商业模式

　　在LPWAN产业链中所扮演的角色，也决定了企业的商业模式。根据企业所提供的产品或服务不同，LPWAN应用中大致可分为以下几种角色：设备制造商、芯片&模组制造商、解决方案商、系统集成商等。：

　　设备制造商设计制造传统的设备和终端，与芯片和模组制造商合作，为各个行业应用提供新技术的设备终端。解决方案商提供LPWAN无线组网方案，可以本地化部署或云端部署无线网络的核心网络服务器。系统集成商面向项目应用提供设备系统集成和应用系统集成。

　　智能化、数字化正在迅速改变着各行各业，不仅体现在技术上，而且还在商业模式上。网络将万物连接了起来，成为了一个系统，不再是一个独立的物，有了一个互联互通的系统，就有了一切即服务的可能。

　　一切即服务（Anything as a Service，XaaS）在LPWAN系统中可归为：产品即服务（设备、芯片、模组）、方案即服务（无线网络、边缘计算、核心网络服务）、平台即服务（云计算平台、物联网平台）、系统即服务（应用软件、人工智能）、数据即服务（数据存储、数据算法）。XaaS和其他云服务一样，企业可以通过订阅从提供商那里购买服务来削减成本，获得特定的资源。

　　LPWAN将会助力企业数字化转型，提升企业数字化的服务水平。

　　结语

　　LPWAN的低功耗一般是指设备的低功耗供电方式，如电池供电、能量采集等供电方，是传统市电、工业用电领域的延伸拓展，大大拓展了设备的应用范围。而节能降耗提升效率是产品应用一个永恒的主题。

　　从短距离无线接入到广域无线接入是物联网规模连接的日益增长的发展需求。原来2。4GHz频段上的Wi-Fi、蓝牙、Zigbee不能适应大范围规模化组网的需求，Sub-1GHz频段成了最佳的选择，其无线接入技术越来越多。当然，2。4GHz上的无线接入技术仍然是低功耗无线接入网络有效的辅助工具。Sub-1GHz频段上的技术的发展促进了物联网更进一步的发展，与2。4GHz频段等无线接入技术一起，向更广泛的物联网无线连接应用领域发展。

　　不同的无线接入技术相互之间的融合，互联互通将显得尤为重要，会大大促进物联网泛连接和更广泛的无线接入，蜂窝技术和非蜂窝技术的LPWAN相互补充相互发展，共同推进了无线接入技术的不断地应用和发展。

　　LPWAN将设备和互联网连接了起来，为企业管理设备和资产提供了有效的管理工具，通过数据的治理提升了运营的效率，为企业数字化转型提供了基础。LPWAN将会成为企业数字化转型的一个重要的工具。