【導讀】城鎮(zhèn)化已成為勢不可擋的一個全球性大趨勢。聯(lián)合國人居署新發(fā)布的《2022世界城市狀況報告》預測，到2050年全球城鎮(zhèn)人口的占比將從2021年的56%上升至68%。不過，隨著城市化的興起，很多問題隨之而來，比如環(huán)境污染、不堪重負的交通系統(tǒng)、公共安全和醫(yī)療資源緊缺等。好在，智慧城市的到來使這些問題得到了解決或有較大的緩解。
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利用網絡技術的進步，智慧城市解決方案對需要關注的問題提供了近乎實時的感知，這些智能設備收集和分析的數(shù)據(jù)主要用于優(yōu)化城市的運轉，以此形成一個完全互聯(lián)的城市環(huán)境。因此，智能城市也常常被看作是城市化的未來。
智能城市提升大眾的生活質量
智能城市有一個底層框架，即利用物聯(lián)網傳感器、通信網絡、實時數(shù)據(jù)和其他信息和通信技術連接城市的各個方面。整個城市的傳感器捕獲的數(shù)據(jù)通過高速網絡傳輸，并轉化為可操作的信息。這些信息隨之推動了自動化技術的發(fā)展，使其可以快速跟蹤流程并對不斷變化的環(huán)境做出即時反應。
實際上，智能城市可以被看作是一種數(shù)字化轉型形式，其中涉及傳感器、儀表、機器人、攝像頭等眾多物聯(lián)網設備。從使用傳感器驅動的紅綠燈優(yōu)化交通流量，到通過根據(jù)容量或需求確定收集哪種類型的垃圾以及優(yōu)化收集卡車的收集路線來簡化垃圾收集等服務，所有這些創(chuàng)新服務都需要先進的技術才能發(fā)揮作用。
比如，在智能城市的蜂窩物聯(lián)網連接示例中，使用傳感器和攝像頭可以改善交通流量，從而大幅減少擁堵并提高安全性。類似的技術也可以幫助城市更好地監(jiān)測和管理廢物和資源，即節(jié)省了成本又能減少環(huán)境污染，使城市更加宜居。
在智慧城市建設中，智能電網是非常重要的一個環(huán)節(jié)，它的智能化體現(xiàn)在多個方面，其中兩個重點：
一是電力設施的預測性維護。智能電網方案主要利用物聯(lián)網設備從電網連接元件和與其連接的發(fā)電資產中收集數(shù)據(jù)，包括電壓、頻率、功率負載、開關狀態(tài)、溫度、振動等，這些參數(shù)最能描述網絡的狀況和工作。借助無線通信技術將這些數(shù)據(jù)上傳后，通過進一步分析即可給出可持續(xù)性的維護方案。
二是電力線的巡查。對工作人員來說，這個工作即辛苦又危險，在智慧城市方案中，這些工作可以在裝有攝像頭的直升機或無人機的協(xié)助下完成，減少了認為因素的影響，大大提高了巡檢的可靠性。
智能電表是智能電網的一個應用子集。Insider Intelligence預計，由于智能電表的采用和實施，到2035年，公用事業(yè)公司將節(jié)省1,570億美元成本。從本質上說，智能電網是從自動抄表（AMR）發(fā)展而來的，它除了及時準確地讀取用戶使用情況，還能為上下游一系列應用提供了數(shù)據(jù)支撐，比如智能電表允許用戶隨時跟蹤和查看他們的能源消耗情況。
智慧城市方案的實施還為城市公共照明基礎設施提供了一個發(fā)展機會。通過基于云的監(jiān)測和管理，以及與智能計量等其他城市物聯(lián)網功能的集成，智能照明方案在提高能源效率上表現(xiàn)極為出色。
智慧城市概念剛一提出，智能交通就被提上了日程。對于自動駕駛汽車而言，智能交通更是其發(fā)展的基礎?，F(xiàn)在，車聯(lián)網建設已取得階段性成果，特別是語音搜索和位置數(shù)據(jù)功能對司機很有吸引力。隨著智能應用程序的不斷開發(fā)，智能交通的應用案例會越來越多。Insider Intelligence預計，到2035年，美國聯(lián)網汽車將占注冊汽車總數(shù)的97%。
5G聯(lián)手LPWAN改善智能城市連接挑戰(zhàn)
在智慧城市建設中，傳感節(jié)點和監(jiān)控設備將遍布城市的各個角落。如此大范圍的物聯(lián)網部署有其無可爭議的好處，但也帶來了設備連接和通信方面的挑戰(zhàn)。在現(xiàn)代智能城市的框架中，使用5G蜂窩、LPWAN無線技術和云的連接與聯(lián)網設備組成的智能網絡，提供了在不必挖掘街道、人行道和店面的情況下進行互聯(lián)網連接的能力，是一種破壞性小、成本效益高的解決方案。智能交通系統(tǒng)就是蜂窩物聯(lián)網連接的理想應用，連接對象包括交通信號控制器、交通流量計、攝像機和車載傳感器等。
相對而言，5G主要部署在中頻和毫米波段，這些頻帶具有中短傳播范圍和低穿透功率率特性，由于基礎設施成本的限制，僅靠5G是無法提供對城市和偏遠區(qū)域實現(xiàn)通信全覆蓋的。而低功耗廣域網（LPWAN）的出現(xiàn)恰好彌補了5G的短板。通過部署具有LPWAN的5G網絡，就可以實現(xiàn)無處不在的物聯(lián)網連接，使數(shù)十億智能設備能夠自主互聯(lián)，并支持大規(guī)模機器類型通信（mMTC）服務和物聯(lián)網應用，如車聯(lián)網、智能計量、智能家居、智能醫(yī)療等。
傳統(tǒng)上，物聯(lián)網通信主要基于的是短距離通信技術，如ZigBee、藍牙低能耗（BLE）、Wi-Fi等。智能城市是提高公民生活質量和減少碳排放的關鍵，監(jiān)測電力、空氣和水質以及運輸需要在堅固、經濟高效的網絡中安裝可靠的低成本傳感器。這些傳感器常常是由電池或太陽能電池供電，它們需要放置在許多位置以便提供盡可能多的數(shù)據(jù)。由于高服務需求和大量的數(shù)據(jù)交換，目前的技術和架構將無法為智慧城市中的很多物聯(lián)網應用提供靈活的連接。
現(xiàn)在，具有遠程、低功耗和低成本的LPWAN技術破除了這項技術屏障。LPWAN網絡的遠程和低功耗特性允許將這些傳感器放置在有意義的地方，技術上的低復雜度，還能將顯著降低基礎設施的建設成本。
LPWAN的體系結構
LPWAN工作在無許可證頻段，它的開發(fā)是為了允許以低數(shù)據(jù)速率和低能耗進行遠程通信。這項技術的一個關鍵點是它能超越設施和家庭的界限，允許在幾個設備之間以非常低的功率需求進行遠程通信。有了LPWAN，路燈和其他公共基礎設施可以得到智能化控制和監(jiān)管，從而達到節(jié)約能源以及提高成本效益的目的。
目前市場上存在著幾種不同的LPWAN技術，如LoRaWAN、Sigfox、NB-IoT、LTE-M等，獨特的數(shù)據(jù)傳輸速率、頻率、功耗和通信范圍使得它們成為智慧城市連接方案的理想選擇。下面我們將列舉一些應用廣泛的LPWAN技術。
1、LoRaWAN
LoRaWAN是一個基于LoRa的低功耗廣域網，是一種擴頻、非蜂窩LPWAN技術，可在寬頻率上傳輸窄信號。它使用低于1GHz的無許可證的頻帶，數(shù)據(jù)速率為0.3kbps至37.5kbps，覆蓋范圍長達10公里，旨在為低成本、低電池電量的設備提供更廣泛的服務和無處不在的連接。在LPWAN技術中，LoRaWAN是無許可頻段物聯(lián)網應用的領跑者。易于使用的網絡拓撲、遠程、低功耗和廉價的硬件使LoRaWAN成為智能城市和工業(yè)需求的首選。但LoRaWAN也有其應用的局限性，比如不適用于需要更低延遲的實時用例，尤其不適合某些實時監(jiān)控應用程序。
LoRaWAN協(xié)議由LoRa聯(lián)盟定義，標準化了網絡中的通信和系統(tǒng)架構，它的目標是通過確保所有LoRaWAN產品和技術的互操作性來支持和促進LoRaWAN標準的全球采用。LoRa可作為一個國家的一個或多個自治網絡應用。目前，LoRa聯(lián)盟擁有一個由500家公司組成的社區(qū)，這些公司在物聯(lián)網開發(fā)方面表現(xiàn)出色，也讓該項技術始終保持旺盛的創(chuàng)新活力?？梢钥隙ǖ卣f，LoRaWAN的增長將直接推動LPWAN在未來幾年的普及。
據(jù)估計，到2027年，LPWAN的市場規(guī)模將超過800億美元，作為LPWAN技術之一，LoRaWAN將貢獻很大的份額。根據(jù)ABI Research的數(shù)據(jù)，全球已部署了590萬個具有LoRa設備的網關，3億個具有LoRa設備的端節(jié)點，以及181家公共網絡運營商。到2026年，超過50%的非蜂窩LPWA連接將具有LoRa功能。
LoRa Core的產品組合主要由網關芯片和參考設計組成。Semtech的SX1301數(shù)字基帶芯片是一個巨大的數(shù)字信號處理引擎，專門為全球ISM頻段提供突破性的網關能力。在1MHz偏置時，可抗70dB CW干擾，可在高達9dB的負SNR和CCR下工作。擁有雙數(shù)字TX和RX無線前端接口，10個可編程并行解調路徑，非常適于智能計量和安全傳感器網絡的無線連接。
圖1：SX1301數(shù)字基帶芯片應用方框圖
（來源：Semtech）
LLCC68是一款Sub-GHz LoRa射頻收發(fā)芯片，適用于中等范圍的室內和室內外無線應用，只有4.2mA的有源接收電流消耗，非常適合長電池壽命應用。LLCC68同時支持LoRa模式和FSK模式，以滿足消費者不同的應用要求。與傳統(tǒng)的小無線產品相比，LLCC68的FSK模式的靈敏度更高。
在智能家居解決應用中，SX1262、SX1268與LLCC68組成的無線連接方案可以通過高效集成功率放大器傳輸高達+22dBm的信號。Semtech在LoRa芯片設計時充分考慮了產品的易用性和系統(tǒng)的設計成本，在開發(fā)LoRa Core LLCC68芯片時，還提供了全新的參考設計。
圖2：Sub-GHz LoRa射頻收發(fā)芯片LLCC68系統(tǒng)框圖
（來源：Semtech）
2、LTE-M
LTE-M是另一種基于3GPP標準的蜂窩LPWAN，在許可頻率（LTE蜂窩）頻帶上運行。它具有高達10Mbps的下載和5Mbps的上傳數(shù)據(jù)速率，信道帶寬為20MHz。LTE-M利用現(xiàn)有的LTE網絡基礎設施實現(xiàn)高效連接和室內和地下的擴展覆蓋。因此，它適用于需要更高吞吐量的物聯(lián)網應用。
3、NB-IoT
與LTE-M一樣，窄帶物聯(lián)網（NB-IoT）也在3GPP Release 13 LPWAN技術中。與LTE-M相比，它以更低的復雜性和更低的數(shù)據(jù)速率進行操作。NB-IoT也在許可的LTE頻帶中運行，但具有在GSM許可頻帶（700MHz、800MHz和900MHz）中部署的靈活性。它使用雙向通信，其中正交頻分多址（OFDMA）用于下行鏈路，單載波頻分多入（SC-FDMA）用于上行鏈路，每個基站可連接5萬個設備，并使用180kHz的信道帶寬來建立通信。NB-IoT的下行數(shù)據(jù)速率為200kbps，上行數(shù)據(jù)速率為20kbps，電池壽命長達10年。NB-IoT是領先的蜂窩LPWAN技術，在提供高帶寬和數(shù)據(jù)速率情況下，還能保證服務質量，現(xiàn)在主要用于長區(qū)域布局的固定設備。
u-blox公司的SARA-R4多頻段LTE-M / NB-IoT / EGPRS模塊是多頻段多模解決方案。產品采用小型SARA LGA外形尺寸（26.0mm x 16.0mm，96引腳），因此可以輕松地集成到緊湊的設計中，并可以從其他u-blox蜂窩模塊系列無縫引入遷移。SARA-R4系列模塊提供基于軟件的多頻段可配置性，實現(xiàn)LTE-M/NB-IoT/EGPRS無線接入技術的多區(qū)域覆蓋。
圖3：SARA-R422-00B和SARA-R422S-00B模塊簡易方框圖（來源：Mouser）
4、Sigfox
Sigfox同樣是一種遠程蜂窩無線通信，通過使用其專利技術提供端到端的物聯(lián)網連接服務，它的PHY層協(xié)議是專有的，并且在低于1GHz的無線電頻帶的許可自由頻帶中工作，主要為低吞吐量物聯(lián)網（IoT）和M2M應用程序提供定制解決方案。Sigfox網絡協(xié)議擁有與軟件定義無線電（SDR）集成的專利基站，終端設備使用二進制相移鍵控（BPSK）調制來連接到基站。
Sigfox網絡的設計旨在促進低功耗下的有效通信，實現(xiàn)了物聯(lián)網遠程通信，使其能夠使用極少的基站進行傳輸，有助于在廣闊的地理區(qū)域內從Sigfox節(jié)點進行遠程控制和數(shù)據(jù)收集。在開放空間中，覆蓋范圍超過40公里。對于那些有大量數(shù)據(jù)傳輸需求的應用，很顯然Sigfox不是一個合適的選擇。
Sigfox SDR-USB100M SDR-Dongle是一個帶有軟件包可仿真Sigfox網絡的USB設備。SDR-USB100M以傳導模式運行，與正在開發(fā)的對象兼容所有歐洲和FCC頻段。根據(jù)所使用的軟件，它允許在不考慮網絡覆蓋問題或分析無線電信號的情況下開發(fā)應用程序。
圖4：Sigfox SDR-USB100M SDR-Dongle
（來源：Mouser）
結語
智慧城市是指利用數(shù)字技術豐富居民生活、改善基礎設施、實現(xiàn)政府服務現(xiàn)代化、推動可持續(xù)發(fā)展和促進經濟發(fā)展的城市地區(qū)。智能城市不僅僅是未來的概念或夢想，它們中的很多智能化應用已經開始走向現(xiàn)實。
憑借其高速、低延遲和更高容量的無線連接，5G成為智能城市發(fā)展的一個關鍵轉折點。網絡速度和容量的這一重大飛躍使得大規(guī)模物聯(lián)網部署、人工智能（AI）和量子計算等新興技術進入企業(yè)和我們的日常生活變得切實可行。
對于那些5G無法覆蓋的通信區(qū)域和應用，LPWAN以更低的成本和更高的生產率在長距離內以較低比特率為電池供電設備提供了可靠通信保障，其中涉及了一系列無線技術，如LoRa、LTE-M、Sigfox、NB-IoT等。
LPWAN雖不能取代傳統(tǒng)的短/中端高數(shù)據(jù)技術，但可以補充遠程物聯(lián)網應用，它的的輕量級協(xié)議推動了智能城市的智能照明、智能計量、資產監(jiān)控和能源分配管理的建設。LPWAN和5G這樣的大規(guī)模無線網絡是未來智能城市大規(guī)模數(shù)據(jù)通信的關鍵，它們通過復雜的通信網絡和基礎設施為數(shù)百萬居民提供智能服務，在此過程中，LPWAN將成為智能城市基礎設施的核心連接方案。
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