LoRaWAN和Wi-Fi是天生绝配？

shuszhao

在各种物联网应用中，Wi-Fi和LoRaWAN作为从云端到边缘的端对端解决方案时，能够发挥极具吸引力的加乘综效…

如果您目前正在实施物联网(IoT)，那么您可能已经花了很多时间在研究无线连接解决方案，因为这毕竟有太多的选择。然而，Wi-Fi和LoRaWAN这两种技术在作为从边缘到云端的端对端解决方案时，能够发挥极具吸引力的加乘综效。因此，从工业设施到全世界各大城市的种种应用，也都可以搭配使用这两种技术。为了深究其因，让我们先了解二者之间如何协同运作。
物联网需要从边缘装置(例如各种类型传感器)到因特网(Internet)的连接能力。在边缘，典型的协议选择是从基于802.15.4的标准、蓝牙或Wi-Fi之中择其一，因为每一种标准都具有网状网络(mesh)功能。数据就透过该技术标准传送到网关，然后再透过蜂巢式或低功耗无线局域网络(LPWAN)传送到因特网。
Wi-Fi是唯一可提供极高数据速率的协议。然而，其缺点在于接取点消耗大量功率，其可视范围(LoS)也仅约200公尺，使用20MHz或更高的通道带宽，并可在2.4GHz和5GHz的频率下运行，但无法穿透结构，其频率也较低。

                               
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2018年全球Wi-Fi提供的经济价值接近2兆美元，预计这一数字到2023年时将成长到近3.5兆美元。（来源：Wi-Fi Alliance）

相形之下，使用LoRaWAN的边缘装置仅消耗微安培(uA)的电流，使用钮扣电池即可持续运作好几年。该协议使用非常窄的500kHz或更小通道宽度以及20dBm (50mW)的最大发射功率。此外，在北美，采用从914MHz到928MHz的频率范围运作，不仅可穿透结构，同时还支持更长的传输距离。

                               
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LoRaWAN系统架构图。（来源：LoRa Alliance）

对于一项发射功率极小且天线经常“电气短接”(electrically short)的技术而言，“长距离覆盖范围”这项特性似乎有悖于直觉。但是，由于LoRa无线电使用线性调频频谱调变和基于频段扩展的相关机制，因此，即使远低于噪声级的19.5dB极其微弱讯号，也可以由接收器进行解调。业余爱好者曾对此进行测试，其结果令人印象深刻或甚至“惊艳”，也就不足为奇了。今年7月，西班牙的一支工程师团队使用气球安装的定向天线，搭配Hope Electronics的RFM95W收发器以14 dBm (25mW发射功率)的RF输出，写下了766公里的世界纪录。

                               
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从西班牙Alfamen发射7个不同大小的气球，使用LoRaWAN的气球以25nW发射功率达到距离766公里的世界纪录。
那为什么不直接使用LoRaWAN就好？
当然，认定单独使用LoRaWAN就足够而不必非得与Wi-Fi搭配使用，也是很合理的，因为它毕竟提供了端对端解决方案的一切必要条件，而且LoRaWAN网络也已经成功地用于全球140多个国家了。然而，Wi-Fi能够达到LoRaWAN无法提供的传输速率和低延迟性能。这意味着在越来越多的情况下，这两种截然不同的技术得以连手产生一些Wi-Fi和LoRaWAN无法单独提供的解决方案。因此，这种强大的组合开启了一系列更广泛的应用。
而且整合这两种技术也非常容易。多家装置制造商都打造了可同时支持Wi-Fi和LoRaWAN的收发器和网关，也提供可插入LoRaWAN网关的Wi-Fi接取点配接器。兼容LoRaWAN/Wi-Fi的最新网关尺寸比起其前代产品更小，通常只有两支智能型手机堆栈在一起的大小，而且其成本正逐渐降低，甚至降到比标准消费性Wi-Fi接取点还要低。许多产品还提供对于蓝牙、GPS和LoRaWAN各种功能的支持，并包括不同的安全等级。设定支持这种双协议的网关也非常简单，只需透过网关提供的软件或智能型手机应用程序(App)即可。

                               
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LoRaWAN和Wi-Fi的智能家庭(消费)应用。（来源：Wireless Broadband Allice、LoRa Alliance）
将LoRaWAN传感器产生的资料移至Wi-Fi的过程几乎可以立即完成，而且还可加以调整以便在特定情况下启动。例如，当使用LoRaWAN的摄影机检测到动作并开始录制视频时，可以将传输功能切换成Wi-Fi，才有足够的带宽和速度将视频影片传送上云端。
另一个例子是定位和追踪，可以透过LoRaWAN传感器“嗅探”Wi-Fi接取点，并将符合要求的几个接取点传送到LoRaWAN云端，然后再透过三角测量和精确的时间戳来实现地理定位。即使是单个IoT装置也可能在室内实现约10公尺的Wi-Fi地理定位精确度，具体取决于有多少可用的Wi-Fi接取点。例如，具有五个强大Wi-Fi讯号的垂直标高定位约为5公尺，而在市区的户外约为20公尺。

                               
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LoRaWAN和Wi-Fi相辅相成。（来源：Wireless Broadband Allice、LoRa Alliance）
当采用IEEE 802.11mc标准提供精密的定时测量(也称为往返时间或RTT)时，也可以提高准确性。IEEE 802.11mc在精确定位技术方面的最新进展较鲜为人知，因为它一直到最近才引起媒体关注，但它其实已经整合至Android P操作系统，可望在未来几年开始看到更广泛的部署。IEEE 802.11mc可以将定位精度提高到大约1公尺，并提供垂直(Z轴)位置信息，这些都在过去是无法实现的。
Wi-Fi RTT能够让三轴的位置误差均降低到大约1公尺，而实现达到1公尺的定立精度。例如让第一个出动救援的人员更快定位到需要帮助的人、使用智能型手机拨打911，以及在多层建筑物的公寓中精确地定位。而当启用RTT的Wi-Fi接取点和LoRaWAN一起使用时，还可以将这样的精确确度扩展到远程位置。
LoRaWAN和Wi-Fi能有效地协同运作，这并不是其他无线通信技术(无论是短距离还是长距离)所能实现的。蜂巢式网络可以完成LoRaWAN的大部份工作，但还需要更多的基础设施，而且部署成本更高，消耗更多的装置电池寿命，使得对于IoT通讯网络的控制受限。因此，LoRaWAN崛起成为最广泛部署的LPWAN技术，而且由于Wi-Fi可在短距离内提供极高的数据传输速率，超越其他所有解决方案更高一个数量级。LoRaWAN和Wi-Fi共同打造了独特的解决方案。

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