什么是LPWA（Low Power Wide Area）無線通信 - 基礎篇

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INDEX -基礎篇

1. 什么是LPWA？

2. LPWA的兩大特點

2.1 LPWA的特點（1）―消耗電力低―

2.2 LPWA的特點（2）―遠距離無線通信―

3. LPWA的種類和標準

3.1 LPWA的類型 ―蜂窩LPWA和非蜂窩LPWA―

3.2 蜂窩LPWA和非蜂窩LPWA的標準

3.3 蜂窩LPWA與非蜂窩LPWA的規格比較

專欄 ― LPWA的出現

INDEX -應用篇

4. LPWA的應用事例

5. 村田制作所的LPWA模塊

1. 什么是LPWA？

LPWA是Low Power Wide Area的縮寫，又稱LPWAN（Low Power Wide Area Network），是一種以低消耗電力、廣域和遠距離通信為特點的無線通信技術。雖然通信數據量少且比Wi-Fi等更慢，但可以進行超過10km的無線通信。在工廠、物流、農業、住宅和生活基礎設施等的智能化過程中使用了IoT（Internet of Things）和M2M（Machine to Machine），這要求進行少量數據的遠距離通信，因此，LPWA作為其基礎——無線通信技術而受到了關注。

2. LPWA的兩大特點

對LPWA*1與其他無線通信之間的區別，特別是低消耗電力和遠距離通信這些主要特點進行說明。圖1顯示了在LPWA和其他無線通信中的通信距離和通信速度（數據傳輸速度）的關系。由此可見，LPWA不僅通信距離較其他通信方式更長，而且數據傳輸速度較低，即是一種低速通信方式。

圖1 LPWA與其他無線通信方式中的通信距離和通信速度的關系

*1 LPWA分為蜂窩LPWA（授權頻段）和非蜂窩LPWA（免授權頻段）。關于這些種類和多種標準，將在下面的 3. LPWA的種類和標準 中進行了解說。

*2 NFC（Near Field Communication）是一種最大通信距離為10cm左右的無線通信技術，被翻譯為“近距離無線通信”。它被用于公共交通的非接觸式IC卡等當中。

*3 ZigBee是一種近距離無線通信技術，可以實現設備之間的直接連接和構建網絡。其特點是低速（最大250kbps）和消耗電力低，它被用于物聯網設備（傳感器數據通信、家電遠程控制等）。

2.1 LPWA的特點（1）―消耗電力低―

在智能手機等終端使用的通過4G LTE或5G進行的數據通信中，通信速度很快，從Mbps到Gbps，通信所需的消耗電力也相應增加。
另一方面，物聯網和M2M中使用的許多設備需要少量數據來進行傳感和設備控制，因此物聯網和M2M通過低速通信就足以正常工作。因此，預定用于物聯網和M2M的LPWA由于其通信速度慢而可以保持低消耗電力。實際上，LPWA模塊的電池壽命可達10年或更長，因此，可以大幅降低物聯網設備的電池更換頻率等，在多種設置場所都能有效工作。

2.2 LPWA的特點（2）―遠距離無線通信―

討論從幾米到幾百米的短距離數據通信時，候選者通常是Bluetooth?——無線PAN（Personal Area Network），或Wi-Fi——無線LAN（Local Area Network）的一種。另一方面，在物聯網和M2M等領域，為了監控和操作設置在幾公里到幾十公里的廣闊范圍內的物聯網設備，很多情況下需要進行數據通信，這就需要能夠實現比無線PAN和無線LAN的通信距離更遠的無線技術。
LPWA就是一種旨在滿足物聯網時代的遠距離通信需求的無線通信技術。用于遠距離相互傳輸設置在遠處的物聯網設備輸出的傳感器值、用于識別位置的數據以及發送到設備的控制數據等少量數據。

3. LPWA的種類和標準

LPWA分為蜂窩LPWA和非蜂窩LPWA*4。此外，每個種類都有自己的標準，所使用的頻帶寬度、通信距離、傳輸速度等的規格也各不相同。

*4 在日本，蜂窩LPWA有時被稱為“蜂窩系統”或“授權系統”，非蜂窩LPWA有時被稱為“非蜂窩LPWA”、“非蜂窩系統”或“免授權系統”。

3.1 LPWA的類型 ―蜂窩LPWA和非蜂窩LPWA―

首先，對使用需要無線電局許可證的頻段（授權頻段）的蜂窩LPWA和使用不需要無線局許可證的頻段（免授權頻段）的非蜂窩LPWA進行說明。

［蜂窩LPWA（授權頻段）］

在需要無線局授權的蜂窩LPWA中，通常使用運營商的基站和通信網絡（圖2）。但是，需要從配備LPWA模塊的物聯網設備到基站能穩定通信的環境。因此，物聯網設備和基站之間的區域往往是城區、居民區、工業區等人口密度較高的區域。

此外，在到基站的通信存在困難的山區和偏遠島嶼等遠離城區的地區，則選擇后述的非蜂窩LPWA。

圖2 蜂窩LPWA的使用示意圖

*5 SIM（Subscriber Identity Module）的字面意思是識別用戶的模塊。對于使用需要許可證的授權頻段的蜂窩LPWA，可以通過在設備或模塊中配備與簽約運營商兼容的SIM來使用其通信網絡。

作為蜂窩LPWA的使用事例，有電力、煤氣和自來水等生活基礎設施的數據收集，以及通過漫游*6各國運營商的通信網絡來跟蹤國際物流中的包裹等。

*6 漫游一般是指允許在簽約的運營商提供服務的地區之外使用與該運營商合作的當地運營商的通信網絡的服務。在國際上提供的此類服務也被稱為國際漫游。

事例的詳細信息請參見 4. LPWA的應用事例 | 什么是LPWA無線通信 - 應用篇 。

［非蜂窩LPWA（免授權頻段）］

非蜂窩LPWA使用在日本國內不需要無線電許可證的 Sub-GHz頻段——920MHz頻段。如圖3所示，不需要使用運營商的通信網絡，從LPWA模塊通過網關*7就可以將獲得的數據發送到網絡服務器或應用服務器。

圖3 非蜂窩LPWA的通信示意圖

*7 網關：在無線、有線通信中，為了讓設備之間能夠通信而規定通信協議（規定通信時的步驟和數據格式等的約定）。通信協議在不同的設備和網絡之間無法直接進行通信連接。網關是解決這個問題的設備或軟件，它通過轉換協議使中繼連接成為可能。

作為非蜂窩LPWA應用事例，有蜂窩LPWA無法覆蓋的遠距離通信用途，例如在山區或偏遠島嶼等難以連接到運營商基站的環境中的通信，以及私人網絡中的通信等。

事例的詳細信息請參見 4. LPWA的應用事例 | 什么是LPWA無線通信 - 應用篇 。

3.2 蜂窩LPWA和非蜂窩LPWA的標準

對蜂窩LPWA和非蜂窩LPWA的標準和特點分別進行解說。

［蜂窩LPWA（授權頻段）的標準］

使用運營商的基站和通信網絡的蜂窩LPWA有LTE Cat. M1（LTE-M）和NB-IoT這2種標準，2種標準均使用LTE的頻帶（700MHz-3.5GHz）中可用的頻段。 每種標準的特點如下所示。

- LTE Cat. M1（LTE-M）

LTE Category M1的縮寫，也被稱為LTE-M（LTE for Machine-type-communication）。上下行最大速度均為1Mbps，最大通信距離為約10km。此外，在步行、騎自行車或開車等移動時也可以進行通信。作為用途事例，可將其用于看護兒童和追蹤物流貨物等邊移動邊傳輸位置信息的物聯網設備。

- NB-IoT

Narrow Band IoT的縮寫，最大速度為上行62.50kbps，下行26.15kbps，雖然速度低，但最大通信距離為約40km。雖然它不適合在移動時的通信，但它適合用于大范圍固定設置的智能儀表以及具有預防犯罪和報警功能的物聯網設備等。

關于兩種標準之間的區別，請參照下一項 3.3 蜂窩LPWA和非蜂窩LPWA的規格比較 中的表1。
此外，關于支持這兩種標準的LPWA模塊，可以在下一頁中看到。
5. 村田制作所的LPWA模塊 | 什么是LPWA無線通信 - 應用篇

［非蜂窩LPWA（免授權頻段）的主要標準］

非蜂窩LPWA除了LoRaWAN以外，還有Sigfox、Wi-SUN、ZETA和ELTRES等多種標準。全部標準均使用 Sub-GHz頻段，其中大多數標準的通信速度為 100bps-250kbps左右。通信距離為從2km到100km左右，因標準的不同而有很大差別，呈現通信距離越長，通信速度就越低的傾向。

關于支持LoRaWAN的LPWA模塊，可以在下一頁中看到。
5. 村田制作所的LPWA模塊 | 什么是LPWA無線通信 - 應用篇

3.3 蜂窩LPWA與非蜂窩LPWA的規格比較

以蜂窩LPWA的標準LTE CAT.M1（LTE-M）和NB-IoT以及非蜂窩LPWA的標準LoRaWAN為例，其規格如表1所示。此外，作為參考，該表中還一并列出了LTE Cat.1的規格，該規格比LPWA目前的標準具有更高的通信速度，但通信成本更高。該表主要通過比較是否需要無線局許可證（或者是否處于能與基站進行穩定通信的環境等）、通信距離、通信速度等，為選擇哪種標準提供參考。

表1 蜂窩/非蜂窩LPWA的主要標準、與LTE（參考）的規格比較（截至2023年6月）

	LPWA的種類			LTE（參考）
	蜂窩LPWA		非蜂窩LPWA
標準	LTE Cat. M1（LTE-M）	NB-IoT	LoRaWAN	LTE Cat.1
無線局許可證	需要許可證的頻段 （授權頻段）		不需要許可證的頻段 （免授權頻段）	需要許可證的頻段 （授權頻段）
最長通信距離	約10km	約40km	幾十公里	約5km
最大通訊速度	下行1Mbps 上行1Mbps	下行26.15kbps 上行62.50kbps	下行250bps 上行250bps	下行10Mbps 上行5Mbps
發送功率	+23dBm	+23dBm	+20dBm *	+23dBm
設備電池壽命	10年或更長			-
消耗電力	Low		Low	High
成本（展開時）	Low		Low	High

* +20dBm僅限美國。歐盟/亞洲為+14dBm。

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專欄 ― LPWA的出現

在物聯網和M2M向從制造業到家庭的廣范圍普及的過程中，曾經發生過布線成為引入瓶頸的情況。
例如，對于工廠中的通用傳感器那樣處理少量數據的物聯網設備，如果分別連接用于供給電源和通信的電纜，則布線會變得復雜，更換設備時的工時數量也會增加，成為問題。
為了解決這個問題，人們希望能讓電池驅動和通信實現無線化。然而，比如在使用Wi-Fi時，對于擁有較大場地的工廠設施來說，通信距離不夠，而且高速通信會導致電池壽命縮短等問題。此外，手機使用的LTE也是高速通信，因此，設備的消耗電力也較大，需要頻繁充電，而且還有使用成本較高的問題（實際上，一開始使用的是名為LTE Cat.1【參考：3.3 蜂窩LPWA與非蜂窩LPWA的規格比較】的標準）。工廠中的通用傳感器和家庭中的電氣產品控制等物聯網/M2M設備的通信數據量本來就少，沒必要使用高速通信。
這個問題也存在于在廣范圍內大量設置的電氣、自來水、煤氣等生活基礎設施的儀表智能化中，智能儀表的通信數據較少，因此，如何以盡量低的成本實現低速、低消耗電力、遠距離的無線通信就是需要解決的問題。

因此，需要物聯網/M2M用途實際所需的規格，即對少量通信數據而言已經足夠的低速通信、由此帶來的低消耗電力和可進行遠距離通信的無線技術。而且，LPWA被提議作為滿足該規格的無線技術，目前各個企業和組織都已提供LPWA標準。例如，本文中也進行了介紹的LTE Cat.M1（LTE-M）和NB-IoT等標準已經出現，因此，LPWA作為物聯網/M2M領域的代表性無線通信已被大范圍使用。

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INDEX -應用篇

4. LPWA的應用事例

4.1 生活基礎設施的智能化（智能儀表）［蜂窩LPWA］

4.2 住宅及設施的智能化（智能家居、智能鎖等）［蜂窩LPWA/非蜂窩LPWA］

4.3 跟蹤人和物（可穿戴設備/跟蹤器）［蜂窩LPWA］

4.4 環境監測和農業的智能化［蜂窩LPWA/非蜂窩LPWA］

4.5 戶外智能支付終端的使用［蜂窩LPWA］

4.6 醫療設備（CPAP裝置）的遠程監控［蜂窩LPWA］

5. 村田制作所的LPWA模塊

5.1 村田制作所的LPWA模塊的優勢

5.2 LPWA模塊的產品陣容

審核編輯 黃宇