-
生物通官微
陪你抓住生命科技
跳动的脉搏
生物通官微
陪你抓住生命科技
跳动的脉搏
低功耗广域网络(LPWAN)协议：未来无线网络与物联网(IoT)应用的关键使能技术
【字体： 大 中 小 】 时间：2025年06月21日 来源：Results in Engineering 6.0
编辑推荐：
本文针对5G及未来通信系统中物联网(IoT)网络部署的关键需求，系统研究了LoRaWAN、Sigfox、NB-IoT、LTE-M和Wi-Fi HaLow等低功耗广域网络(LPWAN)协议。研究人员通过对比分析物理层与MAC层特性、时延、能效等核心指标，阐明了不同协议在工业物联网(IIoT)、智慧城市等场景的适用性，为未来无线网络架构设计提供了重要技术参考。
在数字化转型浪潮中，物联网(IoT)技术正深刻改变人类生产生活方式。然而，海量物联网设备的连接面临严峻挑战：传统无线技术如Wi-Fi、4G等在覆盖范围、功耗和成本等方面难以满足需求。特别是在智慧城市、工业4.0等场景中，如何实现长距离、低功耗、高可靠的设备连接成为关键瓶颈。
为解决这些问题，来自约旦科技大学的研究团队在《Results in Engineering》发表重要研究成果，系统分析了低功耗广域网络(LPWAN)协议的技术特性及其在5G和未来通信系统中的应用潜力。研究采用理论分析与技术参数对比相结合的方法，重点考察了LoRaWAN、Sigfox、NB-IoT、LTE-M和Wi-Fi HaLow五种主流协议。
在物理层特性研究中，团队详细解析了各协议的调制技术：LoRaWAN采用Chirp-Spread Spectrum(CSS)调制，NB-IoT使用SC-FDMA和OFDMA技术，而Sigfox则基于Ultra Narrow Band(UNB)频谱。通过建立数学模型，研究人员量化比较了关键参数，如LoRaWAN的扩频因子(SF)与数据速率的关系：Rb=BW*SF/2SF，证明降低SF可提高传输速率但会牺牲通信距离。
MAC层机制对比揭示了显著差异：LoRaWAN采用ALOHA-like协议并支持A/B/C三类设备，NB-IoT沿用LTE的调度机制，而Sigfox使用RF-TDMA技术。研究特别关注"空中时间"(Time on Air)这一核心指标，推导出LoRaWAN的ToA计算公式，发现SF从7增至12时，ToA从97.54ms激增至2039.81ms，这对电池寿命产生直接影响。
网络部署分析表明：NB-IoT在授权频谱上提供最佳服务质量(QoS)，但设备成本较高；LoRaWAN在非授权频段表现优异，单网关可覆盖整个城镇；而IEEE 802.11ah在吞吐量方面具有优势，支持最高78Mbps速率。研究还建立了详细的成本模型，显示LoRaWAN网关价格(�150-4000)显著低于NB-IoT设备(�3-10k)。
在安全性能评估中，论文指出LPWAN协议普遍存在认证漏洞和密钥管理问题。其中NB-IoT继承LTE的AKA认证机制安全性最高，而Sigfox主要依赖用户自定义安全策略。研究建议采用WPA3加密和多层防护策略来应对这些挑战。
这项研究的重要意义在于：首次系统比较了五种LPWAN协议在5G演进中的技术定位，为不同应用场景的协议选择提供了科学依据。例如，对于需要长电池寿命的环境监测，LoRaWAN是理想选择；而要求低延迟的工业控制则应优先考虑LTE-M。研究成果对物联网基础设施建设具有重要指导价值，被多国运营商作为网络部署的参考标准。
论文最后指出，未来研究应着重解决LPWAN与5G核心网的深度融合问题，特别是在网络切片和边缘计算方面的协同优化。团队正在搭建实验平台，以验证这些协议在真实环境中的性能表现，为6G时代的物联网发展奠定基础。
生物通微信公众号
知名企业招聘
