在前面的教程中，討論了為計算機和移動裝置指定的各種物理和資料鏈路層協議。繼續物理和資料鏈路協議的主題，在本教程中，將討論為 LPWAN 指定的網路訪問協議。
LPWAN 代表低功率廣域網。通常，LPWAN 是一種低功耗遠端無線網路，其中由無線感測器（無線感測器網路）包圍的電池供電的 IOT 裝置相互連線。LPWAN 專為機器對機器通訊而設計。它們通常具有比 Wi-Fi 更大但小於蜂窩技術的覆蓋網路。
LPWAN 的主要挑戰仍然是功率效率、網路覆蓋範圍、安全性、滲透水平和網路成本。這些網路以非常有限的頻寬執行，並且其功率預算必須非常高效。因此，在設計 LPWAN 時需要仔細選擇感測器、控制器、IOT 板和電池，考慮滲透水平、覆蓋區域、頻寬限制、成本效率和網路安全性。LPWAN 設計的主要焦點仍然是功耗。理想情況下，這些網路中的物聯網裝置應該在數年或至少數月內更換電池。
有許多專門為 LPWAN 指定的物理和資料鏈路層協議。其中一些協議棧包括以下內容 -
• Sigfox
• Weightless / Neul
• NB-IOT/LTE Cat NB1
• LTE Cat 0， 1， & 3
• LTE-M1/ LTE-MTC （LTE-Machine Type Communication）
• LoRaWAN
• Symphony Link
• EC-GSM-IOT （Extended Coverage GSM-IOT）
• RPMA
1） Sigfox – Sigfox 是一家法國電信公司和全球電信服務提供商。它提供了同名的 LPWAN 網路技術堆疊。它是一項橫跨歐洲和美國的專有網路技術。Sigfox 在窄頻譜中使用免許可 ISM 頻段（歐洲為 868 MHz，美國為 902 MHz），它稱為超窄帶 （UNB），用於城市和農村地區的 M2M 通訊。該公司已在不同位置建立了訊號塔（就像蜂窩訊號塔），這些訊號塔使用差分二進位制相移鍵控 （DBPSK） 和高斯頻移鍵控 （GFSK） 進行資料通訊。
這些塔在城市和大都市地區的覆蓋範圍為 3 至 10 公里，在農村地區為 30 至 50 公里。Sigfox 收發器非常節能，功耗僅為 50 微瓦。理想情況下，任何 Sigfox 收發器在 15 到 20 年內都不需要更換電池。物聯網裝置可以以每秒 10 到 1000 位的低速與這些收發器交換資料。為了連線和使用 Sigfox 網路，物聯網開發人員需要聯絡她所在地區的 Sigfox 運營商或合作伙伴。開發人員還可以與運營商協商網路覆蓋範圍和頻寬，以滿足其應用需求。目前，Sigfox 網路廣泛應用於智慧城市和交通物聯網應用。
2） Weightless/ Neul——Neul 現在被稱為 Weightless，是由 Weightless Special Interest Group （SIG） 提出的 LPWAN 技術棧。
它使用電視傳輸頻帶中的空白空間在物聯網裝置和基站之間進行 M2M 通訊。失重收發器在免許可無線電頻段（英國為 458 MHz，美國和歐洲為 900 MHz ISM 頻段）和白色空間電影片譜（470 至 790 MHz）執行。由於它使用 UHF 頻譜（實際上用於電視傳輸），因此在網路覆蓋方面與移動物聯網標準競爭具有高度可擴充套件性。此外，UHF 頻譜允許裝置和站之間的質量連結。
與 Sigfox 一樣，Weightless 收發器安裝在塔上，每個塔的網路覆蓋範圍可達 10 公里。Weightless 已被開發用於以每秒幾位元到 100 kbps 的低速進行 M2M 通訊。收發器通常使用 AA 電池供電並消耗 15 至 30 mA 的電流。憑藉如此低的功耗，收發器可以在不更換電池的情況下使用 10 到 15 年。
Weightless 下提供了三個協議棧——
Weightless-W – 該標準使用 TV White Space 在 IOT 裝置和中心站之間進行通訊。它使用正交幅度調製 （QAM） 和其他調製技術來連線以不同頻率工作的天線。Weightless-W 標準的主要挑戰仍然是適應具有不同頻率（可以在 400 MHz 到 800 MHz 之間的任何位置）工作的天線的 RF 系統，因為不同的 TVWS 頻率在不同的位置可用。
Weightless-N – 該協議棧與 Sigfox 非常相似，因為它使用低於 1GHz 的頻段，就像 Sigfox 一樣。它由 N-Wave 設計，旨在用於基於感測器的網路。它不是一個端到端的封閉系統，而是由合作伙伴網路組成。該標準使用二進位制相移鍵控 （BPSK），重點將感測器資料上傳到基站。
Weightless-P – 由 ubiik 開發，Weightless-P 專為區域網和專用區域網路而設計。它使用 12。5 KHz 通道進行資料傳輸，使用高斯最小頻移鍵控 （GMSK） 和正交相移鍵控 （QPSK）。
Weightless 是一個開放標準，不僅可以最大限度地降低成本，還可以讓它在未來發展。
3） NB-IOT – NarrowBand-IOT 是另一個即將於 2018 年釋出的 LPWAN 標準。它將使用蜂窩電信頻段（4G LTE 網路中未使用的載波頻段）進行 M2M 通訊。它由第三代合作伙伴計劃（3GPP）提出，是一種移動物聯網（MIoT）技術。
NB-IOT 收發器將類似於移動收發器，但頻寬僅為 180 KHz。這些裝置可以以每秒 250 Kbits 的速度與這些收發器通訊。在這些網路中可能會有 1。5 秒到 10 秒的延遲。NB-IOT基於行動網路，將具備與移動裝置類似的安全特性。
NB-IOT 專為深入室內滲透而開發，旨在部署在農村地區。它的收發器將部署在塔上，就像移動塔一樣。這些收發器將非常節能，並且在 10 到 15 年內不需要更換電池。物聯網開發人員可以透過聯絡她所在地區的電信運營商來利用 NB-IOT 網路。NB-IOT 的主要優勢將是網路安全、全球範圍內的互操作性以及與現有 2G、3G 和 4G 行動網路的共存。
4） LTE Cat 0、1 和 3 – LTE Cat 0、1 和 3 實際上是按標題資料速率區分的 LTE（蜂窩網路）使用者裝置類別。通常，LTE UE 類別具有以下上行鏈路和下行鏈路速度：
圖 1：不同 LTE UE 類別的下行和上行速度列表
具有較低資料速度的 LTE 類別非常適合 LPWAN IOT 應用，因為這些移動 LTE 網路中的收發器具有非常低的功耗。LTE Cat 0、1 和 3 被認為最適合使用現有行動網路進行大規模 IOT 部署。
5） LTE-M1 – LTE-M1 也稱為 LTE-A、eMTC（機器型別通訊）、CAT-M1 和 LTE-MTC，是正在開發的未來 LTE 標準，用於使用 LTE 蜂窩網路進行 M2M 通訊。它是第三代合作伙伴計劃 （3GPP） 在其 Release 13 下提出的三個協議棧之一。另一個是 NB-IOT 和 EC GSM-IOT。它將利用現有的移動服務硬體基礎設施進行軟體升級，以適應物聯網 M2M 的要求。對這個即將推出的標準有很多期望，因為它有望具有可擴充套件性和高成本效益。
它也被稱為 BL/CE，其中 BL 代表頻寬受限，CE 代表覆蓋增強。該標準將基於 LTE Cat 1 和 LTE Cat M1 類別，這將使其具有高能效。該網路將具有三層架構，終端節點（移動物聯網裝置）、無線接入網路和核心網路位於不同的層。該網路將為媒體訪問控制協議使用正交分頻多重進接 （OFDMA）。
6） LoRaWAN – LoRaWAN 代表遠端廣域網。它是一種媒體訪問控制（資料鏈路或網路訪問）協議，還實現了網路層的一些功能。它由 LoRa 聯盟開發。在該協議棧中，多個終端節點（IOT 裝置）以星形拓撲連線到閘道器以進行 M2M 通訊。該協議棧的開發旨在滿足需要經常與基站無線連線的電池供電的物聯網裝置。它有點類似於 Sigfox 和 Weightless 技術。該網路中的收發器通常在城市地區具有約 2 至 5 公里的覆蓋範圍，在室內深處具有 10 至 15 公里的覆蓋範圍。IOT 裝置可以以每秒幾百位元到 50 Kbps 的資料速度與閘道器進行通訊。
LoRaWAN 的設定類似於教室環境，其中終端節點（物聯網裝置）被視為學生，閘道器或基站被視為教授。終端節點始終嘗試與閘道器通訊，但閘道器一次只能滿足一個終端節點。因此，它具有三個同時執行的類——A、B 和 C。在 A 類中，尾註以非同步方式將資料傳輸到閘道器，即尾註在需要時將資料傳輸到閘道器並保持空閒直到得到服務。在 B 類中，閘道器每 128 秒傳送一個信標，並且訊息在 128 秒週期內被端節點接收。在這種情況下，端節點被配置為一個接一個地監聽。在 C 類中，終端節點始終保持活動狀態以從閘道器接收資料，並且可以隨時將訊息傳送到終端節點（物聯網裝置）。
7） Symphony Link——這是 LoRa 聯盟開發的另一個 LPWAN 技術棧。它與 LoRaWAN 類似，只是它具有適合工業和企業 IOT 應用的附加功能。
8） Extended Coverage GSM-IOT – EC GSM-IOT 是第三代合作伙伴計劃 （3GPP） 在其 Release 13 下提出的另一個 LPWAN 協議棧。但是，它尚未包含在官方 Release 中。它將使用現有的 2G 行動網路進行 M2M 通訊。與 LTE-MTC 一樣，預計它具有成本效益，因為它只需要軟體升級並且將利用現有的行動網路基礎設施。
它將具有高資料速率（EDGE 網路為 474 Kbps，eGPRS 2G 網路為 2 Mbps）和低至 700 ms 的延遲。傳輸通道的頻寬為 200 KHz。該 LPWAN 標準預計將於 2019 年投入使用。
9） RPMA – 由 Ingenu 開發的隨機相位多址 （RPMA） 是一種基於直接序列擴頻 （DSSS） 調製的行動網路協議棧。它有點類似於分碼多重進接 （CDMA） 協議。RPMA 最初是為智慧電網部署的，並且被認為是其他 IOT 垂直行業的 IOT 協議棧。
在下一個教程中，將討論為個域網 （PAN） 和區域網 （LAN） IOT 應用程式開發的物理和網路訪問協議。
