無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )之LoRa技術(shù)

盡管電信運營(yíng)商具有建設和管理這樣一個(gè)大規模網(wǎng)絡(luò )的最突出的優(yōu)勢，但是需要一個(gè)遠距離，大容量的系統以鞏固在依靠電池供電的無(wú)線(xiàn)終端細分市場(chǎng)——無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)、智能城市、智能電網(wǎng)、智能家居、安防設備和工業(yè)控制等方面的地位。對于物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，只有使用一種廣泛的技術(shù)，才可能使得電池供電的無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)數量達到預計的規模。 

LoRa 作為低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）的一種長(cháng)距離通信技術(shù)，近些年受到越來(lái)越多的關(guān)注。

LoRa技術(shù)

LoRa 是LPWAN通信技術(shù)中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術(shù)的超遠距離無(wú)線(xiàn)傳輸方案。 

是物理層或無(wú)線(xiàn)調制用于建立長(cháng)距離通信鏈路。許多傳統的無(wú)線(xiàn)系統使用頻移鍵控（FSK）調制作為物理層，因為它是一種實(shí)現低功耗的非常有效的調制。

LoRa 是基于線(xiàn)性調頻擴頻調制，它保持了像 FSK 調制相同的低功耗特性，但明顯地增加了通信距離。

LoRa 技術(shù)本身?yè)碛谐叩慕邮侦`敏度（RSSI）和超強信噪比（SNR） 。此外使用跳頻技術(shù)，通過(guò)偽隨機碼序列進(jìn)行頻移鍵控，使載波頻率不斷跳變而擴展頻譜，防止定頻干擾。

目前，LoRa 主要在全球免費頻段運行，包括433、868、915 MHz等。

LoRa的最大特點(diǎn)就是：

• 傳輸距離遠

• 工作功耗低

• 組網(wǎng)節點(diǎn)多

  
  

  

  
  

 LoRa網(wǎng)絡(luò )架構

在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )中， 個(gè)別終端節點(diǎn)轉發(fā)其他節點(diǎn)的信息， 以增加網(wǎng)絡(luò )的通信距離和網(wǎng)絡(luò )區域規模大小。雖然這增加了范圍，但也增加了復雜性，降低了網(wǎng)絡(luò )容量，并降低了電池壽命，因節點(diǎn)接受和轉發(fā)來(lái)自其他節點(diǎn)的可能與其不相關(guān)的信息。當實(shí)現長(cháng)距離連接時(shí)， 長(cháng)距離星型架構最有意義的是保護了電池壽命。

如果把網(wǎng)關(guān)安裝在現有移動(dòng)通信****的位置，發(fā)射功率 20dBm， （100mW） ，那么在高建筑密集的城市環(huán)境可以覆蓋 2 公里左右，而在密度較低的郊區，覆蓋范圍可達 10 公里。該網(wǎng)關(guān)/集中器還包含 MAC 層協(xié)議，對于高層它是透明的。

LoRa網(wǎng)絡(luò )主要由終端（可內置LoRa模塊）、網(wǎng)關(guān)（或稱(chēng)****）、網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器以及應用服務(wù)器組成。應用數據可雙向傳輸。

LoRaWAN網(wǎng)絡(luò )架構是一個(gè)典型的星形拓撲結構，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò )架構中，LoRa網(wǎng)關(guān)是一個(gè)透明傳輸的中繼，連接終端設備和后端中央服務(wù)器。終端設備采用單跳與一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)通信。所有的節點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)間均是雙向通信。

LoRa終端設備

LoRa的終端節點(diǎn)可能是各種設備，比如水表氣表、煙霧報警器、寵物跟蹤器等。這些節點(diǎn)通過(guò)LoRa無(wú)線(xiàn)通信首先與LoRa網(wǎng)關(guān)連接，再通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò )或者以太網(wǎng)絡(luò )，連接到網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器中。網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器之間通過(guò)TCP/IP協(xié)議通信。

LoRa網(wǎng)絡(luò )將終端設備劃分成A/B/C三類(lèi)：

Class A：雙向通信終端設備。這一類(lèi)的終端設備允許雙向通信，每一個(gè)終端設備上行傳輸會(huì )伴隨著(zhù)兩個(gè)下行接收窗口。終端設備的傳輸時(shí)隙是基于其自身通信需求，其微調基于A(yíng)LOHA協(xié)議。

Class A設備的功耗最低，****下行通信只能在終端上行通信之后

Class B：具有預設接收時(shí)隙的雙向通信終端設備。這一類(lèi)的終端設備會(huì )在預設時(shí)間中開(kāi)放多余的接收窗口，為了達到這一目的，終端設備會(huì )同步從網(wǎng)關(guān)接收一個(gè)Beacon，通過(guò)Beacon將****與模塊的時(shí)間進(jìn)行同步。

Class B終端可以使****知道終端正在接收數據

Class C：具有最大接收窗口的雙向通信終端設備。這一類(lèi)的終端設備持續開(kāi)放接收窗口，只在傳輸時(shí)關(guān)閉。

Class C設備擁有最長(cháng)的接收窗口，也最耗電

LoRa聯(lián)盟

LoRa聯(lián)盟是2015年3月Semtech牽頭成立的一個(gè)開(kāi)放的、非盈利的組織，發(fā)起成員還有法國Actility，中國AUGTEK和荷蘭皇家電信kpn等企業(yè)。不到一年時(shí)間，聯(lián)盟已經(jīng)發(fā)展成員公司150余家，其中不乏IBM、思科、法國Orange等重量級產(chǎn)商。

產(chǎn)業(yè)鏈（終端硬件產(chǎn)商、芯片產(chǎn)商、模塊網(wǎng)關(guān)產(chǎn)商、軟件廠(chǎng)商、系統集成商、網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商）中的每一環(huán)均有大量的企業(yè)，這種技術(shù)的開(kāi)放性，競爭與合作的充分性都促使了LoRa的快速發(fā)展與生態(tài)繁盛。

LoRaWAN協(xié)議

LoRaWAN是 LoRa聯(lián)盟推出的一個(gè)基于開(kāi)源的MAC層協(xié)議的低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network, LPWAN）標準。這一技術(shù)可以為電池供電的無(wú)線(xiàn)設備提供局域、全國或全球的網(wǎng)絡(luò )。LoRaWAN瞄準的是物聯(lián)網(wǎng)中的一些核心需求，如安全雙向通訊、移動(dòng)通訊和靜態(tài)位置識別等服務(wù)。該技術(shù)無(wú)需本地復雜配置，就可以讓智能設備間實(shí)現無(wú)縫對接互操作，給物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的用戶(hù)、開(kāi)發(fā)者和企業(yè)自由操作權限。

LoRa 對比 NB-IoT

我們在之前的文章中介紹過(guò)NB-IoT，同時(shí)作為物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，NB-IoT和LoRa兩種技術(shù)具有不同的技術(shù)和商業(yè)特性，所以在應用場(chǎng)景方面會(huì )有不同。

目前從產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來(lái)看，已經(jīng)形成了由芯片、模組、終端、通訊設備、平臺、運營(yíng)商和應用這七大環(huán)節組成的完整產(chǎn)業(yè)鏈，將NB-IoT和LoRa做下對比：

頻段，服務(wù)質(zhì)量和成本

LoRa工作在1GHz以下的非授權頻段，故在應用時(shí)不需要額外付費。NB-IoT和蜂窩通信使用1GHz以下的授權頻段。處于500MHz和1GHz之間的頻段對于遠距離通信是最優(yōu)的選擇，因為天線(xiàn)的實(shí)際尺寸和效率是具有相當優(yōu)勢的。

LoRaWAN使用免費的非授權頻段，并且是異步通信協(xié)議，對于電池供電和低成本是最佳的選擇。LoRa 和 LoRaWAN 協(xié)議，在處理干擾、網(wǎng)絡(luò )重疊、可伸縮性等方面具有獨特的特性，但卻不能提供像蜂窩協(xié)議一樣的服務(wù)質(zhì)量（QoS）。

據悉授權的Sub-GHz頻段的競拍，每MHz價(jià)格超過(guò)5億美金。蜂窩網(wǎng)絡(luò )和NB-IoT出于對服務(wù)質(zhì)量（QoS）的考慮，并不能提供類(lèi)似LoRa一樣的電池壽命。由于QoS和高昂的頻段使用費，需要確保QoS的應用場(chǎng)景推薦使用蜂窩網(wǎng)絡(luò )和NB-IoT，而低成本和大量連接是首選項的話(huà)LoRa是不錯的選擇，如下圖。

電池壽命和下行延遲

蜂窩網(wǎng)絡(luò )設計的理念是最優(yōu)的頻段利用率，相應的就犧牲了節點(diǎn)成本和電池壽命。相反，LoRaWAN節點(diǎn)是為了低成本和長(cháng)電池壽命而生，在頻段利用率方面有一定的欠缺。 

關(guān)于電池壽命方面有兩個(gè)重要的因素需要考慮，節點(diǎn)的電流消耗（峰值電流和平均電流）以及協(xié)議內容。LoRaWAN是一種異步的基于A(yíng)LOHA的協(xié)議，也就是說(shuō)節點(diǎn)可以根據具體應用場(chǎng)景需求進(jìn)行或長(cháng)或短的睡眠，而蜂窩等同步協(xié)議的節點(diǎn)必須定期地聯(lián)網(wǎng)。

例如，現在市面上的手機工作時(shí)每1.5s必須與網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行同步。在NB-IoT中，這種同步變少但是仍然在定期進(jìn)行，這樣就額外的消耗了電池的電量。 

在蜂窩網(wǎng)絡(luò )中調制是充分利用頻段的有效手段，但是從節點(diǎn)的角度這并不是有效的。蜂窩的調制（OFDM或者FDMA）需要一個(gè)線(xiàn)性的****來(lái)產(chǎn)生調制信號，而一個(gè)線(xiàn)性的****需要的峰值電流比非線(xiàn)性調制多幾個(gè)數量級，越高的峰值電流會(huì )消耗電池更多的電量。 

但同步的通信協(xié)議在較短的下行延遲方面具有優(yōu)勢，同時(shí)NB-IoT可以為需要大量數據吞吐量的應用提供快速的數據傳輸速率。而LoRaWAN的Class B 通過(guò)定期地（編程實(shí)現）喚醒終端以收取下行消息而縮短了下行通信的延遲。 

所以對于需要頻繁通信、較短的延遲或者較大數據量的應用來(lái)說(shuō)NB-IoT或許是更好的選擇，而對于需要較低的成本、較高的電池壽命和通信并不頻繁的場(chǎng)景來(lái)說(shuō)LoRa更好。

設備成本,網(wǎng)絡(luò )成本和混合模型

對終端節點(diǎn)來(lái)說(shuō)，LoRaWAN協(xié)議比NB-IoT更簡(jiǎn)單，更容易開(kāi)發(fā)并且對于微處理器的適用和兼容性更好。NB-IoT的調制機制和協(xié)議比較復雜，這就需要更復雜的電路和更多的花費，同時(shí)NB-IoT和3GPP一樣是要收稅的。

現階段對于一部手機的稅費大概是5美元，但這對于物聯(lián)網(wǎng)設備來(lái)說(shuō)顯得太昂貴了，而且如果貿然的降低稅費會(huì )引起手機等移動(dòng)通信市場(chǎng)的價(jià)格混亂。所以3GPP組織如何權衡IoT和移動(dòng)通信兩方面稅費問(wèn)題也個(gè)大問(wèn)題。

低成本、技術(shù)相對成熟的LoRa模塊已經(jīng)可以在市場(chǎng)上找到了，并且升級版還會(huì )接踵而至。LoRa聯(lián)盟沒(méi)有過(guò)多版權和稅費的限制使得在LoRa產(chǎn)業(yè)鏈下模塊低于4美元是十分可觀(guān)的?，F在市場(chǎng)上的LoRa模塊價(jià)格一般在7-10美元，但是隨著(zhù)技術(shù)的成熟度提高4-5美元并不是大問(wèn)題。而現在一個(gè)LTE模塊的價(jià)格卻很難低于20美元。

相對于傳統的只依靠“鐵塔”部網(wǎng)，對于IoT和LPWAN來(lái)說(shuō)部署需要使用不同模型以降低支出和運營(yíng)成本。LoRaWAN部署花費更少，因為可以利用傳統的信號塔、工業(yè)****甚至是便攜式家庭網(wǎng)關(guān)來(lái)進(jìn)行。

現階段一個(gè)塔式的****價(jià)格大概是1000美元，工業(yè)****價(jià)格低于500美元，而家庭式的網(wǎng)關(guān)只需要100美元左右。但是對于NB-IoT來(lái)說(shuō)，升級現有的4G LTE****的價(jià)格保守估計每個(gè)不少于15000美元。

LoRa 和NB-IoT 的應用場(chǎng)景

沒(méi)有一種技術(shù)可以同時(shí)滿(mǎn)足IoT應用的所有需求。下面將通過(guò)幾個(gè)具體的應用實(shí)例來(lái)分析NB-IoT 和LoRa 各自適合的應用場(chǎng)景。

A：智能電表

在智能電表領(lǐng)域相關(guān)的公司和部門(mén)需要高速率的數據傳輸、頻繁的通信和低延遲。由于電表是由電源供電的，所以并沒(méi)有超低功耗和長(cháng)電池使用壽命的需求。并且還需要對線(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控以便發(fā)現隱患時(shí)及時(shí)處理。

LoRaWAN的ClassＣ可以實(shí)現低延遲，但是對于高傳輸速率和頻繁通信的需求NB-IoT是更適合于智能電表的選擇。并且電表一般安裝在人口密集的地區的固定位置，所以對于運營(yíng)商部網(wǎng)也較為容易。

B：智慧農業(yè)

對農業(yè)來(lái)說(shuō)，低功耗低成本的傳感器是迫切需要的。溫濕度、二氧化碳、鹽堿度等傳感器的應用對于農業(yè)提高產(chǎn)量、減少水資源的消耗等有重要的意義，這些傳感器需要定期地上傳數據。

LoRa十分適用于這樣的場(chǎng)景。而且很多偏遠的農場(chǎng)或者耕地并沒(méi)有覆蓋蜂窩網(wǎng)絡(luò )，更不用說(shuō)4G/LTE了，所以NB-IoT并不如LoRa一樣適合于智慧農業(yè)。

C：自動(dòng)化制造

工廠(chǎng)機器的運行需要實(shí)時(shí)的監控，不僅可以保證生產(chǎn)效率而且通過(guò)遠程監控可以提高人工效率。在工廠(chǎng)的自動(dòng)化制造和生產(chǎn)中，有許多不同類(lèi)型的傳感器和設備。

一些場(chǎng)景需要頻繁的通信并且確保良好的服務(wù)質(zhì)量（QoS），這時(shí)NB-IoT是較為合適的選擇。而一些場(chǎng)景需要低成本的傳感器配以低功耗和長(cháng)壽命的電池來(lái)追蹤設備、監控狀態(tài)，這時(shí)LoRa便是合理的選擇。所以對于自動(dòng)化生產(chǎn)制造的多樣性來(lái)說(shuō)，NB-IoT 和LoRa都有用武之地。

D：智能建筑

對于建筑的改造，加入溫濕度、安全、有害氣體、水流監測等傳感器并且定時(shí)的將監測的信息上傳，方便了管理者的監管同時(shí)更方便了用戶(hù)。

通常來(lái)說(shuō)這些傳感器的通信不需要特別頻繁或者保證特別好的服務(wù)質(zhì)量，同時(shí)便攜式的家庭式網(wǎng)關(guān)便可以滿(mǎn)足需要。所以該場(chǎng)景LoRa是比較合適的選擇。

E：零售終端（POS）

零售終端（POS）系統往往需要較頻繁和高質(zhì)量的通信，而且這些設備通常有專(zhuān)門(mén)供電的設備，所以對于較長(cháng)的電池使用壽命沒(méi)有要求。同時(shí)對于通信的時(shí)效性和低延遲要求較高。所以出于以上考慮NB-IoT比較適合于本應用。

F：物流追蹤

追蹤或者定位市場(chǎng)的一個(gè)重要的需求就是終端的電池使用壽命。物流追蹤可以作為混合型部署的實(shí)際案例。物流企業(yè)可以根據定位的需要在需要場(chǎng)所部網(wǎng)，可以是倉庫或者運輸車(chē)輛上，這時(shí)便攜式的****便派上了用場(chǎng)。

LoRa可以提供這樣的部署方案，而對于NB-IoT來(lái)說(shuō)追蹤范圍過(guò)大****的鋪設是很大的問(wèn)題。同時(shí)LoRa有一個(gè)特點(diǎn)，在高速移動(dòng)時(shí)通信相對于NB-IoT更穩定。出于以上的考慮，LoRa更適合于物流追蹤。

一項技術(shù)由紙面到商用離不開(kāi)一個(gè)強大生態(tài)系統的支撐。長(cháng)期以來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)各自為戰，從芯片到系統各方采用的規范不一，造成大規模部署的瓶頸。

如今，中國電信、中國移動(dòng)、中國聯(lián)通、華為與高通等運營(yíng)商的陸續部署逐漸構建起了支撐NB-IOT技術(shù)產(chǎn)業(yè)的生態(tài)系統，而Orange、軟銀、Senet和Comcast等各國主流運營(yíng)商的紛紛運用也使得LoRa技術(shù)行業(yè)的生態(tài)已初步成型。

兩項技術(shù)均在持續擴大中，使之擁抱萬(wàn)物互聯(lián)的條件慢慢開(kāi)始成熟。大量的供應商與運營(yíng)商也在不斷的展開(kāi)試點(diǎn)，相信日后NB-IoT與LoRa的互補發(fā)展將大大推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的革新與進(jìn)步。