長(zhǎng)距離通信技術(shù)之LoRa技術(shù)

由于耗電和成本等方面的問(wèn)題，業(yè)界預(yù)測(cè)到2020年物聯(lián)網(wǎng)（IOT）500億個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)中只有不到10%的使用GSM技術(shù)。盡管電信運(yùn)營(yíng)商具有建設(shè)和管理這樣一個(gè)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的最突出的優(yōu)勢(shì)，但是需要一個(gè)遠(yuǎn)距離，大容量的系統(tǒng)以鞏固在依靠電池供電的無(wú)線終端細(xì)分市場(chǎng)——無(wú)線傳感網(wǎng)、智能城市、智能電網(wǎng)、智能家居、安防設(shè)備和工業(yè)控制等方面的地位。對(duì)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)線節(jié)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到預(yù)計(jì)的規(guī)模。

LoRa 作為低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）的一種長(zhǎng)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(guó)Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方案。

是物理層或無(wú)線調(diào)制用于建立長(zhǎng)距離通信鏈路。許多傳統(tǒng)的無(wú)線系統(tǒng)使用頻移鍵控（FSK）調(diào)制作為物理層，因?yàn)樗且环N實(shí)現(xiàn)低功耗的非常有效的調(diào)制。

LoRa 是基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制，它保持了像 FSK 調(diào)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(qiáng)信噪比（SNR） 。此外使用跳頻技術(shù)，通過(guò)偽隨機(jī)碼序列進(jìn)行頻移鍵控，使載波頻率不斷跳變而擴(kuò)展頻譜，防止定頻干擾。

目前，LoRa 主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行，包括433、868、915 MHz等。

LoRa的最大特點(diǎn)就是：

傳輸距離遠(yuǎn)

工作功耗低

組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)多

LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中， 個(gè)別終端節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的信息， 以增加網(wǎng)絡(luò)的通信距離和網(wǎng)絡(luò)區(qū)域規(guī)模大小。雖然這增加了范圍，但也增加了復(fù)雜性，降低了網(wǎng)絡(luò)容量，并降低了電池壽命，因節(jié)點(diǎn)接受和轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的可能與其不相關(guān)的信息。當(dāng)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離連接時(shí)， 長(zhǎng)距離星型架構(gòu)最有意義的是保護(hù)了電池壽命。

如果把網(wǎng)關(guān)安裝在現(xiàn)有移動(dòng)通信基站的位置，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(qū)，覆蓋范圍可達(dá) 10 公里。該網(wǎng)關(guān)/集中器還包含 MAC 層協(xié)議，對(duì)于高層它是透明的。

LoRa網(wǎng)絡(luò)主要由終端（可內(nèi)置LoRa模塊）、網(wǎng)關(guān)（或稱(chēng)基站）、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器以及應(yīng)用服務(wù)器組成。應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。

LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個(gè)典型的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，LoRa網(wǎng)關(guān)是一個(gè)透明傳輸?shù)闹欣^，連接終端設(shè)備和后端中央服務(wù)器。終端設(shè)備采用單跳與一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)通信。所有的節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)間均是雙向通信。

LoRa終端設(shè)備

LoRa的終端節(jié)點(diǎn)可能是各種設(shè)備，比如水表氣表、煙霧報(bào)警器、寵物跟蹤器等。這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)LoRa無(wú)線通信首先與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(shè)備劃分成A/B/C三類(lèi)：

Class A：雙向通信終端設(shè)備。這一類(lèi)的終端設(shè)備允許雙向通信，每一個(gè)終端設(shè)備上行傳輸會(huì)伴隨著兩個(gè)下行接收窗口。終端設(shè)備的傳輸時(shí)隙是基于其自身通信需求，其微調(diào)基于ALOHA協(xié)議。

Class A設(shè)備的功耗最低，基站下行通信只能在終端上行通信之后

Class B：具有預(yù)設(shè)接收時(shí)隙的雙向通信終端設(shè)備。這一類(lèi)的終端設(shè)備會(huì)在預(yù)設(shè)時(shí)間中開(kāi)放多余的接收窗口，為了達(dá)到這一目的，終端設(shè)備會(huì)同步從網(wǎng)關(guān)接收一個(gè)Beacon，通過(guò)Beacon將基站與模塊的時(shí)間進(jìn)行同步。

Class B終端可以使基站知道終端正在接收數(shù)據(jù)

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

Class C設(shè)備擁有最長(zhǎng)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(guó)Actility，中國(guó)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(guó)Orange等重量級(jí)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、軟件廠商、系統(tǒng)集成商、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)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(jìng)爭(zhēng)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(biāo)準(zhǔn)。這一技術(shù)可以為電池供電的無(wú)線設(shè)備提供局域、全國(guó)或全球的網(wǎng)絡(luò)。LoRaWAN瞄準(zhǔn)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(shí)別等服務(wù)。該技術(shù)無(wú)需本地復(fù)雜配置，就可以讓智能設(shè)備間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)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(quán)限。

LoRa 對(duì)比 NB-IoT

我們?cè)谥暗奈恼轮薪榻B過(guò)NB-IoT，同時(shí)作為物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信技術(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(yīng)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(shè)備、平臺(tái)、運(yùn)營(yíng)商和應(yīng)用這七大環(huán)節(jié)組成的完整產(chǎn)業(yè)鏈，將NB-IoT和LoRa做下對(duì)比：

頻段，服務(wù)質(zhì)量和成本

LoRa工作在1GHz以下的非授權(quán)頻段，故在應(yīng)用時(shí)不需要額外付費(fèi)。NB-IoT和蜂窩通信使用1GHz以下的授權(quán)頻段。處于500MHz和1GHz之間的頻段對(duì)于遠(yuǎn)距離通信是最優(yōu)的選擇，因?yàn)?a target="_blank">天線的實(shí)際尺寸和效率是具有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)的。

LoRaWAN使用免費(fèi)的非授權(quán)頻段，并且是異步通信協(xié)議，對(duì)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(dú)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(jù)悉授權(quán)的Sub-GHz頻段的競(jìng)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(duì)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(fèi)，需要確保QoS的應(yīng)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(xiàng)的話LoRa是不錯(cuò)的選擇，如下圖。

電池壽命和下行延遲

蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的理念是最優(yōu)的頻段利用率，相應(yīng)的就犧牲了節(jié)點(diǎn)成本和電池壽命。相反，LoRaWAN節(jié)點(diǎn)是為了低成本和長(zhǎng)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(jié)點(diǎn)的電流消耗（峰值電流和平均電流）以及協(xié)議內(nèi)容。LoRaWAN是一種異步的基于ALOHA的協(xié)議，也就是說(shuō)節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景需求進(jìn)行或長(zhǎng)或短的睡眠，而蜂窩等同步協(xié)議的節(jié)點(diǎn)必須定期地聯(lián)網(wǎng)。

例如，現(xiàn)在市面上的手機(jī)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(diào)制是充分利用頻段的有效手段，但是從節(jié)點(diǎn)的角度這并不是有效的。蜂窩的調(diào)制（OFDM或者FDMA）需要一個(gè)線性的發(fā)射器來(lái)產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，而一個(gè)線性的發(fā)射器需要的峰值電流比非線性調(diào)制多幾個(gè)數(shù)量級(jí)，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(shì)，同時(shí)NB-IoT可以為需要大量數(shù)據(jù)吞吐量的應(yīng)用提供快速的數(shù)據(jù)傳輸速率。而LoRaWAN的Class B 通過(guò)定期地（編程實(shí)現(xiàn)）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(duì)于需要頻繁通信、較短的延遲或者較大數(shù)據(jù)量的應(yīng)用來(lái)說(shuō)NB-IoT或許是更好的選擇，而對(duì)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(shè)備成本,網(wǎng)絡(luò)成本和混合模型

對(duì)終端節(jié)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(duì)于微處理器的適用和兼容性更好。NB-IoT的調(diào)制機(jī)制和協(xié)議比較復(fù)雜，這就需要更復(fù)雜的電路和更多的花費(fèi)，同時(shí)NB-IoT和3GPP一樣是要收稅的。

現(xiàn)階段對(duì)于一部手機(jī)的稅費(fèi)大概是5美元，但這對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來(lái)說(shuō)顯得太昂貴了，而且如果貿(mào)然的降低稅費(fèi)會(huì)引起手機(jī)等移動(dòng)通信市場(chǎng)的價(jià)格混亂。所以3GPP組織如何權(quán)衡IoT和移動(dòng)通信兩方面稅費(fèi)問(wèn)題也個(gè)大問(wèn)題。

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

相對(duì)于傳統(tǒng)的只依靠“鐵塔”部網(wǎng)，對(duì)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(yùn)營(yíng)成本。LoRaWAN部署花費(fèi)更少，因?yàn)榭梢岳脗鹘y(tǒng)的信號(hào)塔、工業(yè)基站甚至是便攜式家庭網(wǎng)關(guān)來(lái)進(jìn)行。

現(xiàn)階段一個(gè)塔式的基站價(jià)格大概是1000美元，工業(yè)基站價(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(duì)于NB-IoT來(lái)說(shuō)，升級(jí)現(xiàn)有的4G LTE基站的價(jià)格保守估計(jì)每個(gè)不少于15000美元。

LoRa 和NB-IoT 的應(yīng)用場(chǎng)景

沒(méi)有一種技術(shù)可以同時(shí)滿足IoT應(yīng)用的所有需求。下面將通過(guò)幾個(gè)具體的應(yīng)用實(shí)例來(lái)分析NB-IoT 和LoRa 各自適合的應(yīng)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(shù)據(jù)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(zhǎng)電池使用壽命的需求。并且還需要對(duì)線網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以便發(fā)現(xiàn)隱患時(shí)及時(shí)處理。

LoRaWAN的ClassＣ可以實(shí)現(xiàn)低延遲，但是對(duì)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(qū)的固定位置，所以對(duì)于運(yùn)營(yíng)商部網(wǎng)也較為容易。

B：智慧農(nóng)業(yè)

對(duì)農(nóng)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(yīng)用對(duì)于農(nóng)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(shù)據(jù)。

LoRa十分適用于這樣的場(chǎng)景。而且很多偏遠(yuǎn)的農(nóng)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(nóng)業(yè)。

C：自動(dòng)化制造

工廠機(jī)器的運(yùn)行需要實(shí)時(shí)的監(jiān)控，不僅可以保證生產(chǎn)效率而且通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控可以提高人工效率。在工廠的自動(dòng)化制造和生產(chǎn)中，有許多不同類(lèi)型的傳感器和設(shè)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(zhǎng)壽命的電池來(lái)追蹤設(shè)備、監(jiān)控狀態(tài)，這時(shí)LoRa便是合理的選擇。所以對(duì)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(duì)于建筑的改造，加入溫濕度、安全、有害氣體、水流監(jiān)測(cè)等傳感器并且定時(shí)的將監(jiān)測(cè)的信息上傳，方便了管理者的監(jiān)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(tǒng)往往需要較頻繁和高質(zhì)量的通信，而且這些設(shè)備通常有專(zhuān)門(mén)供電的設(shè)備，所以對(duì)于較長(zhǎng)的電池使用壽命沒(méi)有要求。同時(shí)對(duì)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(yīng)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(jù)定位的需要在需要場(chǎng)所部網(wǎng)，可以是倉(cāng)庫(kù)或者運(yùn)輸車(chē)輛上，這時(shí)便攜式的基站便派上了用場(chǎng)。

LoRa可以提供這樣的部署方案，而對(duì)于NB-IoT來(lái)說(shuō)追蹤范圍過(guò)大基站的鋪設(shè)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(duì)于NB-IoT更穩(wěn)定。出于以上的考慮，LoRa更適合于物流追蹤。

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

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

兩項(xiàng)技術(shù)均在持續(xù)擴(kuò)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(yīng)商與運(yùn)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(bǔ)發(fā)展將大大推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的革新與進(jìn)步。