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1、低功耗物联网通信技术LoRa与NB-IOT的比较与分析随着物联网技术的快速发展，LPWA技术迅速兴起。物联网提供了一个更好的解决方案来处理大量的设备不断发展的基础要，如覆盖范围，可靠性，延迟，低功耗，大范围（LPWA）技术瞄准这些新兴应用和市场。LPWA即是能够以更低的成本点和更好的功耗实现广域通信。许多LPWA技术如TE-M，SigFox，长距离（LoRa）和窄带（NB）-IoT等技术相继出现。其中LoRa和NB-IoT这两种技术最为热门。可以从物理特性、网络结构、Mac协议和实际应用需求（服务质量（QoS），电池寿命和延迟，网络覆盖范围，部署模型和成本等）几个方面进行比较。1、 物理特性L
2、oRa在1GHz以下的非授权频段内运行，用于长距离通信链路操作。采用的是扩频调制技术，通过用扩频因子对信息进正交分解传输。NB-IoT是由3GPP作为版本13的一部分而建立的一项新的物联网技术。采用QPSK调制，被集成到LTE标准中，为了降低设备成本，降低电池消耗，保持尽可能简单，从而消除了LTE的许多特性，包括切换，测量以监测信道质量，载波聚合和双连接。具体的特性对比如下表1所示：表1 LoRa与 NB-IoT基本参数比较图参数LoRaNB-IOT频段免费的470MHz授权的800MHz、900MHz调制方式CCSQPSK带宽125kHz-500KHz180KHz数据速率290 bps-50
3、 Kbps234.7 kbps链路预算154dB150dB电源效率很高中等偏上传输距离城区12Km取决于基站密度和链路预算。区域覆盖能力取决于网关类型每户40台设备，每个单元55k个器件抗干扰性很高低峰值电流32mA120300mA休眠电流1uA5uA标准化De-facto Standard3GPP Rel.132、网络架构LoRaWAN定义了通信协议和系统架构，而LoRa定义了物理层。LoRaWAN采用长距离星型架构，其中网关用于在终端设备和中央核心网络之间中继消息。在LoRaWAN网络中，节点不与特定网关关联。相反，节点传输的数据通常由多个网关接收。每个网关将通过一些回程（蜂窝，以太网，卫
4、星或Wi-Fi）将收到的数据包从终端节点转发到基于云的网络服务器。如图1所示：图1 LoRa WAN与应用服务器和网络服务器的网络架构，与基站和EDs连接NB-IoT核心网基于演进分组系统（EPS），定义了蜂窝物联网（CIoT）的两个优化，用户平面CIoT EPS优化和控制平面CIoT EPS优化。对于上行和下行数据，两架飞机都选择最佳的控制和用户数据包路径。所选平面的优化路径对于移动台产生的数据包是灵活的。NB-IoT用户的小区接入过程与LTE类似。演进的UMTS陆地无线接入网（E-UTRAN）在控制平面CIoT EPS优化上处理UE与MME之间的无线电通信，并且由称为eNodeB或eNB的
5、演进型基站组成。然后，通过服务网关（SGW）将数据发送到分组数据网络网关（PGW）。对于非IP数据，它将被转移到新定义的节点服务能力暴露功能（SCEF）中，该功能可以在控制平面上传送机器类型数据，并提供服务的抽象接口。通过用户面CIoT EPS优化，IP和非IP数据都可以通过无线承载通过SGW和PGW传输到应用服务器。如图2所示：图2 NB-IoT网络架构两者相比，对于NB-IoT，现有的E-UTRAN网络架构和骨干网可以重复使用。LoRaWAN网络架构比较简单，但是网络服务器比较复杂。3、MAC协议LoRaWAN网络中的终端节点可以根据网络下行链路通信等待时间与电池寿命之间的折衷分为三个不同
6、的设备类别，如图3所示。另外，为这三个设备类别设计了三种不同的MAC协议，如图4所示。A类终端设备是电池供电的传感器。它具有最长的电池寿命，并且必须得到所有其他设备的支持。A类功能见图4（a），第一个接收窗口R1在上行链路调制结束后1秒恰好接收到延迟。第二个插槽R2在上行链路调制结束之后恰好接收到延迟2秒。接收器保持有效，直到下行链路帧被解调。B类终端设备是电池供电的执行器。所有终端设备作为A类终端设备启动并加入网络，然后决定切换到B类。如图4（b）所示，网关发送定期信标延迟的信标，以同步网络中的所有终端设备。当终端设备接收到信标时，可以在周期性时隙期间可预测地打开称为“ping时隙”的短接收
7、窗口。C类终端设备是主要的动力执行器。与其他两个类别相比，它具有下行链路通信中的最小延迟。对于图8中的C类设备（c）中，终端设备不仅打开两个接收窗口作为A类，而且打开一个连续的接收窗口，直到传输结束。这些类设备用于具有足够功率的应用，因此不需要最小化接收时间窗。图3 LoRaWAN终端设备的典型系统架构图4 三个设备类别接收插槽时间用于NB-IoT的协议栈是LTE的通用基础协议栈，其被减少到最小，并被增强以用于从未使用的LTE的开销中重新使用和防止NB-IoT。NB-IoT协议栈被认为是LTE的新型空中接口。如图5所示，NB-IoT协议结构分为控制平面和用户平面。分组数据汇聚协议（PDCP）来
8、自层2（L2），大小为1600字节。UE的非接入层（NAS）在UE和核心网之间传送非无线电信号。NAS执行认证，安全控制，移动性管理和承载管理。接入层（AS）是NAS之下的一层，在UE和无线网络之间起作用。它用于管理NB-IoT中的无线电资源。无线电资源控制（RRC）层通过用户面暂停/恢复操作使信令最小化。L2安全提供了UE与核心网络之间NAS信令和认证的加密。用户在连接模式下的移动性管理属于此协议。对于NB-IoT。如果前导码传输失败，UE将重传，直到重传次数达到最大次数，这依赖于CE级仍然没有成功。然后，UE将进入下一个CE级别。如果eNB成功接收到前导码，则eNB将向UE发送关联的随机接
9、入响应。然后发送预定消息msg3，以开始争用解决过程。当相关联的争用解决消息被发送给UE时，RACH过程完成。图6显示了这个过程的消息流程。图5用于控制平面和用户平面的NB-IoT的协议栈图6 RACH程序的消息流4、实际应用需求方面的比较4.1服务质量（QoS）LoRa使用未经许可的频谱，是一个异步协议。基于CSS调制的LoRa可以处理干扰，多路径和衰落，但不能提供与NB-IoT所能提供的QoS相同的QoS。这是因为NB-IoT使用许可的频谱，并且其时隙同步协议对于QoS是最佳的。但是，QoS的这个优点是以牺牲成本为代价的。亚GHz频谱的许可频段频谱拍卖通常每兆赫超过5亿美元8。由于QoS和
10、高频谱成本之间的折衷，需要QoS的应用更倾向于NB-IoT，而不需要高QoS的应用则应选择LoRa。4.2电池寿命和延迟在LoRaWAN中，设备可以随时随地休眠，因为它是一个基于ALOHA的异步协议。在NB-IoT中，由于频繁但规律的同步，该设备消耗额外的电池能量，而OFDM或FDMA需要更多的线性发射机的峰值电流。这些额外的能量需求决定了NB-IoT的设备电池寿命比基于LoRa的设备短。另一方面，这些要求为NB-IoT提供了低延迟和高数据速率的优势。因此，对于那些对延迟不敏感且没有大量数据发送的应用，LoRa是最好的选择。对于要求低延迟和高数据速率的应用，NB-IoT是更好的选择。4.3网络
11、覆盖范围 LoRa的主要利用优势是整个城市可以被基站覆盖。NB-IoT主要关注安装在远离正常范围的地方的MTC类设备。因此，覆盖范围不应低于23dB。NB-IoT的部署仅限于4G/LTE基站。因此，不适合没有4G覆盖的农村或郊区。LoRaWAN生态系统的一个重要优势是其灵活性。LoRaWAN可能比NB-IoT网络有更广的网络覆盖范围。4.4部署规模NB-IoT可以通过重用和升级现有的蜂窝网络进行部署，但其部署仅限于蜂窝网络支持的区域。NB-IoT规范于2016年6月发布，因此需要额外的时间才能建立NB-IoT网络。而LoRa组件和LoRaWAN生态系统现在已经趋于成熟和生产，全国范围内的部署正
12、处于展开阶段。4.5成本需要考虑多个方面的成本，如频段成本，网络成本，设备成本和部署成等。表2显示了NB-IoT和LoRa的成本。可以看出，LoRa在成本方面具有巨大的优势。表2 LoRa和NB-IoT的成本比较频段部署成本LoRa免费$100-$1000/网关NB-IoT 5亿美元/ MHz$15000/基站LoRa和NB-IoT的优劣势的差异，如图7所示。4.6应用场景LoRa：（物联网产业）智能农业、智能建筑、工厂、机场、卫生医疗等。NB-IoT：（物联网个人、公共）智能穿戴、智能自行车、监控追踪、智能计量、智能停车、智能垃圾桶等。补充一下个人想法： LoRa和NB-IoT的特性上文列举
13、的比较详细，对于两种新兴的物联网技术我补充一下自己的个人想法。两种技术主要针对的问题是低功耗广域（LPWA），LoRa技术起步早，相对成熟，NB-IoT刚出来不久，还在探索中。LoRa的主要创新是解决了低功耗长距离的问题。目前适用于低速率的应用场景，也并不能完全解决数据碰撞，实时性和功耗的问题，目前仍有很多论文算法研究物联网通信协议以解决这些问题，市面上常见的LoRaWan网关是8通道的，听说国外有比较先进的最大64通道的网关，以解决数据碰撞的问题。理论上一个网关能够负载上万个终端节点，但实际往往有很多问题，目前一般应用场景最多几百个节点。有些参数的实际测试效果并没有手册上写的一样好，比如通信距离15Km、电池能坚持10年以上等，手册给出的参数只是在特点条件下才成立的，实际情况还是得实际考虑。NB-IoT的数据传输必须先要经过运营商的服务器，才能再传回自己的服务器，保密性没有LoRa强。
