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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、
2、物理特性LoRa在1 GHz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
3、率290 bps-50 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
4、通过一些回程（蜂 窝，以太网，卫星或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：BSEDft Llurp 申仃菊IAppILrjniqoL Jev#t i Ilujt 4edeh khi dfiuaiifvjXptKflrt ScptiFind Di?dt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CloT）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
5、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：CUT RA5Mls* si rCkl-Iu
6、S1JD 江CIoTb 血 dJi ix na tfiap EH ndtnA pidkwl n-Ttmkv 甘 n琛SCE?BE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)
7、，第一个接收窗口 RX1在上行链路调制结 束后1秒恰好接收到延迟。第二个插槽RX2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
8、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&匸営希宫誉Pjck-otEnd deviceEnd device sleepsRn g-loEVol曲Mt 5lFt2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） 来自层2 （L2），大小为1600字节。U
9、E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，贝V eNB将向UE发送关联的随机接 入响应。然后发送预
10、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。IEPHYmil：FHTNASRRCPDCFTOCPFitPDCPPDCFMAC 5亿美元/ MHz$15000/基站LoRa和NB-IoT的优劣势的差异，如图7所示。ArSattery Lt ft7少Deployment 匚EffitienicyA NBdol ：Performance ?-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
11、。补充一下个人想法：LoRa和NB-IoT的特性上文列举的比较详细，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。
