LoRa与NB-IoT是最有发展前景的两个低功耗广域网通信技术。不过两者之间到底有什么区别和不同?谁又将更胜一筹占领LPWAN制高点?

物联网的快速发展对无线通信技术提出了更高的要求,专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计的LPWAN(low-power Wide-Area Network,低功耗广域网)也快速兴起。NB-IoT与LoRa是其中的典型代表,也是最有发展前景的两个低功耗广域网通信技术。

这两种LPWAN技术都有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗少等特点,都适合低功耗物联网应用,都在积极扩建自己的生态系统。

LoRa:易于建设和部署的低功耗广域物联技术

LoRa的诞生比NB-IoT要早些,2013年8月,Semtech公司向业界发布了一种新型的基于1GHz以下的超长距低功耗数据传输技术(Long Range,简称LoRa)的芯片。其接受灵敏度达到了惊人的-148dbm,与业界其他先进水平的sub-GHz芯片相比,最高的接收灵敏度改善了20db以上,这确保了网络连接可靠性。

它使用线性调频扩频调制技术,即保持了像FSK(频移键控)调制相同的低功耗特性,又明显地增加了通信距离,同时提高了网络效率并消除了干扰,即不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送也不会相互干扰,因此在此基础上研发的集中器/网关(Concentrator/Gateway)能够并行接收并处理多个节点的数据,大大扩展了系统容量。

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图1:LoRa技术特点

线性扩频已在军事和空间通信领域使用了数十年,因为其可以实现长通信距离和干扰的鲁棒性,而LoRa是第一个用于商业用途的低成本实现。随着LoRa的引入,嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变。这一技术改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式,提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量、低成本的通讯系统。

LoRa主要在全球免费频段运行(即非授权频段),包括433、868、915 MHz等。LoRa网络主要由终端(内置LoRa模块)、网关(或称基站)、服务器和云四部分组成,应用数据可双向传输。如图2所示。

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图2:LoRa网络架构

LoRa的优势主要体现在以下几个方面:

1---大大的改善了接收的灵敏度,降低了功耗

高达157db的链路预算使其通信距离可达15公里(与环境有关)。其接收电流仅10mA,睡眠电流200nA,这大大延迟了电池的使用寿命。

2---基于该技术的网关/集中器支持多信道多数据速率的并行处理,系统容量大。

如图2所示,网关是节点与IP网络之间的桥梁(通过2G/3G/4G或者Ethernet)。每个网关每天可以处理500万次各节点之间的通信(假设每次发送10Bytes,网络占用率10%)。如果把网关安装在现有移动通信基站的位置,发射功率20dBm(100mW),那么在建筑密集的城市环境可以覆盖2公里左右,而在密度较低的郊区,覆盖范围可达10公里。

3---基于终端和集中器/网关的系统可以支持测距和定位。

LoRa对距离的测量是基于信号的空中传输时间而非传统的RSSI(Received Signal Sterngth Ind-ication),而定位则基于多点(网关)对一点(节点)的空中传输时间差的测量。其定位精度可达5m(假设10km的范围)。

这些关键特征使得 LoRa技术非常适用于要求功耗低、距离远、大量连接以及定位跟踪等的物联网应用,如智能抄表、智能停车、车辆追踪、宠物跟踪、智慧农业、智慧工业、智慧城市、智慧社区等等应用和领域。

表:LoRa关键特性和优势

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应用:国外如火如荼,国内略显冷清

一种通讯技术要实现大规模商业化,除技术本身要有特定的优势外,还需要背后阵营强力支持,其中产业联盟就是一股强大的推动力量,LoRa也不例外。

2015年3月LoRa联盟宣布成立,这是一个开放的、非盈利性组织,其目的在于将LoRa推向全球,实现LoRa技术的商用。该联盟由Semtech牵头,发起成员还有法国Actility,中国AUGTEK和荷兰皇家电信KPN等企业,到目前为止,联盟成员数量达330多家,其中不乏IBM、思科、法国Orange等重量级厂商。

LoRa的产业链中(包括终端硬件产商、芯片产商、模块网关产商、软件厂商、系统集成商、网络运营商)的每一环均有大量的企业,构成了LoRa的完整生态系统,促使了LoRa的快速发展与生态繁盛。

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图3:LoRa产业链中的厂家

目前LoRa网络已经在世界多地进行试点或部署。据LoRa联盟年初的数据是有9个国家开始建网,56个国家开始进行试点;截至目前最新公布的数据,已经有17个国家公开宣布建网计划,120多个城市地区有正在运行的LoRa网络,如美国、法国、德国、澳大利亚、印度等等国家,荷兰、瑞士、韩国等更是部署或计划部署覆盖全国的LoRa网络。

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图4:法国电信运营商Bouygues部署连接百万设备量的LoRa网络

LoRa技术在国外发展如火如荼。不过就国内来看,LoRa的应用似乎并不多,目前可看到的公开应用是国内AUGTEK公司在京杭大运河开展的LoRa网络建设,据悉目前已经完成江苏段的全线覆盖。

其实国内从事LoRa模块和方案开发的厂商并不少,除AUGTEK,还有洲斯物联、思创汇连、普天通达、八月科技、NPLink、门思科技、利尔达、通感微电子、上海雍敏、武汉拓宝、博大光通、纵行科技、唯传科技、三凡信息等等众多公司。

LoRa易于建设和部署,得到越来越多国内公司的关注和跟进。例如深圳通感微电子有限公司成立了专门的项目组从事LoRa模块、网关和整体方案的开发。据该公司副总经理刘文上介绍,通感微做了不少相关LoRa的项目,例如可实时显示停车位分布状况的停车场监控系统(图5)、实现无线土壤检测的智能农业系统(图6)、防止盗猎的南非Kruger国家公园犀牛保护项目(图7)等。

这些项目的部署时间都非常快,例如上述的停车监控系统,覆盖面积10km*10km,部署了6个LoRa网关,支持终端规模3000个,部署时间仅需两周。不过这些项目都是为国外而开发的,刘文上表示他们今年才在国内开展一些项目。

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图5:成功案例-停车场监控

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图6:成功案例-智能农业

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图7:成功案例-犀牛保护项目

疑问:后起之秀NB-IoT将导致LoRa消亡?

随着今年6月份NB-IoT的标准冻结,近来备受瞩目的NB-IoT的规模化商用的基础终于落实。普遍认为2017年将是NB-IoT网络商用的元年。

作为华为和众多运营商力推的低功耗广域网技术,NB-IoT一经推出就受到了业内的广泛关注,LoRa和NB-IoT之争的话题不曾间断。Nb-iot联盟成员之一的沃达丰,其某位高管甚至公开表示了“NB-IoT将导致LoRa消亡”的观点。

面对这样一个有强劲后台的后起之秀,LoRa真的会被其取代吗?

刘文上认为,从技术上看,两者之间其实并没有太大的优劣式之分,从应用范围上来看,两者其实很多都是一样的。区别在于,NB-IOT采用的是运营商统一部署覆盖全国的网络进行收费运营的方式,而LoRa可以让企业搭建属于自己的网络实现业务运营。虽然NB-IoT受到了运营商的强力支持,不过并不代表LoRa就会被轻易取代。

“LoRa相对NB-IoT的好处是已经有成熟的商用,而NB-IoT才刚刚开始。LoRa和NB-IoT的应用可能会有很多重叠,不过NB-IoT是由运营商来主导,要用到运营商的网络,因此数据是先上到运营商那里,许多企业或许不愿意把自己的数据给到别人,所以这些企业宁愿部署自己的私有物联网络,这时候用LoRa就很合适。”刘文上说道。

表:NB-IoT与LoRa技术参数对比

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上海雍敏信息科技股份有限公司董事长张敏也有同样的观点,该公司目前也在为第三方开发LoRa方案。他认为,其实LoRa和NB-IoT两个都是目前最有发展前景的远距离通信技术,并且他们在技术上来说并不是说哪个更好,哪个差些,

最终谁发展得好,主要看背后的阵营的推动力量以及国家的政策。

“两者的应用范围其实也没有太大区别,都是智能电表、水表抄表、智能农业等低数据量的采集。说到智能电、水表的抄表,如果采用NB-IoT,需要用到电信运营商的基站,但是水电气的运营商(电力公司、水务公司)不会把数据通过电信运营商绕一圈在收回来,他们完全可以自己搭建网络,因为其中涉及到很多利益分配问题。”张敏说道,所以最终哪类技术会更胜一筹或占据大部分应用目前还不好判断。