读懂无线组网技术应用(下篇):LoRa、NB-IoT技术对比

LoRa技术

技术简介

LoRa技术是由法国公司Cycleo(成立于2009年)开发的一种扩频无线调制专利技术(EP2763321 from 2013和US7791415 from 2008) ,2012年被美国是高质量模拟和混合信号半导体产品的领先供应商Semtech公司以约500万美金所收购。收购之后,Semtech对该技术进行了强有力的营销,包括设立LoRa联盟,以促进其他公司包括部分移动运营商参与到LoRa生态系统中。

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LoRa的全称是Long Range,覆盖范围广链路预算达到168dB。LoRa 是LPWAN通信技术中的一种,是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。目前,LoRa 主要在全球免费频段运行,包括433、868、915 MHz等。LoRa的最大特点就是:传输距离远、工作功耗低、组网节点多。

LoRa的设备目前已经有非常完整的生态系统,很多方案都是完整的解决方案,可以提供给客户直接使用。在产品层面以LoRaWAN为主,网络则有公共的、私人的,所有者既有电信运营商,也有综合体。目前,全球已有83家运营商支持LoRa,超过100个国家部署了LoRa网络,从美国、中国到俄罗斯、东南亚、南美,实现在全球范围内的广泛覆盖。

LoRaWAN

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LoRaWAN定义了使用LoRa技术的端到端标准规范,包括物联网市场安全、能源效率、漫游和配置入网(on-boarding)等。LoRaWAN起初叫LoRaMAC,由Semtech、Actility、IBM Research共同制定,在2015年巴塞罗那移动世界通信大会上,被改名为LoRaWAN,成为LoRa联盟成员的规范。

LoRa联盟

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LoRa联盟是2015年3月Semtech牵头成立的一个开放的、非盈利的组织。不到一年时间,联盟已经发展成员公司150余家,其中不乏IBM、思科、法国Orange等重量级产商。产业链(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)中的每一环均有大量的企业,这种技术的开放性,竞争与合作的充分性都促使了LoRa的快速发展与生态繁盛。

中国LoRa应用联盟

2016年1月,在国际LoRa 联盟支持下,中兴通讯联合近二十家合作厂商共同发起建立“中国LoRa应用联盟(CLAA)”。旨在推动LoRa产业链在中国的应用和发展,建设多业务共享、低成本、广覆盖、可运营的LoRa物联网。目前为止,基于CLAA的物联网应用已有50多个,在智慧城市、农业、能源、安防等领域开展应用。尤其是通过全国性云化核心网和共享接入的方式,能逐步形成一张全国性的可运营虚拟LoRa网络。尤其是通过全国性云化核心网和共享接入的方式,能逐步形成一张全国性的可运营虚拟LoRa网络。

简单地说,CLAA要做的就是所有联盟成员按照共同标准来在全国各地建立基站,建立一个全国性的骨干网络。中兴希望牵头,制定标准,大家一起来建这个网络,一起来享受这个网络。把大量的分散的LoRa网络利用起来,星星之火形成燎原之势。

LoRa组网技术

LoRa网络主要由终端(可内置LoRa模块)、网关(或称基站)、网络服务器以及应用服务器组成。应用数据可双向传输。

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LoRa芯片模组

LoRa技术是Semtch公司的专利,Semtech公司提供SX127x系列LoRa产品。国内市场主要以低频段(137-525MHz)的SX1278为主。为适应市场的发展和需求,Semtech以IP授权的方式授予更多的公司来制造LoRa技术的芯片,如同ARM公司IP授权类似。

目前Semtech公司IP授权的公司有Hoperf、Microchip、Gemtek、ST等。Hoperf的LoRa产品是数据透传模组,Microchip的是以LoRaWAN模组,Gemtek做成了SiP的LoRaWAN产品。未来或许会有更多的公司通过IP授权的方式来制造LoRa技术的产品。

LoRa 对比 NB-IoT

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我们在之前介绍过NB-IoT与LoRa对比的特点,同时作为物联网无线通信技术,NB-IoT和LoRa两种技术具有不同的技术和商业特性,所以在应用场景方面会有不同。

目前从产业的发展来看,已经形成了由芯片、模组、终端、通讯设备、平台、运营商和应用这七大环节组成的完整产业链,将NB-IoT和LoRa做下对比:

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LoRa技术的发展困境

目前LoRa的主要推动方为美国公司Semtech,这家公司掌握了LoRa的核心技术,其他的产业公司大都是处于技术链条的低端,或者是应用,或者是系统硬件设计,或者是平台。

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在中国,大部分的LoRa产业公司并不具备核心技术和在LoRa技术和标准的话语权,除了中兴略微深入之外,大都是以应用为主,在这种情况下,技术不可控,标准非主流,政策不支持,LoRa在中国的发展还需要积淀。LoRa技术正在中国不断突围,增强公众对新技术的认知也提高对应用的信心,从而改善市场空间。

LoRa适用于哪些应用场景?

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LoRa最突出的特点就是长距离,突破以前需要中继才能解决的覆盖场景,或者同时要求功耗很低,需要电池供电。比如:

①无线抄表,比如:电表、水表、气表、热表等;

②缓慢变化物理量(温度、水压、PM2.5、地磁感应器)超低功耗传感器;

③无线报警器(烟雾探测器、热释红外);

④远程I/O控制器(灯光控制、空调控制);⑤无线RS-485/Modbus转换器。

智能电表

在智能电表领域相关的公司和部门需要高速率的数据传输、频繁的通信和低延迟。由于电表是由电源供电的,所以并没有超低功耗和长电池使用寿命的需求。并且还需要对线网进行实时监控以便发现隐患时及时处理。
LoRaWAN的ClassC可以实现低延迟,但是对于高传输速率和频繁通信的需求NB-IoT是更适合于智能电表的选择。并且电表一般安装在人口密集的地区的固定位置,所以对于运营商部网也较为容易。

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智慧农业

对农业来说,低功耗低成本的传感器是迫切需要的。温湿度、二氧化碳、盐碱度等传感器的应用对于农业提高产量、减少水资源的消耗等有重要的意义,这些传感器需要定期地上传数据。

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LoRa十分适用于这样的场景。而且很多偏远的农场或者耕地并没有覆盖蜂窝网络,更不用说4G/LTE了,所以NB-IoT并不如LoRa一样适合于智慧农业。

智能建筑

对于建筑的改造,加入温湿度、安全、有害气体、水流监测等传感器并且定时的将监测的信息上传,方便了管理者的监管同时更方便了用户。

通常来说这些传感器的通信不需要特别频繁或者保证特别好的服务质量,同时便携式的家庭式网关便可以满足需要。所以该场景LoRa是比较合适的选择。

零售终端(POS)

零售终端(POS)系统往往需要较频繁和高质量的通信,而且这些设备通常有专门供电的设备,所以对于较长的电池使用寿命没有要求。同时对于通信的时效性和低延迟要求较高。

物流追踪

追踪或者定位市场的一个重要的需求就是终端的电池使用寿命。物流追踪可以作为混合型部署的实际案例。物流企业可以根据定位的需要在需要场所部网,可以是仓库或者运输车辆上,这时便携式的基站便派上了用场。

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LoRa的应用场景也正在以燎原之势,快速而又迅猛的进入了商用阶段

如今年4月,阿里云与浙江联通联合宣布,基于LoRa器件与无线射频技术的物联网平台已开始试商用。再比如无锡鸿山的中国第一个物联网小镇,在城市管理当中大量应用了LoRa的传输技术、物联网通讯协议来做城市的管理。

传统电视业巨头广电集团,也借助LoRaWAN技术,依托频谱资源,快速、低成本地搭建了城市级别的LPWAN网络。

NB-IoT技术

技术简介

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NB-IoT指窄带物联网(Narrow Band-Internet of Things)技术,是工作在授权频段的技术,核心是面向低端物联网终端(低耗流),适合广泛部署在智能家居、智能城市、智能生产等领域。对于低功耗广域网络,从纵向来看,目前已形成从“底层芯片—模组—终端—运营商—应用”的完整产业链。

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基于蜂窝的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络,只消耗大约180KHz的带宽,可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络,以降低部署成本、实现平滑升级。

中国NB-IoT联盟

2016年5月,由上海物联网协会联合华为、中国联通等企业发起成立“中国NB-IoT产业联盟”,推动NB-IoT产业链上下游企业的合作和NB-IoT生态圈的建设。

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中国NB-IoT产业联盟旨在汇聚NB-IoT产业链力量,共建NB-IoT产业链生态,引领联盟成员共同构筑成熟的端到端产业链,促进NB-IoT产业的快速发展及商用部署,促进制定不同垂直应用领域的联盟标准,孵化新型生态圈中的商业模式。

NB-IoT技术由华为、沃达丰等全球领先的通讯企业联合制定,是基于4G网络建立的全新一代物联网系统。NB-IoT智能锁的投用,标志着物联网技术的首次商用,也代表共享单车物联网时代的到来。

政府政策和三大运营商的规划建设

NB-IoT产业2017年开始起步,2018年进入加速阶段,2019年将要正式起飞。

从技术标准发展来看,2016年3GPP R13版本发表NB-IoT技术,2017年大厂高通(Qualcomm)与海思(HiSilicon)相继推出支持初版标准的芯片,年底联发科进一步推出R14版本芯片,更有许多芯片厂商陆续宣布投入NB-IoT,市场蓬勃发展。同时也刺激了通讯模块厂商的脚步。

自2016年6月16日,NB-IoT 技术协议获得3GPP无线接入网(RAN)技术规范组会议通过以来,我国随后就出台一系列政策支持 NB-IoT 发展。

※2017年5月,工信部发布《电信网编号计划(2017年版)》,新编号中增加了物联网网号,将“140XX~144XX”明确为物联网网号。

※2017年6月16日,工信部下发《关于全面推进移动物联网(NB-IoT)建设发展的通知》,《通知》对2017年到2020年的NB-IoT标准、NB-IoT设备、NB-IoT芯片、NB-IoT模组、NB-IoT测试、NB-IoT应用、NB-IoT网络的发展,部署了“定量”的任务。

※2017年6月20日,工信部发布2017年第27号公告,从三方面明确了 NB-IoT 系统频率的使用要求。

※2017年8月7日,工信部批准同意了部分单位提出的电信网码号资源有关申请,对2017年第十批《中华人民共和国电信网码号资源使用证书》颁发结果进行公示,其中就包括了物联网号段分配。

正是有了中国政府和中国市场对NB-IoT的全力支持,NB-IoT产业发展如日中天。

三大运营商均将完成NB-IoT全网覆盖。三大运营商中,中国电信暂时领跑NB-IoT网络建设:截止到2017年6月,中国电信已完成800M NB-IoT全网覆盖,并在多个城市宣布NB-IoT网络的商用;中国联通、中国移动均计划完成NB-IoT全网覆盖。

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NB-IoT商业网络和芯片

全球已商用21张NB-IoT网络(其中华为部署17张),包括:VDF西班牙,德电荷兰,德电德国,挪威Telia,中国电信,中国移动,中国联通,韩国LGU+,KT,VDF荷兰,VDF爱尔兰,澳大利亚VHA,阿联酋ET,香港CMHK,H3G,新加坡M1,意大利TIM,土耳其VDF,Turkcel,捷克VDF,南非Vodacom;预计年底商用网络数将达到30张,2018年将达到100张。

华为Boudica是全球首个具备批量商用能力的NB-IoT芯片,已与中移物联,移远,ublox,利尔达,Telit,金雅拓等模组厂家签订了供货协议,目前已收到订货500万片,预计年底前将发货300万片。

注:8家NB-IoT芯片厂商收录

深圳市海思半导体有限公司、美国高通公司、深圳市中兴微电子技术有限公司、锐迪科微电子(上海)有限公司、Nordic、Altair、思宽(Sequans)、台湾联发科技股份有限公司

21家NB-IoT模组厂商收录

以下是21家NB-IoT模组厂商,以国内的厂商为主:中兴通讯股份有限公司、上海移远通信技术有限公司、深圳市中兴物联科技有限公司、厦门骐俊物联科技股份有限公司、上海移柯通信技术有限公司、中移物联网有限公司、芯讯通无线科技(上海)有限公司、龙尚科技(上海)有限公司、新华三技术有限公司、深圳市有方科技股份有限公司、深圳市美格智能技术股份有限公司、深圳市广和通无线股份有限公司、深圳联想懂的通信有限公司、利尔达科技集团股份有限公司、上海宽翼通信科技股份有限公司、智慧海派科技有限公司、深圳市伟文无线有限公司、u-blox、Sierra Wireless、金雅拓、泰力特。

NB-IoT优势

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广覆盖,将提供改进的室内覆盖,在同样的频段下,NB-IoT比现有的网络增益20dB,覆盖面积扩大100倍;
具备支撑海量连接的能力,NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接,支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构;

更低功耗,NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年;(如果终端每天发送一次200Byte报文,5瓦时电池寿命可达12.8年)

更低的模块成本,企业预期的单个接连模块5美元左右。,LoRa更适合于物流追踪。

NB-IoT和LoRa技术对比

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NB-IoT、LoRa使用频段

NB-IoT使用了授权频段,有三种部署方式:独立部署、保护带部署、带内部署。全球主流的频段是800MHz和900MHz。中国电信会把NB-IoT部署在800MHz频段上,而中国联通会选择900MHz,中国移动则可能会重耕现有900MHz频段。

LoRa使用的是免授权ISM频段,但各国或地区的ISM频段使用情况是不同的。在中国市场,由中兴主导的中国LoRa应用联盟(CLAA)推荐使用了470-518MHz。而无线电计量仪表使用频段为470-510MHz。由于LoRa是工作在免授权频段的,无需申请即可进行网络建设,网络架构简单,运营成本也低。LoRa联盟正在全球大力推进标准化的Lo-RaWAN协议,使得符合LoRaWAN规范的设备可以互联互通。

NB-IoT、LoRo的通信距离

NB-IoT通信距离

移动网络的信号覆盖范围取决于基站密度和链路预算。NB-IoT具有164dB的链路预算,GPRS的链路预算有144dB,LTE是142.7dB。与GPRS和LTE相比,NB-IoT链路预算有20dB的提升,开阔环境信号覆盖范围可以增加七倍。20dB相当于信号穿透建筑外壁发生的损失,NB-IoT室内环境的信号覆盖相对要好。一般地,NB-IoT的通信距离是15km。

LoRa通信距离

LoRa以其独有的专利技术提供了最大168dB的链路预算。一般来说,在城市中无线距离范围是1-2公里,在郊区无线距离最高可达20km。

NB-IoT、LoRa成本对比

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LPWAN协议无论多强大都需要考虑其低成本,否则它们就不算可行的物联网解决方案。LoRa在这方面有优势。LoRaWAN模块的总体成本在8-10美元左右,约为NB-IoT等蜂窝LTE模块价格的一半。NB-IoT网络的复杂性越高,知识产权相关(授权频段方面)费用更高,提高了NB-IoT的总成本。NB-IoT升级到先进的4G/ LTE基站比LoRa通过工业网关或塔顶网关部署更昂贵。随着市场越来越成熟,LoRa技术的成本预计将进一步下降。

NB-IoT和LoRa目前都还处于发展的起步阶段,需要各方投入和共同发展。当大规模部署成为可能的时候,NB-IoT和LoRa的模组成本也会进一步降低。就技术方案而言,在短时间内,NB-IoT和LoRa肯定会并行,各有优点、各有缺点,很难说谁压倒谁;但是,如果受到技术方案以外的因素影响,比如赢利模式的创新,与应用行业的紧密结合,借助行业的影响力,那么什么都有可能。在新一波的物联网发展的行情中,先把项目落地,才有赢得先人一步的机会。NB-IoT和LoRa不仅仅需要产品的创新,更需要项目应用的创新。

NB-IoT应用场景

解决方案场景

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智能产品应用

在可穿戴设备中,根据NB-IoT的特性,适用于长期的慢病监测、老人小孩和宠物的跟踪管理等不依赖智能手机的设备。对于具有即时通信类的手环产品还说,目前来看暂时还没有NB-IoT技术的施展空间。下面我们主要介绍适合几种NB-IoT的应用场景。

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三星公司推出的Samsung Connect Tag防丢配件

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可穿戴式智能手表

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此类应用还有很多,例如基于NB-IoT技术的智能自行车。该自行车将具备位置定位的防盗功能,以及其他的信息上报和跟踪功能。

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NB-IoT智能垃圾桶

智能垃圾桶便于垃圾的分类区处理,能提高环卫部门的清运效率。

NB-IoT农业示范应用

NB-IoT技术和传感器结合,可通过采集PH值、降水量、空气温湿度、土壤水分、土壤湿度、土壤盐分、植物营养指标以及植物生理生态指标等数据实现对农作物的实时监控,采集数据可通过NB-IoT网络上传云平台和手机APP,具有环境超限报警功能。

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NB-IoT在远程抄表中的应用

水气表和我们的生活息息相关,每家每户都会使用。NB-IoT远程抄表在继承了GPRS远程抄表功能的同时还拥有海量容量,相同基站通讯用户容量是GPRS远程抄表的10倍。

更低功耗,在相同的使用环境条件下NB-IoT终端模块的待机时间可长达十年以上;

新技术信号覆盖更强(可覆盖到室内与地下室);

更低的模块成本

NB-IoT路灯监控中的应用

监控中心是整个路灯监控系统操作、维护、处理、统计、分析和监管的中心。NB-IoT可以发挥的作用如下:
采用NB-IoT无线网络,可以实现监控中心的远程分布式远程控制;

路灯故障检测功能,通过NB-IoT主动上报故障路灯位置;

NB-IoT的通信容量大,不会担心路灯过多过于密集导致个体无法通讯的情况。

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NB-IoT在智能家居中的应用

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NB-IoT智能锁是将传统智能锁终端接入NB-IoT终端网络,相对传统智能锁具有、深度覆盖、大量连接、数据传输速度快、超低功耗、更加安全、更加稳定等优势,实现电子锁电脑NB远程开锁、手机蓝牙开锁、手机NB开锁、门锁状态监测的智能管理。2018年,NB-IoT智能门锁,已成为强夺世界物联网的制高点。

智能家居属于大规模产业,而目前NB-IoT在智能家居领域的应用,一是智能锁、二是智能水电抄表、三是智能家电、四是安防报警、五是智能穿戴。NB-IoT智能锁进入千家万户带来的价值绝对不仅是智能锁本身。NB-IoT给智能设备带来许多功能增值,如支持待机时间短、对网络连接要求较高设备的高效连接,同时能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖,而且可以简化终端的复杂度、降低终端功耗,可以实时、海量的大容量进行高效身份认证和接入控制等。

本文刊载于《智能家居》杂志2018年8月刊第141期,点击即可获得详细订购信息!

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