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物联网通信技术:NB-IoT与LoRa技术对比分析

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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。

物联网应用需要考虑诸多因素,例如节点成本、网络成本、电池寿命、数据传输速率(吞吐率)、延迟、移动性、网络覆盖范围以及部署类型等,可以说没有一种技术可以满足IoT所有的需求。NB-IoT和LoRa两种技术具有不同的技术和商业特性,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、功耗小等特点,都适合低功耗物联网应用,都在积极扩建自己的生态系统。



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物联网通信技术

物联网的无线通信技术很多,主要分为两类:一类是Zigbee、WiFi、Bluetooth、Z-wave等短距离通信技术;另一类是LPWAN,即广域网通信技术。LPWA又可分为两类:一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术;另一类是工作于授权频谱下,3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术,比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。

LoRa和NB-IoT同为低功耗广域物联网的技术,是当前国内主流的两种技术流派。

NB-IoT、LoRa简述

LoRa(Long Range)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,这一方案改变了以往关于传输距离与功耗的折中考虑方式,为用户提供一种简单的能实现远距离、低功耗、大容量的系统,进而扩展传感网络。LoRa网络主要由终端(可内置LoRa模块)、网关(或称基站)、Server和云四部分组成,应用数据可双向传输。

NB-IoT(Narrow Band-Internet of Things,窄带物联网),是由3GPP标准化组织定义的一种技术标准,是一种专为物联网设计的可在全球范围内广泛使用的窄带射频技术,其使用License频段,可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式,与现有网络共存。


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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、保护带部署以及带内部署。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来部署NB-IoT,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470-510MHz这个频段是无线电计量仪表使用频段。由于LoRa是工作在免授权频段的,无需申请即可进行网络的建设,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LoRaWAN协议,使得符合LoRaWAN规范的设备可以互联互通。


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NB-IoT、LORA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(TR 45.820),LTE是142.7dB(TR 36.888)。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。一般来说,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的链路预算和+20dBm的功率输出。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

LPWAN协议无论多强大都需要考虑其低成本,否则它们不能是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。


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适用场景对比

NB-IoT适用场景举例

(1)共享单车:分布广,单位密度小,适合借助运营商网络;

(2)智能抄表:业主对采集频率不高,对网络可用性没有高要求的,又不想考虑自建基站

(3)积水/管网监测:分布广,单位密度小;

(4)通用型可穿戴系列:终端分布在整个城区,适合借助运营商网络;

(5)智能停车:锐捷网络为“小和轻停”研制的地磁车检器,通过地磁来感应磁场变化从而进行车辆出入车位的判断,上下行的无线链路采用NB-IoT标准,并与OneNET完成对接,支持5G联创实验室的停车平台应用。

LoRa适用场景举例

(1)智能抄表:业主对采集频率有高要求需要做数据分析,对网络可用性有高要求;

(2)道路泊车检测器:采集频率较高,而对终端寿命又有一定要求;

(3)野外郊区的,如矿业、采掘业、郊区重工业等;

(4)区域集中型:如高校、普教、园区的用户,想建设私网对自己的设施及应用进行管理。


结论

NB-IoT和LoRa目前都还处于发展的起步阶段,需要各方的投入和共同的发展。当大规模部署成为一种现实可能的时候,NB-IoT和LoRa模组成本自然也会进一步降低。就技术方案而言,在短时间内,NB-IoT和LoRa肯定会并行,有共同点、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。在这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。



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