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LPWA技术调查：LoRa和NB-IoT

摘要

到2020年，通过无线通信将连接20多万台设备。按照快速增长物联网（IoT）市场，低功耗广域（LPWA）技术已经变得流行。在各种LPWA技术中，窄带（NB）-IoT和远距离（LoRa）是两项主要技术。在本文中，我们提供了NB-IoT和LoRa的高效综合调查连接设备的解决方案。 结果表明，未经许可的LoRa在电池寿命，容量和成本方面具有优势。 与此同时，许可的NB-IoT在QoS，延迟，可靠性和范围方面提供了好处。

关键字：LPWA; NB-IoT; LoRa; mMTC; IoT

相关介绍

在过去的几十年里，随着工业革命的爆发，人类已经发生了巨大的变化。第四次工业革命是新一代无线通信实现机器和物体无缝连接的时代。到2020年，通信系统将会需要支持超过二十万个连接的设备，如图1-1所示。预计第五届一代（5G）无线移动通信将提供让人类和物体全面连通的世界的手段。出现的主要问题是5G如何发展以应对2020年的挑战。5G被分类为三种通用服务，即极端移动宽带（xMBB），大规模机器通信（mMTC）和描绘了超可靠的机器型通信（uMTC）

如图1-2所示。

图1-2

图1-1

xMBB能在Gbps范围内提供极高的数据速率。例如，考虑一个拥挤的体育场

用户想要享受正在进行的比赛的3D蒸汽他们的设备通过增强现实。uMTC处理超可靠和高效率的设备。例如，想一下与通勤有关的行人安全的车里的人。另一种类型的uMTC是用于工厂制造的可靠通信。例如，在一个垂直工业流水线组装产品，一台监视器在传感器的帮助下，需要具有低端端延迟和99.99％的可靠性。 mMTC支持5G，为许多具有能源效率的设备提供服务。如今，传感器和执行器广泛用于人机中心通信。研究案例是以mMTC为导向的安全监控，智能家居，智能建筑和智能环境。

事物被定义为可以被识别的对象并且能融入通信网络。事物将静态和动态信息联系起来。随着物联网（IoT）的发展，越来越实用的应用程序可以在今天的许多行业中找到。不同应用领域具有特定的要求和考虑因素，这意味着需要不同的技术。这种广泛安装的短程无线电连接（例如，蓝牙和ZigBee）不适用于需要长带宽和低带宽性能的场景。基于M2M解决方案，对蜂窝技术可以提供大范围的覆盖，但它们消耗过多的电力。随着大量设备的不断发展，潜在需求，如覆盖范围、可靠性、延迟、和成本效益，物联网提供了一个更好的解决方案来处理。

低功耗广域（LPWA）技术的目标是这些新兴应用和市场。LPWA是通用的，这是一组能够以更低的成本点和更好的功耗实现广域通信的技术。它非常适合仅需要的物联网应用在很长的范围内传输微量的信息。最近在2013年初，“LPWA”这个词甚至不存在。然而，随着物联网市场迅速扩大，LPWA成为了物联网中发展较快的空间之一。许多LPWA图1-3所示的技术已经在许可证和无牌的市场中出现，如LTE-M，SigFox，远距离（LoRa）和窄带（NB）-IoT。其中，LoRa和

NB-IoT是两大领先的新兴技术，其中涉及许多技术差异。

图1-3

因此，在本文中，我们将比较和描述LoRa和NB-IoT在物理上的技术差异

功能，网络架构和MAC协议。此外，我们根据IoT因素（如服务质量（QoS），电池寿命和延迟，网络覆盖范围和范围等）部署模型和成本。并且，我们考虑应用

情景并解释他们在韩国，日本和中国的现状。最后，我们总结并展示我们的结论。

技术差异

2.1物理特征

LoRa是当前市场上的一种新兴技术，它在低于1 GHz的非授权频段内运行，用于长距离通信链路操作。LoRa是一个专有的扩频调制方案是啁啾的衍生扩频调制（CSS）和交易数据速率用于固定信道带宽内的灵敏度。CSS是在20世纪40年代开发的，是传统上用于军事应用程序，因为它的通信距离长，干扰稳健性。 LoRa是其第一个用于商业用途的低成本实施方案。LoRa这个名字来自它的远程能力的优势，通过扩频调制提供长链接预算方案而从中受益。

为此，LoRaWAN网络采用自适应调制技术和多通道多调制解调器，收发器在基站中接收多个号码来自频道的消息。扩频通过使用独特的信号提供信号之间的正交分离扩展因子到个别信号。此方法提供管理数据速率的优势。它们之间的关系所需的数据比特率与啁啾率和符号率在LoRa调制技术的定义如下：是LoRa调制比特速率，

= SF lowast;bits/s （1）

其中SF是扩频参数，BW是调制带宽（单位Hz）。如公式1所示，数据速率是与扩频因子SF直接成正比的。

NB-IoT是3GPP建立的一项新的物联网技术，尽管它已被集成到LTE标准中，但是它可以被看作是一个新的空中接口。它保持为尽可能简单以降低设备成本并使其最小化电池消耗，因此它消除了许多LTE的功能，包括切换，测量以监测信道质量，载波聚合和双连接。它使用的是许可频段，频率相同LTE中使用的号码，并采用QPSK调制。那里是不同的频段部署，如图2-1所示，这些保护带和带内部署都是独立的。在使用OFDM的下行链路中有12个15kHz的子载波，在使用SC-FDMA的上行链路中为3.75/15kHz。上行链路和NB-IoT FDL的下行频率，FUL和 被定义为如下：

= 0.1(-) _0.0025*(2 1) (2)
= 0.1(-) _0.0025*(2 1) (3)

其中是NB-IoT信道号码与下行链路/上行链路的偏移，下行/上行操作频段，是下行/上行E-UTRA绝对射频信道号（EARFCN），是下行链路/上行链路的绝对射频信道号的最小范围。NB-IoT利用GSM频率带宽为200 kHz，保护频带为10 kHz独立操作，而未使用的防护带和资源分别用于保护带操作和带内的LTE载波块操作(见表1)。

图2-1

表1

2.2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使用长距离星型架构（如图2-2所示），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，节点不与特定的网关关联。相反，由节点传输的数据通常由多个接收网关。每个网关将转发收到的数据包通过一些端节点到基于云的网络服务器回程（蜂窝，以太网，卫星或Wi-Fi）。终端设备（即传感器和应用程序）与其中一个进行通信或者通过单跳LoRa通信的许多网关而所有网关都通过核心网络服务器连接标准的IP连接。网络服务器具有必需的智能用于转换来自不同的重复数据包网关，检查安全性，向网关发送ACK，并将数据包发送到特定的应用程序服务器。因为网络可以选择最好的质量信息在由不同网关传输的信息中，需要切换或切换被删除。如果节点是移动的或移动到那里不需要从网关到网关的切换，这是启用资产跟踪应用程序的关键功能，垂直物联网的主要目标应用。通过使用网格网络，系统可以增加通信范围和网络的单元大小以设备电池寿命为代价。

NB-IoT核心网络基于演进分组系统（EPS）和两项蜂窝互联网优化（CIoT）的定义，用户平面CIoT EPS优化和控制平面的CIoT EPS优化，如图2-3所示，平面选择控制和用户数据包的最佳路径，用于上行和下行数据。该优化路径所选平面对于由该数据包生成的数据包是灵活的移动设置。NB-IoT用户的小区接入过程与LTE类似。在控制平面CIoT EPS优化上，演进的UMTS陆地无线电接入网络（E-UTRAN）处理UE和UE之间的无线电通信MME，由称为eNodeB的演进基站组成或eNB。然后，数据被传输到分组数据网络网关（PGW）通过服务网关（SGW）。对于非IP数据，它将被转移到新定义的节点，即服务能力曝光功能（SCEF），可提供机器类型数据在控制平面上提供一个抽象接口服务。通过用户平面CIoT EPS优化，IP和非IP数据都可以通过SGW和PGW上的无线电承载传输到应用服务器。总之，对于NB-IoT，现有的E-UTRAN网络架构和骨干可以重复使用。LoRaWAN网络架构更简单，但网络服务器更复杂。

图2-3

图2-4

2.3Mac协议

LoRaWAN网络中的终端节点可以分为三种不同的设备类别进行权衡根据网络下行链路通信延迟与电池寿命，如图2-5所示。另外，还有三种不同的MAC如图2-6所示，并且为这三种设备类别设计了协议。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类设备的功能如图2-6（a）所示，第一个接收窗口Rtimes;1正好接收在上行链路调制结束后1秒延迟。第二插槽Rtimes;2恰好在接收延迟结束后2秒上行调制。接收器保持有效直到下行链路帧被解调。B类终端设备采用电池供电执行器。所有终端设备作为A类终端设备启动并加入网络，然后可以决定切换到B类。如图2-6（b）所示，网关发送一个信标，定期的信标延迟来同步所有终端设备网络。当终端设备收到信标时，它可以可预见地打开一个称为“ping slot”的短接收窗口在周期性时隙期间。C类终端设备是主要的电动执行器。它有下行链路的最小延迟沟通，与其他两个类相比。C类设备在图2-6（c）中，终端设备不仅打开两个接收窗口作为A类，但也打开一个连续的接收窗口直到传输结束。这些类设备用于应用程序具有足够的可用功率，因此不具备这些功能需要最小化接收时间窗。

用于NB-IoT的协议栈是LTE的通用基础协议栈，其被减少到最小并且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2-7所示，NBIoT协议结构被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。该协议栈的非接入层（NAS）在UE和核心网络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）

层通过用户的挂起/恢复操作来最小化信令平面。L2安全性提供NAS信令的加密和UE与核心网络之间的认证。流动性处于连接模式的用户的管理受到这个协议的影响。对于NB-IoT，随机接入信道（RACH）程序始终是基于争用的，并从传输前导码开始。如果前导码传输失败，UE将重传直到重传的数量达到最大数量，这取决于CE等级仍然没有成功。然后，UE将进入下一个CE层。如果eNB成功接收到前导码，则eNB将向UE发送关联的随机接入响应。在那之后，

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