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了解LoRaWAN的限制
Ferran Adelantado, Xavier Vilajosana, Pere Tuset-Peiro, Borja Martinez, Joan Meliagrave;-Seguiacute;, and Thomas Watteyne
摘要：目前已经有几种利用低功耗广域网技术提供远程通信，实现新型服务的解决方案其中LoRaWAN可以说是最合适的。该技术不仅在室外物联网应用中有极好的连接性，同时还可以保持网络结构和管理上的便捷性。 近几个月来，这项技术在网络运营商和解决方案提供商中引起了很多关注。然而，该技术有一些局限性，需要清楚地理解以避免对其有过高的期待而导致现实功能的无法实现。本文对LoRaWAN的功能和局限性进行了公平公正的概述。我们在实际用例的背景下讨论这些问题，并列出已经公开的研究和开发中遇到的问题
介绍
网络运营商正在开始采用低功率广域网（LPWAN）技术来部署横向的机器对机器（M2M）解决方案，以覆盖大量的大型垂直机器[1，2]。其应用领域包括智能城市，计量，路灯照明控制和精准农业。LPWAN技术结合了低数据速率和强大的调制功能，实现了覆盖数公里的通信范围。这使得简单的星形网络拓扑可以简化网络部署和维护[3]。虽然这些技术的好处是已知的，并且通常被认为是某些应用的关键推动因素，但它们的局限性仍然不是很好理解[4,5]。
在本文中，我们旨在公正地概述长距离广域网（LoRaWAN）[6]的局限性，这是LPWAN领域最成功的技术之一。LoRaWAN是一个植根于LoRa物理层的网络堆栈。LoRaWAN的原始最大数据速率为27 kb/s（在使用频移键控FSK而不是LoRa时为50 kb/s），并声称单个网关可以从数千公里外的数千个节点收集数据。这些能力已经让一些解决方案提供商和网络运营商产生了兴趣，这些提供商和网络运营商已经在为LoRaWAN的发展创造了一个巨大的有利条件，因此它被视为任何物联网（IoT）用例的连接推动者[7]。
本文的目标是通过对LoRaWAN的功能和局限性进行全面，公正和独立的分析，为这些声明带来一些理解。我们采用务实的方法，并确定技术在哪些用例中起作用，在哪些用例不起作用。我们提供LPWAN技术的概述，其中包括手机。我们详细描述LoRaWAN技术。我们分析了该技术的网络容量和规模限制。我们讨论LoRaWAN工作/不工作的用例。我们列举了该技术面临的开放式研究和开发挑战。
LPWAN和物联网蜂窝技术概论
低功耗将成为竞争对手
尽管LoRaWAN是物联网最常采用的技术之一，但市场上还有各种各样的LPWAN技术，如Ingenu，Weightless-W，Weightless-N和Weightless-P以及SigFox [8]。
Ingenu在2.4 GHz频段开发了专有的LPWAN技术，基于随机相位多址（RPMA）技术提供M2M行业解决方案和专用网络。与其他解决方案相比，Ingenu的核心竞争力体现在上行数据速率高达624 kb/s，下行数据速率高达156 kb/s。但由于使用的高频谱带，能量消耗更高，覆盖范围更短（范围在5-6公里左右）。
Weightless特别兴趣小组制定了一套LPWAN的三个开放标准：Weightless-W，Weightless-N和Weightless-P。Weightless-W被开发成双向（上行/下行）解决方案，可在470-790 MHz频带内运行。它基于在上行链路和下行链路之间具有时分双工的窄带频分多址（FDMA）信道；数据速率范围从1 kb/s到1 Mb/s，电池寿命约为3-5年。Weightless-N的设计旨在扩大Weightless-W的范围，降低功耗（电池寿命可达10年），但会以数据速率降低为代价（从Weightless-W的高达1 Mb/s到Weightless-N的100 kb/s）。与Weightless-W不同，Weightless-N基于超窄带（UNB）技术，可在UHF 800-900 MHz频段运行；它仅提供上行链路通信。最后，Weightless-P被推荐为一种高性能的双向通信解决方案，可以在169、433、470、780、868、915和923 MHz频带上工作。但终端的成本和功耗高于Weightless-N，电池寿命为3-8年。
与LoRaWAN相比，SigFox是最常采用的LPWAN解决方案之一。这是一种专有的UNB解决方案，运行在869MHz（欧洲）和915MHz（北美）频段。它的信号非常窄（带宽为100 Hz）。它基于随机频率和时分多址（RFTDMA），在上行链路中实现了约100b/ s的数据速率，最大数据包有效载荷12字节，每个设备的数据包数量不超过14数据包/天。由于这些严格的限制以及SigFox的商业模式，已经让开发的重点到LoRaWAN，LoRaWAN被认为更灵活和开放。
为物联网提供的解决方案
第三代合作伙伴计划（3GPP）在版本13中针对机器类型通信（MTC）的一套低成本和低复杂性设备进行了标准化。特别是，3GPP通过对增强功能进行标准化，从三方面解决物联网市场增强型机器类型通信（eMTC），窄带物联网（NB-IoT）以及用于物联网（EC-GSM-IoT）的扩展覆盖GSM [9]。 eMTC是Release 12开发工作的一种演变，在上行链路和下行链路上的传输速率可以达到1Mb/s，并且工作在1.08MHz带宽的LTE频段。 NB-IoT是一种替代方案，降低了复杂性，以降低数据速率（两个方向上高达250kb/s）为代价，使得成本更低。最后，EC-GSM-IoT是通用分组无线业务（EGPRS）向物联网的演进，数据速率在70- 240kb/s之间。尽管3GPP提出的方法降低了设备的能耗和成本，但它们还没有赶上非3GPP的竞争对手。例如，LoRaWAN和SigFox的模块成本在2-5美元左右，而eMTC的成本仍然在8-12美元左右。尽管3GPP支持蜂窝物联网解决方案被广泛采用，但LoRaWAN提供了一些在特定市场领域与这些技术相对立的举措。这些举措是：
bull;LoRaWAN网络部署的数量不断增加，而另一方面，已经部署的初始NB-IoT部署数量很少。
bull;LoRaWAN可以在工业，科学和医疗（ISM）频段运营，而蜂窝物联网只在授权频段运营；这一事实有利于在没有移动运营商的参与下部署专用LoRaWAN网络。
bull;LoRaWAN得到了行业的支持，其中包括CISCO，IBM和HP等。未来这两种技术可能会在支持3GPP解决方案时共存。
LoRaWAN概述
LoRa是LoRaWAN中使用的物理层。它具有低功耗操作（约10年的电池寿命），低数据速率（27kb/s，扩频因子为7， 500kHz通道或50kb/s FSK）和长通信范围（城市2-5公里、郊区15公里）。它是由美国Semtech公司收购的法国公司Cycleo开发的。 LoRaWAN的网络组织是星型拓扑结构，其中网关节点在终端设备和中央网络服务器之间中继消息。终端设备通过单个无线跳跃将数据发送到网关，网关通过非LoRaWAN网络（例如，蜂窝网络或以太网上的IP）连接到网络服务器。尽管从终端设备到网络服务器的上行链路通信受到强烈支持，但通信是双向的，原因如下[6]。
LoRaWAN定义了具有不同功能的三种设备的类型（类别A，B和C）[6]。 A类设备对上行链路使用纯ALOHA接入。在发送帧之后，A类设备在两个下行链路接收窗口期间进行侦听响应。每个接收窗口由持续时间，偏移时间和数据速率定义。虽然可以配置偏移时间，但每个接收窗口的建议值分别为1秒和2秒。只有在成功的上行传输后才允许下行传输。在第一个下行链路窗口中使用的数据速率是作为上行链路数据速率和接收窗口集合的函数来计算的。在第二个窗口中，数据速率被固定为最小0.3kb/s。因此，在网关解码成功的上行链路传输之前，不能传输下行链路业务。当第一窗口中的终端设备接收到下行链路传输时，第二接收窗口被禁用，因此A类设备也是功耗最低的LoRaWAN设备。 B类设备专为具有额外下行流量需求的应用而设计。这些设备使用由网关发送的周期性信标进行同步，以允许在没有事先成功的上行链路传输的情况下为下行链路业务量调度额外的接收窗口。很明显，下行链路流量和功耗之间的折衷出现了。最后，C类设备一直在监听频道，除非它们正在传输。只有A类设备的功能必须在所有终端设备上得到实现，而其他类设备必须兼容A类设备。C类设备不能实现B类设备的功能。这三类可以共存于同一网络中，设备可以从一个类到另一个类。然而，LoRaWAN没有定义一个特定的消息来通知网关设备的类别，这取决于应用程序。
三类设备的基础物理层是相同的。终端设备和网关之间的通信以加入过程开始，该过程可发生在多个频率信道上（例如在EU863-870 ISM频段中有3个125kHz的信道，因此必须支持所有的终端设备和3个额外的125kHz）实现伪随机信道跳频。每帧以特定的扩频因子（SF）传输，定义为SF=log2（Rc/Rs），其中Rs是码元速率，Rc是码片速率。因此，SF和通信范围之间存在函数关系。SF越高（即传输越慢）则通信范围越长。不同的SF中使用的代码是正交的。这就意味着可以同时在网络中交换多个帧，只要每个帧与六个不同的SF中的一个（从SF=7到SF=12）一起发送即可。根据使用的SF，LoRaWAN数据传输速率的范围在0.3kb/s到27kb/s之间。
最大占空比定义为终端设备可以占用信道的最大时间的百分比，这对于运行在未经许可频段的网络来说是一个关键约束。因此，信道的选择必须在每次传输时实现伪随机信道跳变，并符合最大占空比。例如终端设备的EU 868占空比为1％。
LoRa物理层使用啁啾扩频（CSS）调制，这是一种扩频技术，其中信号由啁啾脉冲（频率变化的正弦脉冲）调制，因此可以提高抵干扰、多普勒效应、多路径弹性和鲁棒性的能力。数据包包含一个前导码（通常有8个符号），一个头部（在显式模式下是必需的），有效载荷（最大大小在51到222字节之间，取决于SF）和循环冗余校验（CRC）字段提供从4/5到4/8的编码率的配置）。高频ISM 868和915 MHz频段的典型带宽（BW）值分别为125、250和500kHz，而低频160和480 MHz频段的典型带宽（BW）值分别为7.8、10.4、15.6、20.8、31.2、41.7和62.5kHz 。原始数据速率根据SF和BW而变化，其范围在22b/s（BW=7.8kHz和S=12）至27kb / s（BW=500kHz和SF=7）至今[2]。在每次传输中都采用跳频来减轻外部干扰[10]。
适应性和网络模式
在本节中，我们将研究LoRaWAN网络在数据速率，工作周期规定等方面的规模。
网络服务由职责范围提供
虽然LoRaWAN的性能取决于前一节中概述的物理层/介质访问控制（MAC），但ISM频段中的占空比规则[11,12]是一个关键的限制因素。如果子频段中的最大占空比由d表示，并称时间在空中的分组传输时间由Ta表示，则每个设备必须在子频段中保持静音所达最小周期Ts=Ta(1 / d-1)。例如欧盟868 ISM频段的最大占空比为1％。所有终端设备的每个子频段的最大传输时间为36s/h。图1显示了在125kHz带宽信道上编码率为4/5的分组传输的空中时间。众所周知，大型SF允许更长的通信范围。但正如图1所示，大型SF也会增加空气中的时间从而增加停机时间。这个问题是由于大型SF比小型SF使用更频繁而导致的。例如考虑一个简单的场景，终端设备在以网关为中心的圆形区域内均匀分布，用城市小区的Okumura-Hata模型计算的路径损耗[13]，终端设备使用SF i，pi将是
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