物联网新兴技术LoRa和NB-iot比较分析

精品文档 1欢迎下载 低功耗物联网通信技术低功耗物联网通信技术 LoRaLoRa 与与 NB IOTNB IOT 的比较与分析的比较与分析 随着物联网技术的快速发展 LPWA 技术迅速兴起 物联网提供了一个更好的解决方案 来处理大量的设备不断发展的基础要 如覆盖范围 可靠性 延迟 低功耗 大范围 LPWA 技术瞄准这些新兴应用和市场 LPWA 即是能够以更低的成本点和更好的功耗实现 广域通信 许多 LPWA 技术如 TE M SigFox 长距离 LoRa 和窄带 NB IoT 等技术相 继出现 其中 LoRa 和 NB IoT 这两种技术最为热门 可以从物理特性 网络结构 Mac 协 议和实际应用需求 服务质量 QoS 电池寿命和延迟 网络覆盖范围 部署模型和成本 等 几个方面进行比较 1 1 物理特性物理特性 LoRa 在 1GHz 以下的非授权频段内运行 用于长距离通信链路操作 采用的是扩频调 制技术 通过用扩频因子对信息进正交分解传输 NB IoT 是由 3GPP 作为版本 13 的一部分而建立的一项新的物联网技术 采用 QPSK 调 制 被集成到 LTE 标准中 为了降低设备成本 降低电池消耗 保持尽可能简单 从而消 除了 LTE 的许多特性 包括切换 测量以监测信道质量 载波聚合和双连接 具体的特性 对比如下表 1 所示 表 1 LoRa 与 NB IoT 基本参数比较图 参数 LoRaNB IOT 频段免费的 470MHz授权的 800MHz 900MHz 调制方式 CCSQPSK 带宽 125kHz 500KHz180KHz 数据速率 290 bps 50 Kbps234 7 kbps 链路预算 154dB150dB 电源效率很高中等偏上 传输距离城区 1 2Km取决于基站密度和链路 预算 区域覆盖能力取决于网关类型每户 40 台设备 每个单 元 55k 个器件 精品文档 2欢迎下载 抗干扰性很高低 峰值电流 32mA120 300mA 休眠电流 1uA5uA 标准化 De facto Standard3GPP Rel 13 2 2 网络架构 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 采用长距离星 型架构 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 点不与特定网关关联 相反 节点传输的数据通常由多个网关接收 每个网关将通过一些 回程 蜂窝 以太网 卫星或 Wi Fi 将收到的数据包从终端节点转发到基于云的网络服 务器 如图 1 所示 图 1 LoRa WAN 与应用服务器和网络服务器的网络架构 与基站和 EDs 连接 NB IoT 核心网基于演进分组系统 EPS 定义了蜂窝物联网 CIoT 的两个优化 用户平面 CIoT EPS 优化和控制平面 CIoT EPS 优化 对于上行和下行数据 两架飞机都选 择最佳的控制和用户数据包路径 所选平面的优化路径对于移动台产生的数据包是灵活的 NB IoT 用户的小区接入过程与 LTE 类似 演进的 UMTS 陆地无线接入网 E UTRAN 在控制 平面 CIoT EPS 优化上处理 UE 与 MME 之间的无线电通信 并且由称为 eNodeB 或 eNB 的演进 型基站组成 然后 通过服务网关 SGW 将数据发送到分组数据网络网关 PGW 对于 非 IP 数据 它将被转移到新定义的节点服务能力暴露功能 SCEF 中 该功能可以在控制 平面上传送机器类型数据 并提供服务的抽象接口 通过用户面 CIoT EPS 优化 IP 和非 IP 数据都可以通过无线承载通过 SGW 和 PGW 传输到应用服务器 如图 2 所示 精品文档 3欢迎下载 图 2 NB IoT 网络架构 两者相比 对于 NB IoT 现有的 E UTRAN 网络架构和骨干网可以重复使用 LoRaWAN 网络架构比较简单 但是网络服务器比较复杂 3 3 MACMAC 协议协议 LoRaWAN 网络中的终端节点可以根据网络下行链路通信等待时间与电池寿命之间的折 衷分为三个不同的设备类别 如图 3 所示 另外 为这三个设备类别设计了三种不同的 MAC 协议 如图 4 所示 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 类功能见图 4 a 第一个接收窗口 R 1 在上行链路 调制结束后 1 秒恰好接收到延迟 第二个插槽 R 2 在上行链路调制结束之后恰好接收到 延迟 2 秒 接收器保持有效 直到下行链路帧被解调 B 类终端设备是电池供电的执行器 所有终端设备作为 A 类终端设备启动并加入网络 然后决定切换到 B 类 如图 4 b 所示 网关发送定期信标延迟的信标 以同步网络中的所有终端设备 当终端设备接收到信标时 可以在周期性时隙期间可预测地打开称为 ping 时隙 的短接收窗口 C 类终端设备是主 要的动力执行器 与其他两个类别相比 它具有下行链路通信中的最小延迟 对于图 8 中 的 C 类设备 c 中 终端设备不仅打开两个接收窗口作为 A 类 而且打开一个连续的接 收窗口 直到传输结束 这些类设备用于具有足够功率的应用 因此不需要最小化接收时 间窗 精品文档 4欢迎下载 图 3 LoRaWAN 终端设备的典型系统架构 精品文档 5欢迎下载 图 4 三个设备类别接收插槽时间 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 5 所示 NB IoT 协议结构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 UE 的非接入层 NAS 在 UE 和核心网之间传送非无线 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 层通过用户面暂停 恢复操作使信令最小化 L2 安全提供了 UE 与核心网络之间 NAS 信令和认证的加密 用户在连接模式下的移动性管理属于此协议 对于 NB IoT 如果 前导码传输失败 UE 将重传 直到重传次数达到最大次数 这依赖于 CE 级仍然没有成功 然后 UE 将进入下一个 CE 级别 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 然后发送预定消息 msg3 以开始争用解决过程 当相关联的争用解决消息 被发送给 UE 时 RACH 过程完成 图 6 显示了这个过程的消息流程 精品文档 6欢迎下载 图 5 用于控制平面和用户平面的 NB IoT 的协议栈 图 6 RACH 程序的消息流 4 4 实际应用需求方面的比较 实际应用需求方面的比较 4 14 1 服务质量 服务质量 QoSQoS LoRa 使用未经许可的频谱 是一个异步协议 基于 CSS 调制的 LoRa 可以处理干扰 多路径和衰落 但不能提供与 NB IoT 所能提供的 QoS 相同的 QoS 这是因为 NB IoT 使用 许可的频谱 并且其时隙同步协议对于 QoS 是最佳的 但是 QoS 的这个优点是以牺牲成 精品文档 7欢迎下载 本为代价的 亚 GHz 频谱的许可频段频谱拍卖通常每兆赫超过 5 亿美元 8 由于 QoS 和 高频谱成本之间的折衷 需要 QoS 的应用更倾向于 NB IoT 而不需要高 QoS 的应用则应选 择 LoRa 4 24 2 电池寿命和延迟电池寿命和延迟 在 LoRaWAN 中 设备可以随时随地休眠 因为它是一个基于 ALOHA 的异步协议 在 NB IoT 中 由于频繁但规律的同步 该设备消耗额外的电池能量 而 OFDM 或 FDMA 需要更 多的线性发射机的峰值电流 这些额外的能量需求决定了 NB IoT 的设备电池寿命比基于 LoRa 的设备短 另一方面 这些要求为 NB IoT 提供了低延迟和高数据速率的优势 因此 对于那些对延迟不敏感且没有大量数据发送的应用 LoRa 是最好的选择 对于要求低延迟 和高数据速率的应用 NB IoT 是更好的选择 4 34 3 网络覆盖范围网络覆盖范围 LoRa 的主要利用优势是整个城市可以被基站覆盖 NB IoT 主要关注安装在远离正常范 围的地方的 MTC 类设备 因此 覆盖范围不应低于 23dB NB IoT 的部署仅限于 4G LTE 基 站 因此 不适合没有 4G 覆盖的农村或郊区 LoRaWAN 生态系统的一个重要优势是其灵活 性 LoRaWAN 可能比 NB IoT 网络有更广的网络覆盖范围 4 44 4 部署规模部署规模 NB IoT 可以通过重用和升级现有的蜂窝网络进行部署 但其部署仅限于蜂窝网络支持 的区域 NB IoT 规范于 2016 年 6 月发布 因此需要额外的时间才能建立 NB IoT 网络 而 LoRa 组件和 LoRaWAN 生态系统现在已经趋于成熟和生产 全国范围内的部署正处于展开阶 段 4 54 5 成本成本 需要考虑多个方面的成本 如频段成本 网络成本 设备成本和部署成等 表 2 显示 了 NB IoT 和 LoRa 的成本 可以看出 LoRa 在成本方面具有巨大的优势 表 2 LoRa 和 NB IoT 的成本比较 频段部署成本 LoRa 免费 100 1000 网关 NB IoT 5 亿美元 MHz 15000 基站 LoRa 和 NB IoT 的优劣势的差异 如图 7 所示 精品文档 8欢迎下载 4 64 6 应用场景应用场景 LoRa 物联网产业 智能农业 智能建筑 工厂 机场 卫生医疗等 NB IoT 物联网个人 公共 智能穿戴 智能自行车 监控追踪 智能计量 智能停车 智能垃圾桶等 补充一下个人想法 LoRa 和 NB IoT 的特性上文列举的比较详细 对于两种新兴的物联网技术我补充一下自 己的个人想法 两种技术主要针对的问题是低功耗广域 LPWA LoRa 技术起步早 相对 成熟 NB IoT 刚出来不久 还在探索中 LoRa 的主要创新是解决了低功耗长距离的问题 目前适用于低速率的应用场景 也并不能完全解决数据碰撞 实时性和功耗的问题 目前 仍有很多论文算法研究物联网通信协议以解决这些问题 市面上常见的 LoRaWan 网关是 8 通道的 听说国外有比较先进的最大 64 通道的网关 以解决数据碰撞的问题 理论上一个 网关能够负载上万个终端节点 但实际往往有