基于LoRa的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分析

2017-09-22 11:38:10 來源：中國物聯(lián)網(wǎng) 熱度:

摘要:M2M 雜志預(yù)測 2013 年中國將成為全球最大的無線終端市場。由于耗電和成本等方面的問題，業(yè)界預(yù)測到 2020 年物聯(lián)網(wǎng)（IOT）500 億個無線節(jié)點中只有不到 10%的使用 GSM 技術(shù)。盡管電信運營商具有建設(shè)和管理這樣一個大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的最突出的優(yōu)勢，但是需要一個遠(yuǎn)距離，大容量的系統(tǒng)以鞏固在依靠電池供電的無線終端細(xì)分市場——無線傳感網(wǎng)、智能城市、智能電網(wǎng)、智能家居、安防設(shè)備和工業(yè)控制等方面的地位。對于物聯(lián)網(wǎng)來說，只有使用一種廣泛的技術(shù)，才可能使得電池供電的無線節(jié)點數(shù)量達(dá)到預(yù)計的規(guī)模。目前，物理層的硬件性能是物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點邁向 500 億規(guī)模的瓶頸，而軟件、安全、云計算、用戶接口等方面都已經(jīng)成熟。Semtech公司推出的應(yīng)用于低成本傳感網(wǎng)的解決方案 LoRa 使用新型的擴頻調(diào)制技術(shù)，大大提升了物理層硬件的性能，并且在省電方面相比 GSM 和傳統(tǒng)的 Sub-GHz 技術(shù)有了明顯的改進。具備低成本、延長電池壽命、易于建設(shè)和部署、遠(yuǎn)距離通信等優(yōu)勢。另外，LoRa 的測距和定位功能將推動物聯(lián)網(wǎng)在更多方面的大規(guī)模應(yīng)用。

一、背景概述

2013 年 8 月，Semtech 公司向業(yè)界發(fā)布了一種新型的，基于 1GHz 以下的超長距低功耗數(shù) 據(jù)傳輸技術(shù)（簡稱 LoRa）的芯片。其接受靈敏度達(dá)到了驚人的-148dbm，與業(yè)界其他先進水平的 sub-GHz 芯片相比，最高的接收靈敏度改善了 20db 以上，其功耗極低且不需要使用昂貴的溫補晶振（TCXO），引起了極大的關(guān)注。由于該產(chǎn)品使用一種特殊的擴頻技術(shù)，這使得不同擴頻序列的終端即使使用相同的頻率同時發(fā)送也不會相互干擾。在此基礎(chǔ)上研發(fā)的集中器/網(wǎng)關(guān)（Concentrator/Gateway）能夠并行接收并處理多個節(jié)點的數(shù)據(jù)，大大擴展了系統(tǒng)容量。基于該技術(shù)的測距和定位功能將會推動它在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。

二、關(guān)鍵技術(shù)和研究項目

目前 LoRa 和集中器的核心技術(shù)主要有以下幾個方面：

1、新型擴頻技術(shù)大大改善接收的靈敏度高達(dá) 157db 的鏈路預(yù)算使其通信距離可達(dá) 15 公里（與環(huán)境有關(guān)）。其接收電流僅 10mA 睡眠電流。

表 1 LORA 技術(shù)適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用部署的關(guān)鍵特性.

2、網(wǎng)關(guān)/集中器支持多信道多數(shù)據(jù)速率的并行處理，系統(tǒng)容量大網(wǎng)關(guān)是節(jié)點與 IP 網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁（通過 2G/3G/4G 或者 Ethernet）。每個網(wǎng)關(guān)每天可以處理 500 萬次各節(jié)點之間的通信（假設(shè)每次發(fā)送 10Bytes，網(wǎng)絡(luò)占用率 10%）。如果把網(wǎng)關(guān)安裝在現(xiàn)有移動通信基站的位置，發(fā)射功率 20dBm，（100mW），那么在搞建筑密集的城市環(huán)境可以覆蓋 2 公里左右，而在密度較低的郊區(qū)，覆蓋范圍可達(dá) 10 公里。該網(wǎng)關(guān)/集中器還包含 MAC 層協(xié)議，對于高層它是透明的。

3、基于終端和集中器/網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)可以支持測距和定位

LoRa 對距離的測量是基于信號的空中傳輸時間而非傳統(tǒng)的 RSSI（Received Signal Sterngth Indication），而定位則基于多點（網(wǎng)關(guān)）對一點（節(jié)點）的空中傳輸時間差的測量。其定位精度可達(dá) 5m（假設(shè) 10km 的范圍）。

三、LoRa 方案對中國移動的價值分析

1、適用于物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)特征

LoRa 技術(shù)在高性能、遠(yuǎn)距離、低功耗，支持大規(guī)模組網(wǎng)，測距和定位等方面突出的特點，這使得該方案（終端+網(wǎng)關(guān)）成為物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模推廣應(yīng)用的一種理想的技術(shù)選擇。

2、部署方便快捷

現(xiàn)有 2G/3G/4G 網(wǎng)絡(luò)是固定協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，相同協(xié)議的終端可以很方便的加入到這個網(wǎng)絡(luò)中來，基于 LoRa 的物聯(lián)網(wǎng)方案也可以使用相同的商業(yè)運行模式。對于中國移動來說，只需要在現(xiàn)有的基站的位置安裝網(wǎng)關(guān)（集中器）和一個 Ethernet 連接即可。這種物聯(lián)網(wǎng)方案成本低，耗電低且不需要申請 license（免 license 頻段）,這將成為現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)在新興的物聯(lián)網(wǎng)市場方面的有力補充。

圖 1 LORA 網(wǎng)關(guān)可直接安裝部署在已有基站上

3、中國移動在產(chǎn)業(yè)鏈中所處的位置

底端的RFIC 芯片和支持 MAC 層協(xié)議的 LORA 網(wǎng)關(guān)/集中器可由硬件廠商提供，而完整的應(yīng) 用軟件可有軟件提供商（比如 IBM、ORACLE 等）提供。中國移動處在產(chǎn)業(yè)鏈的最頂端，有利于引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈的支持和整合。目前，法國運營商已經(jīng)在 5000 座基站上布置了 LORA 網(wǎng)絡(luò)，并且在定位技術(shù)準(zhǔn)備就緒后，將會立即擴展到 15000 個基站。其六大合約用戶在三年內(nèi)將會有1500 萬個設(shè)備接入到網(wǎng)絡(luò)。啟用將會自己消化節(jié)點/終端的成本，運營商只需要投入基站端的建設(shè)。假設(shè)第一年投入 1000 萬美元，這樣一個規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)第二年即可賺取 1000 萬美元，第三年可賺取 6000 萬美元。根據(jù)中國移動現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模推算，這將產(chǎn)生客觀的經(jīng)濟和社會效益。

圖 2 產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)

四、啟示與建議

基于 LORA 方案（節(jié)點+網(wǎng)關(guān)）在物聯(lián)網(wǎng)解決方案上的特點和優(yōu)勢，建議中國移動積極參與并維持繼續(xù)跟進該技術(shù)的相關(guān)項目，包括：1）深入了解 LORA 網(wǎng)關(guān)/集中器在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的功能和角色，了解其商業(yè)模式，及輸出成果，為中國移動的物聯(lián)網(wǎng)解決方案建設(shè)提供有效技術(shù)參考。2）選擇一定數(shù)量的現(xiàn)有基站做試點，測試該解決方案的性能，距離及功耗（終端）。了解客戶需求，選擇并定義具體的應(yīng)用及其要求。 3）引導(dǎo)并整合產(chǎn)業(yè)鏈的相關(guān)合作伙伴，合作推動整個應(yīng)用平臺建設(shè)。根據(jù)客戶的要求和反饋改進并優(yōu)化應(yīng)用平臺。 4）選擇試點的城市和范圍，展開一定的實驗局進行規(guī)模的試用測試。為下一步的部署做好充分的技術(shù)準(zhǔn)備。 5）要注意觀察該物聯(lián)網(wǎng)解決方案對現(xiàn)有依托的 2G/3G/4G 的方案影響，讓他們真正做到互利互補。在參與基于 LORA 的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的相關(guān)工作中，中國移動需深入了解并消化吸收心技術(shù) 本身，充分評估心方案帶來的便利和效益，在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中進一步鞏固自身的地位和優(yōu)勢。

目前，相對于NB-IoT，LoRa是當(dāng)前最成熟、穩(wěn)定的窄帶物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，其自由組網(wǎng)的私有網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)優(yōu)于運營商持續(xù)不斷收費的NB網(wǎng)絡(luò)，且LoRa一次組網(wǎng)終身不需繳費。但是應(yīng)用LoRa進行物聯(lián)網(wǎng)通訊開發(fā)難度大、周期長、進入門檻高。據(jù)了解，為降低物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)創(chuàng)業(yè)者進入門檻，協(xié)成智慧提供了一整套成熟LoRaWAN源代碼+LoRa Gateway網(wǎng)關(guān)定制方案，極大縮減了創(chuàng)業(yè)者在物聯(lián)網(wǎng)鏈路調(diào)通上所耗費的半年周期與巨額開發(fā)代價，便于快速切入物聯(lián)網(wǎng)具體應(yīng)用，打造屬于自己的獨立物聯(lián)網(wǎng)運營品牌。