深入浅出谈LPWAN物联网通信技术

Posted 2022-09-29 田攀

物联网设备和单机设备最大的区别在哪儿呢？就在于它们接入了网络，所以这些设备才能将传感器采集的数据（生产信息）上传到云平台，然后根据平台对数据的分析做出反应（消费信息）。因此，接入网络的技术，也就是通信技术，是你在做物联网设备设计时需要重点关注的。下图是物联网设备最基本逻辑架构：传感器采集数据，经过处理单元（MCU）处理，最终通过通信单元传输出去。

民用燃气表为例，普通燃气表要联网，就需要加装物联通信单元，这个通信单元可以基于Lora的也可以是NB的。

物联网通信技术

 LPWAN基本的四大能力：广覆盖、大连接、低功耗、低成本。

LPWAN市场情况

LPWAN四雄的LoRa、NB-IoT、eMTC、Sigfox。其中以LoRa，NB-IoT为代表的低功耗广域网络技术近年来已经是物联网领域最热门的的部分。根据IOT Analytics分析报告，过去几年， 经过众多技术的百家争鸣，LPWAN领域最终有4类技术杀出重围，分别为NB-IoT、LoRa、LTE-M (eMTC)和Sigfox。根据IoT Analytics的监测数据， 采用这4类技术的节点数占所有LPWAN节点的份额超过96%。

 具体而言， NB-IoT以47%的份额领先；其次是 LoRa，市场份额为36%； LTE-M为10%， Sigfox为3%。因此，这一格局基本上可以用“2+2”来形容，其中NB-IoT和LoRa具有明显领先优势，占据83%的份额；LTE-M和Sigfox占据小额市场份额，剩余的技术非常分散，市场份额微不足道。

2020年年初，IoT Analytics监测数据显示，2019年这4类技术所占市场份额为92%，2年后这一份额提升了2个百分点。不仅仅集中度提升了，结构也发生了明显变化，NB-IoT跃升为LPWAN领域连接规模最大的技术。

可以看到，智能表计依然是LPWAN最大应用场景，而疫情使其渗透率进一步提升。水表、燃气表等智能表计是LPWAN市场中最早、也是迄今为止最大的应用场景，在中国和全球都不例外。

NB-IoT

NB-IoT实际上是4G的简化版或者阉割版。

NB-IoT针对M2M通信场景对原有的4G网络进行了技术优化，其对网络特性和终端特性进行了适当的平衡，以适应物联网应用的需求。

在”距离、品质、特性“和”能耗、成本“中，保证”距离“上广域覆盖，一定程度地降低”品质“（例如采用半双工的通信模式，不支持高带宽的数据传输），减少”特性“（例如不支持切换，即连接态的移动性管理）。

网络特性“缩水”的好处就是：降低了终端的通信“能耗”，并可以通过简化通信模块的复杂度来降低“成本”（例如简化通信链路层的处理算法）。所以说，为了满足部分物联网终端的个性要求（低能耗、低成本），网络做出了“妥协”。

NB-IoT是牺牲了一些网络特性，来满足物联网中不同以往的应用需要。

LoRa

LoRa技术是一种扩频调制技术（物理层）。LoRa一词取自英文Long Range两个单词的首字母Lo和Ra，代表远距离的意思。

Lora最初由Cycleo创立，Cycleo是由几名年轻人在法国创立的新兴公司。它于2012年被Semtech收购，然后将该调制技术封装到芯片中，由此一套基于LoRa技术的LORA通信芯片解决方案应运而生。该解决方案包括用于网关和终端的不同类型的Lora芯片，这为Lora芯片的商业化开辟了道路。

部署---按需部署，独立组网（LoRa具有成为企业级WiFi的独特价值）

相比于NB－IoT提供主干网络，LoRa在物联网时代更像是扮演一个“wifi”的角色。LoRa就是一个“长Wi-Fi”技术，其部署特点与WiFi非常相似。LoRa部署方便且可以独立组网，哪里有需要就在哪里建网，类似于哪里需要WiFi信号哪里就放置一个WiFi路由器一样。

LoRa的部署过程也很简单，只要选择一个网关部署位置，连接网线和电源线即可。在没有网线的地方，可以利用4G网络或者Wifi完成LoRa网络部署。

LoRa的主要特点

低速率（带宽）：低频谱带宽，传输速率从几百到几十Kbps，速率越低传输距离越长，这很像一个人挑东西，挑的多走不太远，少了可以走远。

低功耗（功率）：信号的发送功率超低，电池寿命长达10年，若采用蜂窝网络则需频繁更换电池，这在很多恶劣环境下很难实现。

远距离（空间）：传输距离远，城镇可达2-5 Km ， 郊区可达15 Km 。

大连接（数量）：LoRa网关可以连接上千上万个LoRa节点。

非频发（时间）：适合不需要连续发送数据包的的场合，

高延时（时间）：数据的传输延时较大。

低费用（金钱）：采用免费的频谱资源、单次较低数据量的数据传输、较低的传输频次，使得LoRa的运营成本较低。目前蜂窝网络为高带宽设计，采用蜂窝网络要占用网络和码号资源，还会产生包月流量费用。

安全性：采用AES128加密。

工作频率：ISM 频段 包括433、868、915 MH等。

调制方式：基于semtech公司私有专利的扩频技术，线性调制扩频（CSS）的一个变种，具有前向纠错（FEC）能力，这是实现低功耗远距离的关键。

标准：IEEE 802.15.4g。

参考

B站：物联通信技术

NB-IoT和LoRa占83%份额，低功耗卫星物联网成破局者|2021年低功耗广域市场深度解析

文火冰糖的硅基工坊