基于LoRa的物聯網技術分析

轉自協成智慧無線

2017年8月25日

摘要

M2M 雜志預測 2013 年中國将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，業界預測到 2020 年物聯網（IOT）500 億個無線節點中隻有不到 10%的使用 GSM 技術。盡管電信營運商具有建設和管理這樣一個大規模網絡的最突出的優勢，但是需要一個遠距離，大 容量的系統以鞏固在依靠電池供電的無線終端細分市場——無線傳感網、智能城市、智能電網、智能家居、安防裝置和工業控制等方面的地位。對于物聯網來說，隻有使用一種廣泛的技術，才可能使得電池供電的無線節點數量達到預計的規模。目前，實體層的硬體性能是物聯網節點邁向 500 億規模的瓶頸，而軟體、安全、雲計算、使用者接口等方面都已經成熟。Semtech公司推出的應用于低成本傳感網的解決方案 LoRa 使用新型的擴頻調制技術，大大提升了實體層硬體的性能，并且在省電方面相比 GSM 和傳統的 Sub-GHz 技術有了明顯的改進。具備低成本、延長電池壽命、易于建設和部署、遠距離通信等優勢。另外，LoRa 的測距和定位功能将推動物聯網在更多方面的大規模應用。

一、背景概述

2013 年 8 月，Semtech 公司向業界釋出了一種新型的，基于 1GHz 以下的超長距低功耗數 據傳輸技術（簡稱 LoRa）的晶片。其接受靈敏度達到了驚人的-148dbm，與業界其他先進水準 的 sub-GHz 晶片相比，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） ，引起了極大的關注。 由于該産品使用一種特殊的擴頻技術， 這使得不同擴頻序列的終端即使使用相同的頻率同 時發送也不會互相幹擾。在此基礎上研發的集中器/網關（Concentrator/Gateway）能夠并行接 收并處理多個節點的資料， 大大擴充了系統容量。基于該技術的測距和定位功能将會推動它在 物聯網領域的大規模應用。

二、關鍵技術和研究項目

目前 LoRa 和集中器的核心技術主要有以下幾個方面：

1、新型擴頻技術大大改善接收的靈敏度

高達 157db 的鍊路預算使其通信距離可達 15 公裡（與環境有關）。其接收電流僅 10mA， 睡眠電流

2、網關/集中器支援多信道多資料速率的并行處理，系統容量大

網關是節點與 IP 網絡之間的橋梁（通過 2G/3G/4G 或者 Ethernet）。每個網關每天可以處 理 500 萬次各節點之間的通信（假設每次發送 10Bytes，網絡占用率 10%） 。如果把網關安裝在 現有移動通信基站的位置，發射功率 20dBm，（100mW） ，那麼在搞建築密集的城市環境可以 覆寫 2 公裡左右，而在密度較低的郊區，覆寫範圍可達 10 公裡。該網關/集中器還包含 MAC 層協定，對于高層它是透明的。

3、基于終端和集中器/網關的系統可以支援測距和定位

LoRa 對距離的測量是基于信号的空中傳輸時間而非傳統的 RSSI（Received Signal Sterngth Indication） ，而定位則基于多點（網關）對一點（節點）的空中傳輸時間差的測量。其定位精 度可達 5m（假設 10km 的範圍）。

三、LoRa 方案對中國移動的價值分析

1、适用于物聯網的技術特征

LoRa 技術在高性能、遠距離、低功耗，支援大規模組網，測距和定位等方面突出的特點， 這使得該方案（終端+網關）成為物聯網大規模推廣應用的一種理想的技術選擇。

2、部署友善快捷

現有 2G/3G/4G 網絡是固定協定的網絡，相同協定的終端可以很友善的加入到這個網絡中來， 基于 LoRa 的物聯網方案也可以使用相同的商業運作模式。對于中國移動來說，隻需要在現有 的基站的位置安裝網關（集中器）和一個 Ethernet 連接配接即可。這種物聯網方案成本低，耗電低 且不需要申請 license（免 license 頻段）,這将成為現有蜂窩網絡在新興的物聯網市場方面的有 力補充。

3、中國移動在産業鍊中所處的位置

底端的RFIC 晶片和支援 MAC 層協定的 LORA 網關/集中器可由硬體廠商提供， 而完整的應 用軟體可有軟體提供商（比如 IBM、ORACLE 等）提供。中國移動處在産業鍊的最頂端，有利 于引導産業鍊的支援和整合。目前，法國營運商已經在 5000 座基站上布置了 LORA 網絡，并 且在定位技術準備就緒後，将會立即擴充到 15000 個基站。其六大合約使用者在三年内将會有1500 萬個裝置接入到網絡。啟用将會自己消化節點/終端的成本，營運商隻需要投入基站端的 建設。假設第一年投入 1000 萬美元，這樣一個規模的網絡第二年即可賺取 1000 萬美元，第三 年可賺取 6000 萬美元。 根據中國移動現有的網絡規模推算， 這将産生客觀的經濟和社會效益。

四、啟示與建議

基于 LORA 方案（節點+網關）在物聯網解決方案上的特點和優勢，建議中國移動積極參與并 維持繼續跟進該技術的相關項目，包括：1） 深入了解 LORA 網關/集中器在物聯網應用中的功能和角色， 了解其商業模式， 及輸出成果， 為中國移動的物聯網解決方案建設提供有效技術參考。2）選擇一定數量的現有基站做試點，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用及其要求。 3）引導并整合産業鍊的相關合作夥伴，合作推動整個應用平台建設。根據客戶的要求和回報 改進并優化應用平台。 4） 選擇試點的城市和範圍，展開一定的實驗局進行規模的試用測試。為下一步的部署做好充 分的技術準備。 5） 要注意觀察該物聯網解決方案對現有依托的 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 的物聯網建設的相關工作中，中國移動需深入了解并消化吸收心技術 本身，充分評估心方案帶來的便利和效益，在物聯網産業鍊中進一步鞏固自身的地位和優勢。

目前，相對于NB-IoT，LoRa是目前最成熟、穩定的窄帶物聯網通訊技術，其自由組網的私有網絡遠優于營運商持續不斷收費的NB網絡，且LoRa一次組網終身不需繳費。但是應用LoRa進行物聯網通訊開發難度大、周期長、進入門檻高。據了解，為降低物聯網行業創業者進入門檻，協成智慧提供了一整套成熟LoRaWAN源代碼+LoRa Gateway網關定制方案，極大縮減了創業者在物聯網鍊路調通上所耗費的半年周期與巨額開發代價，便于快速切入物聯網具體應用，打造屬于自己的獨立物聯網營運品牌。

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