2.4　物聯(lián)廣域網(wǎng)技術(shù)

低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWAN）在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中占據(jù)重要位置，滿足了物聯(lián)網(wǎng)傳輸距離遠(yuǎn)、節(jié)點(diǎn)功耗低、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單和運(yùn)行維護(hù)成本低的組網(wǎng)需求。當(dāng)前主要的兩種低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）和長距離無線發(fā)送（Long Range Radio，LoRa）技術(shù)。

2.4.1　NB-IoT技術(shù)

2.4.1.1　NB-IoT概述

NB-IoT是Narrow band Internet of Thing的簡稱，是一種3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義的LPWA（低功耗廣域網(wǎng)）解決方案。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，可以帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)立載波等三種部署方式，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)的共存，在降低部署成本同時(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平滑升級。

NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯(lián)網(wǎng)（IoT）市場，具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點(diǎn)，是萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支，特別適合于無須移動性、小數(shù)據(jù)量、對時(shí)延不敏感等諸如部署在建筑中的滅火器、科學(xué)研究中使用的各種監(jiān)測器等眾多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，用于收集數(shù)據(jù)發(fā)送頻次低、數(shù)據(jù)速率低的信息。

2.4.1.2　NB-IoT特點(diǎn)

相比于傳統(tǒng)2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)，NB-IoT主要有以下四大特點(diǎn)。

1. 廣覆蓋

NB-IoT室內(nèi)覆蓋能力強(qiáng)，比LTE提升20dB增益，相當(dāng)于提升了100倍覆蓋區(qū)域能力。不僅可以滿足農(nóng)村這樣的廣覆蓋需求，對于廠區(qū)、地下車庫、井蓋這類對深度覆蓋有要求的應(yīng)用也同樣適用。以井蓋監(jiān)測為例，過去GPRS的方式需要伸出一根天線，車輛來往極易損壞，而NB-IoT只要部署得當(dāng)，就可以很好地解決這一難題。

2. 強(qiáng)連接

在同一基站的情況下，NB-IoT可以提供比現(xiàn)有無線技術(shù)高50～100倍的接入數(shù)。一個(gè)扇區(qū)能夠支持10萬個(gè)連接，支持低延時(shí)敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。舉例來說，受限于帶寬，運(yùn)營商給家庭中每個(gè)路由器僅開放8～16個(gè)接入口，而一個(gè)家庭中往往有多部手機(jī)、筆記本、平板計(jì)算機(jī)，未來要想實(shí)現(xiàn)全屋智能、上百種傳感設(shè)備需要聯(lián)網(wǎng)就成了一個(gè)棘手的難題。而NB-IoT足以輕松滿足未來智慧家庭中大量設(shè)備聯(lián)網(wǎng)需求。

3. 低功耗

低功耗特性是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用一項(xiàng)重要指標(biāo)，特別對于一些不能經(jīng)常更換電池的設(shè)備和場合，如安置于高山荒野偏遠(yuǎn)地區(qū)中的各類傳感監(jiān)測設(shè)備，它們不可能和智能手機(jī)一樣一天一充電，長達(dá)幾年的電池使用壽命是最本質(zhì)的需求。NB-IoT聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應(yīng)用。NB-IoT終端如每天發(fā)送一次200B報(bào)文，AA電池待機(jī)時(shí)間10年，單次的速傳時(shí)間縮短了，終端99%的時(shí)間都工作在節(jié)能模式（PSM）。不同于手機(jī)節(jié)能模式，NB-IoT終端處于深度睡眠，睡眠時(shí)間比較長，終端監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)頻度極低，一般來說，99%時(shí)間的功耗只有15μW。這使得NB-IoT設(shè)備功耗可以做到非常小，設(shè)備續(xù)航時(shí)間可以從過去的幾個(gè)月大幅提升到幾年。

4. 低成本

NB-IoT無須重新建網(wǎng)，射頻和天線基本上都是復(fù)用的。以中國移動為例，900MHz里面有一個(gè)比較寬的頻帶，只需要清出來一部分2GHz的頻段，就可以直接進(jìn)行LTE和NB-IoT的同時(shí)部署。180kHz窄帶，降低了芯片復(fù)雜度、簡化了協(xié)議棧（500B）、減少了片內(nèi)Flash/RAM，且低采樣率單天線、半雙工、射頻等同樣給NB-IoT芯片以及模塊帶來低成本優(yōu)勢，預(yù)期單個(gè)模塊成本不會超過5美元。

2.4.1.3　NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

NB-IoT端到端系統(tǒng)架構(gòu)如圖2.12所示。

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包括以下部分。

（1）終端。UE（User Equipment）通過空口連接到基站（evolved Node B，eNodeB）。

（2）無線網(wǎng)側(cè)。包括兩種組網(wǎng)方式：一種是整體式無線接入網(wǎng)（Singel RAN），其中包括2G/3G/4G以及NB-IoT無線網(wǎng)；另一種是NB-IoT新建。主要承擔(dān)空口接入處理、小區(qū)管理等相關(guān)功能，并通過S1-lite接口與IoT核心網(wǎng)進(jìn)行連接，將非接入層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給高層網(wǎng)元處理。

（3）核心網(wǎng)。EPC（Evolved Packet Core），承擔(dān)與終端非接入層交互的功能，并將IoT業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到IoT平臺進(jìn)行處理。

（4）平臺。匯聚從各種接入網(wǎng)得到的IoT數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同類型轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用器進(jìn)行處理。目前以電信平臺為主。

（5）應(yīng)用服務(wù)器。以電信平臺為例，應(yīng)用server通過http/https協(xié)議和平臺通信，通過調(diào)用平臺的開放API來控制設(shè)備，平臺把設(shè)備上報(bào)的數(shù)據(jù)推送給應(yīng)用服務(wù)器。平臺支持對設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議解析，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的json格式數(shù)據(jù)。

圖2.13給出了NB-IoT核心網(wǎng)架構(gòu)框圖。

NB-IoT核心網(wǎng)框圖主要包括以下部分。

（1）MME（Mobility Management Entity）。移動性管理實(shí)體（一個(gè)信令實(shí)體），接入網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)。負(fù)責(zé)空閑模式UE的跟蹤與尋呼控制。通過與HSS（Home Subscribe Server，歸屬用戶服務(wù)器）的信息交流，完成用戶驗(yàn)證功能。

（2）SCEF（Service Cability Exposure Function）。服務(wù)能力開放單元，為新增網(wǎng)元，支持對于新的PDN類型Non-IP的控制面數(shù)據(jù)傳輸。

（3）S-GW（Serving GW）。服務(wù)網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)。對于閑置狀態(tài)的UE，S-GW則是下行數(shù)據(jù)路徑的終點(diǎn)，并且在下行數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)觸發(fā)尋呼UE。

（4）P-GW（Packet Data Network Gateway）。PDN網(wǎng)關(guān)（分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)），提供UE與外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接點(diǎn)的接口傳輸，進(jìn)行業(yè)務(wù)上下行業(yè)務(wù)等級計(jì)費(fèi)。

圖2.14給出了NB-IoT接入網(wǎng)構(gòu)架。NB-IoT接入網(wǎng)具有與傳統(tǒng)LTE一樣的接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

eNodeB通過S1接口連接到MME/S-GW，只是接口上傳送的是NB-IoT消息和數(shù)據(jù)。盡管NB-IoT沒有定義切換，但在兩個(gè)eNodeB之間依然有X2接口，X2接口使能UE在進(jìn)入空閑狀態(tài)后，快速啟動resume流程，接入其他eNodeB（resume流程將在本書后面詳述）。

2.4.1.4　NB-IoT頻段分配

NB-IoT使用了授權(quán)頻段。全球主流的頻段是800MHz和900MHz。中國電信會把NB-IoT部署在800MHz頻段上，而中國聯(lián)通會選擇900MHz來部署NB-IoT，中國移動則可能會重新使用900MHz頻段。

NB-IoT屬于授權(quán)頻段，如同2G/3G/4G一樣，是專門規(guī)劃的頻段，頻段干擾相對少。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)具有電信級網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)，可以提供更好的信號服務(wù)質(zhì)量、安全性和認(rèn)證等的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。可與現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站融合，更有利于快速大規(guī)模部署。運(yùn)營商有成熟的電信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈和經(jīng)驗(yàn)，可以更好地運(yùn)營NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。

從目前來看，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)只會由上面的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商來部署，其他公司或組織不能自己來部署網(wǎng)絡(luò)。要使用NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)必須要等運(yùn)營商把NB-IoT網(wǎng)絡(luò)鋪好，其進(jìn)度與發(fā)展取決于運(yùn)營商基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。

表2.4給出了3GPP Release 13為NB-IoT指定的14個(gè)頻段號。

表2.5給出了國內(nèi)營運(yùn)商的可使用NB-IoT頻段。

2.4.1.5　NB-IoT部署方式

NB-IoT NB-IoT占用180kHz工作帶寬，支持頻段內(nèi)（In-Band）、保護(hù)帶（Guard-Band）以及獨(dú)立（Stand-alone）三種部署方式（Operation Modes），如圖2.15所示。

1. 獨(dú)立部署（Stand-alone operation，ST）

不依賴LTE，與LTE可以完全解耦。適合用于重新使用GSM頻段，GSM的信道帶寬為200kHz，這剛好為NB-IoT180kHz帶寬辟出空間，且兩邊還有10kHz的保護(hù)間隔。

2. 保護(hù)帶部署（Guard-Band operation，GB）

不占LTE資源。利用LTE邊緣保護(hù)頻帶中未使用的180kHz帶寬的資源塊。

3. 帶內(nèi)部署（In-Band operation，IB）

占用LTE的1個(gè)PRB資源。可以利用LTE載波中間的任何資源塊。

表2.6給出了三種部署方式的性能比較。

2.4.1.6　NB-IoT工作狀態(tài)

在默認(rèn)狀態(tài)下，NB-IoT存在三種工作狀態(tài)。三種狀態(tài)會根據(jù)不同的配置參數(shù)進(jìn)行切換。

（1）Connected（連接態(tài)）。模塊注冊入網(wǎng)后處于該狀態(tài)，可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，無數(shù)據(jù)交互超過一段時(shí)間后會進(jìn)入Idle模式，持續(xù)時(shí)間可配置。

（2）Idle（空閑態(tài)）。可收發(fā)數(shù)據(jù)，且接收下行數(shù)據(jù)會進(jìn)入Connected狀態(tài)，無數(shù)據(jù)交互超過一段時(shí)會進(jìn)入PSM模式，持續(xù)時(shí)間可配置。

（3）PSM（Power Saving Mode，節(jié)能模式）。此模式下終端關(guān)閉收發(fā)信號機(jī)，不監(jiān)聽無線側(cè)的尋呼。因此雖然依舊注冊入網(wǎng)，但信令不可達(dá)，無法收到下行數(shù)據(jù)，功率很小。

持續(xù)時(shí)間由核心網(wǎng)配置，有上行數(shù)據(jù)需要傳輸或TAU周期結(jié)束時(shí)會進(jìn)入Connected狀態(tài)。

NB-IoT三種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程可以總結(jié)如下。

（1）終端發(fā)送數(shù)據(jù)完畢處于Connected狀態(tài)，啟動“不活動計(jì)時(shí)器”，默認(rèn)20s，可配置范圍為1～3600s。

（2）“不活動計(jì)時(shí)器”超時(shí)，終端進(jìn)入Idle狀態(tài)，啟動及或定時(shí)器（Active-Timer），超時(shí)時(shí)間配置范圍為2s～186min。

（3）Active-Timer超時(shí)，終端進(jìn)入PSM狀態(tài)，TAU周期結(jié)束時(shí)進(jìn)入Connected狀態(tài)，TAU周期配置范圍為54min～310h。

2.4.1.7　NB-IoT雙工模式

在Release 13中，NB-IoT僅支持FDD半雙工type-B模式。FDD意味著上行和下行在頻率上分開，UE不會同時(shí)處理接收和發(fā)送。半雙工也意味著只需多一個(gè)切換器去改變發(fā)送和接收模式，與全雙工所需的元件相比，成本更低廉，且電池能耗更低。

在Release 12中，定義了半雙工分為type A和type B兩種類型，其中type B為Cat.0所用。在type A下，UE在發(fā)送上行信號時(shí)，其前面一個(gè)子幀的下行信號中最后一個(gè)Symbol不接收，用來作為保護(hù)時(shí)隙（Guard Period，GP），而在type B下，UE在發(fā)送上行信號時(shí)，其前面的子幀和后面的子幀都不接收下行信號，使得保護(hù)時(shí)隙加長，這對于設(shè)備的要求降低，且提高了信號的可靠性。

1. 下行鏈路

對于下行鏈路，NB-IoT定義了三種物理信道。

（1）NPBCH：窄帶物理廣播信道。

（2）NPDCCH：窄帶物理下行控制信道。

（3）NPDSCH：窄帶物理下行共享信道。

還定義了兩種物理信號。

（1）NRS：窄帶參考信號。

（2）NPSS和NSSS：主同步信號和輔同步信號。

2. 上行鏈路

對于上行鏈路，NB-IoT定義了兩種物理信道。

（1）NPUSCH：窄帶物理上行共享信道。

（2）NPRACH：窄帶物理隨機(jī)接入信道。

和物理信號：

DMRS：上行解調(diào)參考信號。

2.4.1.8　NB-IoT協(xié)議棧

NB-IoT協(xié)議棧基于LTE，但為了滿足物聯(lián)網(wǎng)處理需求，NB-IoT定義了一個(gè)新的空口協(xié)議，去掉了一些不必要的功能，減少了協(xié)議棧處理流程。

2.4.1.9　NB-IoT應(yīng)用前景

根據(jù)工信部發(fā)布的《關(guān)于全面推進(jìn)移動物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）建設(shè)發(fā)展的通知》，2020年年底，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全國普遍覆蓋，面向室內(nèi)、交通路網(wǎng)、地下管網(wǎng)等應(yīng)用場景實(shí)現(xiàn)深度覆蓋，基站規(guī)模達(dá)到150萬個(gè)。同時(shí)要求推廣NB-IoT在細(xì)分領(lǐng)域的應(yīng)用，逐步形成規(guī)模應(yīng)用體系。

現(xiàn)階段，NB-IoT垂直行業(yè)主要集中在交通行業(yè)、物流行業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、商品零售行業(yè)、智能抄表、公共設(shè)施、智能家居、工業(yè)制造、企業(yè)能耗管理、企業(yè)安全防護(hù)等，具體的行業(yè)應(yīng)用如表2.7所列。

下面以智慧停車、智能抄表、智慧路燈為例，來說明NB-IoT的具體場景應(yīng)用情況。

1. 基于NB-IoT的智慧停車

為解決停車難和停車信息共享不透明等問題，可通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將處于空間散布的停車資源連接在一起，通過終端車位數(shù)據(jù)采集及大數(shù)據(jù)分析，將車位狀態(tài)信息實(shí)時(shí)共享至云端，形成智慧停車系統(tǒng)。具體來說，采用NB-IoT模組及地磁傳感器實(shí)時(shí)采集停車位狀態(tài)信息，通過運(yùn)營商N(yùn)B-IoT窄帶無線通信技術(shù)將停車位狀態(tài)信息實(shí)時(shí)發(fā)送到云端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)全城車位信息的統(tǒng)一發(fā)布和管理；用戶可通過手機(jī)App實(shí)時(shí)查看所在城市所有停車位狀態(tài)信息，并可進(jìn)行在線車位預(yù)定、在線支付及車位導(dǎo)航。

基于NB-IoT的智慧停車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了停車資源的高效共享，有效減輕了市政交通管理壓力，具有較高的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

2. 基于NB-IoT的智能抄表

智能抄表是低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用場景之一，對系統(tǒng)成本、性能、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度、時(shí)效性、壽命等具有較高要求。低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在針對智能抄表系統(tǒng)的通信解決方案中具有很大的優(yōu)勢，可滿足物聯(lián)網(wǎng)中遠(yuǎn)距離和低功耗的通信需求。

與傳統(tǒng)的采用GPRS、LoRa技術(shù)抄表對比，NB-IoT遠(yuǎn)程抄表具有廣覆蓋、高吞吐率等優(yōu)越性。同時(shí)NB-IoT下行采用OFDMA，上行采用SC-FDMA調(diào)制解調(diào)技術(shù)加上可重傳200次左右的重傳機(jī)制，提高了數(shù)據(jù)在獲取過程中的準(zhǔn)確性。表2.8給出了不同抄表技術(shù)性能對比。

總體來看，通過NB-IoT搭建穩(wěn)定、安全、可靠的雙向通信網(wǎng)絡(luò)后，水電氣公司可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)抄表、在線監(jiān)控、實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)報(bào)警、實(shí)時(shí)分析等功能，減少人力投入，提高運(yùn)營效率，提供更具有針對性和科學(xué)性的動態(tài)管理，有效提高能源利用和管理水平。

3. 基于NB-IoT的智慧路燈

路燈在城市分布廣泛、均勻，具有地理坐標(biāo)精確、供電網(wǎng)絡(luò)完整、通信位置明確等特點(diǎn)，是智慧城市物聯(lián)網(wǎng)極佳的切入口，可以作為城市物聯(lián)網(wǎng)的感知終端載體。而基于NB-IoT的智慧路燈具備多項(xiàng)優(yōu)勢，如可實(shí)現(xiàn)單燈精確控制和維護(hù)，無須人工巡檢，可遠(yuǎn)程檢測并定位故障，無須路燈企業(yè)建網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋好，可靠性高等。

NB-IoT的智慧路燈順應(yīng)城市綠色、智慧、和諧、特色發(fā)展的需求，也契合國家大力推動NB-IoT智慧應(yīng)用的方向，為城市照明實(shí)現(xiàn)動態(tài)化、流程化、可視化、規(guī)范化管理，保障城市照明運(yùn)行安全，為智慧城市打造公共服務(wù)、公共設(shè)施、節(jié)能環(huán)保等多維平臺提供了全方位的技術(shù)支撐，其在智慧城市中應(yīng)用案例不斷增多。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅2017年，就有7個(gè)基于NB-IoT的智慧路燈應(yīng)用的項(xiàng)目投入運(yùn)營。

隨著智慧路燈標(biāo)準(zhǔn)化的推進(jìn)、NB-IoT技術(shù)應(yīng)用的成熟、智慧城市建設(shè)的開展，相信基于NB-IoT的智慧路燈將會在更多城市中得到應(yīng)用，而當(dāng)前存在的諸多問題也會陸續(xù)被破解，其未來發(fā)展前景十分廣闊，將為城市實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、精細(xì)化管理、個(gè)性化和特色發(fā)展貢獻(xiàn)新的力量。

2.4.2　LoRa技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中涉及的無線技術(shù)有多種，可組成局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)。組成局域網(wǎng)的無線技術(shù)主要有2.4GHz的WiFi、藍(lán)牙、ZigBee等，組成廣域網(wǎng)的無線技術(shù)主要有2G/3G/4G等。這些無線技術(shù)，優(yōu)缺點(diǎn)非常明顯，就是在遠(yuǎn)距離覆蓋和低功耗兩者之間只能二選一。當(dāng)采用低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network，LPWAN）技術(shù)之后，設(shè)計(jì)人員可做到兩者兼顧，最大限度地實(shí)現(xiàn)更長距離通信與更低功耗，同時(shí)還可節(jié)省額外的中繼器成本。

長距離無線電技術(shù)（Long Range Radio，LoRa）是LPWAN通信技術(shù)中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案。LoRa技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、低功耗（電池壽命長）、多節(jié)點(diǎn)、低成本的特性。其最大特點(diǎn)就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的有機(jī)統(tǒng)一，在同樣的功耗下，LoRa比傳統(tǒng)無線射頻通信距離擴(kuò)大3～5倍。

這一方案改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的折中考慮方式，為用戶提供了一種簡單的能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長電池壽命、大容量的系統(tǒng)，進(jìn)而擴(kuò)展傳感網(wǎng)絡(luò)。目前，LoRa主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行，包括433MHz、868MHz、915MHz等。

2.4.2.1　LoRa協(xié)議架構(gòu)

按照LoRa聯(lián)盟官方白皮書What is LoRaWAN的介紹，LoRaWAN是為LoRa遠(yuǎn)距離無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一套通信協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)。這一技術(shù)可以為電池供電的無線設(shè)備提供局域、全國或全球的網(wǎng)絡(luò)。LoRaWAN瞄準(zhǔn)的是物聯(lián)網(wǎng)中的一些核心需求，如安全雙向通信、移動通信和靜態(tài)位置識別等服務(wù)。該技術(shù)無須本地復(fù)雜配置，就可以讓智能設(shè)備間實(shí)現(xiàn)無縫對接互操作，給物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的用戶、開發(fā)者和企業(yè)自由操作權(quán)限。

圖2.16給出了LoRaWAN協(xié)議分層架構(gòu)圖。

LoRaWAN終端等設(shè)備協(xié)議采用四層的分層架構(gòu)。

（1）物理層。物理層主要負(fù)責(zé)物理信道承載、信號收發(fā)、調(diào)制解調(diào)，全球不同地區(qū)的工作頻段不同。

（2）終端層。從圖2.16可以看出，協(xié)議中規(guī)定了Class A/B/C三類終端設(shè)備，這三類終端設(shè)備基本覆蓋了物聯(lián)網(wǎng)所有的應(yīng)用場景。表2.9以表格形式給出了這三類終端設(shè)備的基本介紹和典型應(yīng)用場景。

（3）MAC層。MAC層則負(fù)責(zé)LoRa接入控制、邏輯鏈路管理，包括ClassA/B/C不同等級的終端的控制。

（4）應(yīng)用層。應(yīng)用層包括用戶自定義的基于LoRaWAN技術(shù)的應(yīng)用程序、軟件接口等。

2.4.2.2　LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

LoRa網(wǎng)絡(luò)主要由終端（可內(nèi)置LoRa模塊）、網(wǎng)關(guān)（或稱基站）、服務(wù)器（Server）和云四部分組成。圖2.17給出了LoRa的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

從圖2.17可以看出，在這個(gè)LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，基站和終端之間采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌矣捎贚oRa的長距離特性，它們之間得以使用單跳傳輸。LoRa網(wǎng)關(guān)是一個(gè)透明傳輸?shù)闹欣^，連接終端設(shè)備和后端中央服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器間通過標(biāo)準(zhǔn)IP連接，終端設(shè)備采用單跳與一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)通信。所有節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)間均可雙向通信，同時(shí)也支持云端升級等操作以減少云端通信時(shí)間。

終端節(jié)點(diǎn)位于上面LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖中最左邊，異步地廣播數(shù)據(jù)包到網(wǎng)絡(luò)。遵循Aloha網(wǎng)絡(luò)規(guī)范，保證終端設(shè)備可以將大部分時(shí)間處于空閑模式，功耗少于1μA。這種方法可確保在小型電池上的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)10～15年的使用壽命。因?yàn)榈凸模琇oRaWAN網(wǎng)絡(luò)是Aloha介質(zhì)訪問網(wǎng)絡(luò)規(guī)范最適合的技術(shù)選擇，廣域網(wǎng)絡(luò)主要工作在ISM頻段。在免授權(quán)頻段中，介質(zhì)質(zhì)量和可訪問性不能被保證，這意味著任何類型的時(shí)隙多址技術(shù)都將會面臨信道可用性問題。時(shí)分多址，需要設(shè)備同步，可能會在終端設(shè)備上造成很大的成本，并且與LPWA中的一些用例不兼容。

集中器/網(wǎng)關(guān)位于上面LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖中最左側(cè)第二排。通過終端節(jié)點(diǎn)廣播的數(shù)據(jù)包將會被網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)接收到。網(wǎng)關(guān)有一個(gè)多信道和多數(shù)據(jù)速率的射頻嵌入式設(shè)備，可以掃描和檢測任意活動信道上的數(shù)據(jù)包并對其進(jìn)行解調(diào)。網(wǎng)關(guān)是到核心網(wǎng)絡(luò)簡單的通信通道，而且它們通常沒有內(nèi)置的智能處理。這使得集中器/網(wǎng)關(guān)具備下面兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：網(wǎng)關(guān)可由非常簡單的、便宜的硬件組成，不需要從單元到單元的漫游。且終端節(jié)點(diǎn)廣播其數(shù)據(jù)包，不需要考慮哪個(gè)網(wǎng)關(guān)會接收它們，并且多個(gè)網(wǎng)關(guān)可以接收數(shù)據(jù)包，而對其能量消耗沒有任何的影響，也不需要切換過程或同步。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是LoRaWAN系統(tǒng)的重要部分，通過智能管理網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)分發(fā)到網(wǎng)絡(luò)中的其他服務(wù)器，其主要功能包括以下幾點(diǎn)。

（1）消息合并。來自多個(gè)網(wǎng)關(guān)相同數(shù)據(jù)包的多個(gè)副本被轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器記錄這些數(shù)據(jù)包，分析數(shù)據(jù)包的接收質(zhì)量，并通知網(wǎng)絡(luò)控制器。

（2）路由。對于下行鏈路，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器決定了到終端節(jié)點(diǎn)的最佳路由。通常，這個(gè)決定是基于先前傳送數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示，從接收的信號強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）和信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）計(jì)算出來。

（3）網(wǎng)絡(luò)控制。鏈路質(zhì)量還有助于為某個(gè)終端節(jié)點(diǎn)決定最相關(guān)的通信速度或擴(kuò)頻因子。這就是我們所說的ADR（Adaptive Data Rate），或者自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率策略，這由網(wǎng)絡(luò)控制器來處理。

（4）網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)監(jiān)控。網(wǎng)關(guān)通常通過加密的IP鏈路連接到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)通常包含網(wǎng)關(guān)管理和監(jiān)控接口，允許網(wǎng)絡(luò)提供商管理網(wǎng)關(guān)，處理故障情況，監(jiān)控告警和其他一些功能；通過與其他服務(wù)器通信，實(shí)現(xiàn)組織漫游，連接到客戶的應(yīng)用服務(wù)器等。

應(yīng)用服務(wù)器在LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖中最右側(cè)，以支持不同類型的網(wǎng)絡(luò)，為不同應(yīng)用供應(yīng)商提供異構(gòu)應(yīng)用的“多租戶網(wǎng)絡(luò)”場景。

2.4.2.3　LoRa技術(shù)特點(diǎn)

傳輸速率、工作頻段和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是影響傳感網(wǎng)絡(luò)特性的三個(gè)主要參數(shù)。傳輸速率的選擇將影響系統(tǒng)的傳輸距離和電池壽命；工作頻段的選擇要折中考慮頻段和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇是由傳輸距離要求和系統(tǒng)需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)目來決定的。LoRa融合了前向糾錯(cuò)編碼和數(shù)字?jǐn)U頻，使LoRa技術(shù)能夠以低發(fā)射功率獲得更廣的傳輸范圍和距離，滿足了物聯(lián)網(wǎng)對低功耗、覆蓋范圍廣的應(yīng)用要求。

1. 前向糾錯(cuò)編碼

前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)是給待傳輸數(shù)據(jù)序列中增加了一些冗余信息，這樣，數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)程中注入的錯(cuò)誤碼元在接收端就會被及時(shí)糾正。這一技術(shù)減少了以往創(chuàng)建“自修復(fù)”數(shù)據(jù)包來重發(fā)的需求，且在解決由多徑衰落引發(fā)的突發(fā)性誤碼中表現(xiàn)良好。

2. 數(shù)字?jǐn)U頻

一旦數(shù)據(jù)包分組建立起來且注入前向糾錯(cuò)編碼以保障可靠性，這些數(shù)據(jù)包將被送到數(shù)字?jǐn)U頻調(diào)制器中。這一調(diào)制器將分組數(shù)據(jù)包中每一比特饋入一個(gè)“擴(kuò)展器”中，將每一比特時(shí)間劃分為眾多碼片。即使噪聲很大，LoRa也能從容應(yīng)對，LoRa調(diào)制解調(diào)器經(jīng)配置后，可劃分的范圍為64～4096碼片/比特，最高可使用4096碼片/比特中的最高擴(kuò)頻因子（12）。相對而言，ZigBee僅能劃分的范圍為10～12碼片/比特。

通過使用高擴(kuò)頻因子，LoRa技術(shù)可將小容量數(shù)據(jù)通過大范圍的無線電頻譜傳輸出去。實(shí)際上，當(dāng)通過頻譜分析儀測量時(shí)，這些數(shù)據(jù)看上去像噪聲，但區(qū)別在于噪聲是不相關(guān)的，而數(shù)據(jù)具有相關(guān)性。基于此，數(shù)據(jù)實(shí)際上可以從噪聲中被提取出來。擴(kuò)頻因子越高，可從噪聲中提取出來的數(shù)據(jù)就越多。在一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)良好的GFSK接收端，8dB的最小信噪比（SNR）需要可靠地解調(diào)信號，采用配置AngelBlocks的方式，LoRa可解調(diào)一個(gè)信號，其信噪比為-20dB，GFSK方式與這一結(jié)果差距為28dB，這相當(dāng)于范圍和距離擴(kuò)大了很多。在戶外環(huán)境下，6dB的差距就可以實(shí)現(xiàn)2倍于原來的傳輸距離。

2.4.2.4　LoRa應(yīng)用前景

隨著智慧城市的全面部署以及城市智能化、感知與互聯(lián)的發(fā)展需求，城市越來越多的碎片化終端設(shè)備需要低功耗、長距離傳輸?shù)慕尤刖W(wǎng)絡(luò)。以LoRa為代表的低功耗、遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)，有機(jī)會打破物聯(lián)網(wǎng)在互聯(lián)方面的瓶頸，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)端對端的成本大幅下降，引爆物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用。

1）智能建筑

對于建筑的改造，加入溫濕度、安全、有害氣體、水流監(jiān)測等傳感器并且定時(shí)地將監(jiān)測的信息上傳，方便管理者監(jiān)管的同時(shí)更方便了用戶。通常來說這些傳感器的通信不需要特別頻繁或者保證特別好的服務(wù)質(zhì)量，便攜式的家庭式網(wǎng)關(guān)便可以滿足需要。所以該場景LoRa是比較合適的選擇。

2）智慧水務(wù)

智慧水務(wù)通過數(shù)采儀、無線網(wǎng)絡(luò)、水質(zhì)水壓表等在線監(jiān)測設(shè)備實(shí)時(shí)感知城市供排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并采用可視化的方式有機(jī)整合水務(wù)管理部門與供排水設(shè)施，形成“城市水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)”，并可將海量水務(wù)信息進(jìn)行及時(shí)分析與處理，并做出相應(yīng)的處理結(jié)果輔助決策建議，以更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理水務(wù)系統(tǒng)的整個(gè)生產(chǎn)、管理和服務(wù)流程，從而達(dá)到“智慧”的狀態(tài)。

3）智慧農(nóng)業(yè)

對農(nóng)業(yè)來說，低功耗低成本的傳感器是迫切需要的。溫濕度、二氧化碳、鹽堿度等傳感器的應(yīng)用對于農(nóng)業(yè)提高產(chǎn)量、減少水資源的消耗等有重要的意義，這些傳感器需要定期地上傳數(shù)據(jù)。LoRa十分適用于這樣的場景。

4）智慧油田

智慧油田利用各種在線的、實(shí)時(shí)測量的感知設(shè)備，諸如安裝在油氣水井、管道、油氣處理、加工、儲運(yùn)設(shè)備上的各種儀表等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議連接到企業(yè)網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

5）物流追蹤

追蹤或者定位市場的一個(gè)重要的需求就是終端的電池使用壽命。物流追蹤可以作為混合型部署的實(shí)際案例。物流企業(yè)可以根據(jù)定位的需要在需要場所部網(wǎng)，可以是倉庫或者運(yùn)輸車輛上，這時(shí)便攜式的基站便派上了用場。LoRa可以提供這樣的部署方案，同時(shí)LoRa有一個(gè)特點(diǎn)，即在高速移動時(shí)通信相對更穩(wěn)定。LoRa更適合于物流追蹤。

2.4.3　NB-IoT與LoRa的區(qū)別

NB-IoT與LoRa是兩種不同類型的低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，它們之間存在以下4個(gè)區(qū)別。

（1）頻段。LoRa工作在1GHz以下的非授權(quán)頻段，在應(yīng)用時(shí)不需要額外付費(fèi)，NB-IoT和蜂窩通信使用1GHz以下的頻段是授權(quán)的，是需要收費(fèi)的。處于500MHz和1GHz之間的頻段對于遠(yuǎn)距離通信是最優(yōu)的選擇，因?yàn)樘炀€的實(shí)際尺寸和效率是具有相當(dāng)優(yōu)勢的。

（2）電池供電壽命。LoRa模塊在處理干擾、網(wǎng)絡(luò)重疊、可伸縮性等方面具有獨(dú)特的特性，但卻不能提供像蜂窩協(xié)議一樣的服務(wù)質(zhì)量。NB-IoT出于對服務(wù)質(zhì)量的考慮，不能提供類似LoRa一樣長的電池壽命。

（3）設(shè)備成本。對終端節(jié)點(diǎn)來說，LoRa協(xié)議比NB-IoT更簡單，更容易開發(fā)并且對于微處理器的適用和兼容性更好。

（4）網(wǎng)絡(luò)覆蓋和部署時(shí)間表。NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)在2016年公布，除網(wǎng)絡(luò)部署之外，相應(yīng)的商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)鏈的建立還需要更長的時(shí)間和努力去探索。LoRa的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈相對已經(jīng)較為成熟了，產(chǎn)品也處于“蓄勢待發(fā)”的狀態(tài)，同時(shí)全球很多國家正在進(jìn)行或者已經(jīng)完成了全國性的網(wǎng)絡(luò)部署。

NB-IoT與LoRa都擁有自己獨(dú)特優(yōu)勢，需根據(jù)實(shí)際情況合理選擇最合理技術(shù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，NB-IoT與LoRa無疑都將有自己廣闊的應(yīng)用市場。