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LPWAN : LoRa與NB-IoT爭(zhēng)鋒

本文作者：編輯部點(diǎn)擊： 2023-05-31 11:44

前言：

在短距離高速傳輸?shù)臒o(wú)線協(xié)議中，Wi-Fi和經(jīng)典藍(lán)牙是市場(chǎng)的主流；在短距離低速傳輸?shù)臒o(wú)線協(xié)議中，低功耗藍(lán)牙（BLE）、ZigBee以及近年興起的Matter技術(shù)是各種應(yīng)用匯聚的領(lǐng)域。長(zhǎng)距離方面，蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、近幾年火熱的“星鏈”系統(tǒng)，正在為城市、城域以及偏遠(yuǎn)地區(qū)提供低成本、高速的網(wǎng)絡(luò)通信能力，物聯(lián)網(wǎng)的普及，讓無(wú)線通信市場(chǎng)對(duì)長(zhǎng)距離低速通信需求迅速增加。

注：Matter技術(shù)細(xì)節(jié)詳見(jiàn)本刊2023年4月《Matter 協(xié)定：不只解決碎片化，資安準(zhǔn)則更吸睛！》及20228月《Matter 為智慧家居帶來(lái)改變：從一桶“漿糊”到一統(tǒng)江湖》

LPWAN (Low Power Wide Area Network)低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)就是在這樣的場(chǎng)景產(chǎn)生。LPWAN無(wú)線通信的特點(diǎn)就是以較低成本，在極低功耗下，長(zhǎng)距離傳輸數(shù)據(jù)，特別適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通信。

LPWAN重要技術(shù)

在 LPWAN 網(wǎng)絡(luò)中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以隨意部署或移動(dòng)，因此 LPWAN 可以滿足智能城市及城郊地區(qū)諸多應(yīng)用需求，如智能化計(jì)量，物流，野生動(dòng)物監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)等。LPWAN 應(yīng)用場(chǎng)景包括智能交通、制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、采礦等。由于 LPWAN通常能在更低的信噪比下工作，因此能夠適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的聯(lián)網(wǎng)需求。

LoRa和NB-IoT是目前最為主流的LPWAN 通信技術(shù)，前者采用了額擴(kuò)頻通信技術(shù)（Spread Spectrum）而后者使用了窄帶技術(shù)（Narrowband），在LPWAN市場(chǎng)上還有超窄帶技術(shù)(Ultra Narrowband : 如Sigfox)等其他技術(shù)，但遠(yuǎn)沒(méi)有LoRa和NB-IoT市占率高。

主要特點(diǎn)	LoRa	NB-IoT
通信技術(shù)	chirp spread spectrum	Narrowband
頻譜資源	ISM頻段 150MHz到1GHz	授權(quán)頻段
傳輸速率	0.3-50kbps	<100kbps
傳輸距離	1~15km	1-10km
電池工作時(shí)間	10年	10年
組網(wǎng)方式	自組網(wǎng)	運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)

表:LoRa與NB-IoT主要技術(shù)特點(diǎn)比較編輯部整理

按照工作頻段土工，LPWAN可分為授權(quán)頻段（License Band）和非授權(quán)頻段（Unlicense Band）兩類，LoRA、Sigfox等技術(shù)采用了非授權(quán)頻段，即ITU所說(shuō)的ISM頻段（Industrial Scientific Medical Band），這一頻段為各國(guó)開(kāi)放給科研、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等機(jī)構(gòu)使用的頻段，無(wú)需申請(qǐng)?jiān)S可免費(fèi)使用，但發(fā)射功率通常不能超過(guò)1W，避免干擾其他設(shè)備。在短距離高速數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中的WiFi和Bluetooth同樣都是工作在這一頻段的無(wú)線通信技術(shù)，其中WiFi的發(fā)射功率一般都會(huì)限制在0.1W以下，Bluetooth普遍更低，除了傳輸300米這樣的需求（仍然沒(méi)超過(guò)0.1w）。

而授權(quán)頻段為3GPP（3rd Generation Partnership Project）主導(dǎo)的NB-IoT（Narrow Band IoT），已經(jīng)納入5G通信標(biāo)準(zhǔn)，基于4G LTE技術(shù)，使用現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)硬件，無(wú)需過(guò)多的研發(fā)成本就可以使用，主要投入方為電信營(yíng)運(yùn)商及相關(guān)設(shè)備廠商。因此也就有了NB-IoT是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的親兒子的說(shuō)法，也正是這個(gè)原因，這兩者的市場(chǎng)道路完全不同，目前誰(shuí)也無(wú)法徹底取代誰(shuí)，在市場(chǎng)層面更多地是互補(bǔ)關(guān)系。

LoRa （Long Range Communication），由 Semtech 公司主導(dǎo)的一種LPWAN通信技術(shù)，是一種基于線性調(diào)制擴(kuò)頻技術(shù)（CSS: chirp spread spectrum)的一種擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)。LoRa通信可達(dá)到-148 dBm的接收靈敏度，以偏小的數(shù)據(jù)速率（0.3-50kbps）換取更高的通訊距離（市內(nèi)3km，郊區(qū)15km）和低功耗（電池供電在特定條件下可以工作長(zhǎng)達(dá)10年）。

注：LoRa的原型技術(shù)來(lái)自一家法國(guó)公司Cycleo，2012年被Semtech收購(gòu)，2013年Semtech發(fā)布第一款基于1GHz以下的超長(zhǎng)距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的芯片。

圖:LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 圖片來(lái)源：https://lora-alliance.org/

2015年，Semtech牽頭成立LoRa Alliance，IBM、Cisco、ST Microelectronics、Microchip以及一批電芯運(yùn)營(yíng)商都是這個(gè)聯(lián)盟的成員。如今LoRa Alliance聯(lián)盟成員已經(jīng)超過(guò)500家，并與100多家運(yùn)營(yíng)商展開(kāi)合作，全球部署的LoRa節(jié)點(diǎn)也早已超過(guò)一億個(gè)。

而NB-IoT則是以蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商為靠山發(fā)展起來(lái)的LPWAN通信技術(shù)，與LoRa相比在網(wǎng)絡(luò)容量，系統(tǒng)可靠性方面要有明顯優(yōu)勢(shì)，畢竟移動(dòng)基站的通信能力不是LoRa這種大量使用自組網(wǎng)模式能夠比擬的。但是LoRa的優(yōu)勢(shì)在于，組網(wǎng)的靈活性和數(shù)據(jù)的私密性，畢竟不是哪個(gè)企業(yè)都愿意把數(shù)據(jù)放在運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)上的，這與公有云和私有云的概念有些類似。雖然NB-IoT起步比LoRa要晚，但是背靠大樹(shù)好乘涼，有了運(yùn)營(yíng)商層面的支持NB-IoT的發(fā)展速度一點(diǎn)也不慢。

快速成長(zhǎng)的LPWAN市場(chǎng)

市場(chǎng)研究公司Omdia最新研究表明，低功耗廣域（LPWAN）LoRaWAN和NB-IoT技術(shù)已經(jīng)占據(jù)全球市場(chǎng)的85%。未來(lái)5年，LPWAN物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接的數(shù)量將以23%的年復(fù)合增長(zhǎng)率快速增長(zhǎng)，LoRaWAN和NB-IoT技術(shù)是最主要的推動(dòng)力。屆時(shí)，二者將占據(jù)所有LPWAN物聯(lián)網(wǎng)連接的87%。

相較于各自的傳統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手LTE-M和Sigfox，NB-IoT和LoRa的發(fā)展更加迅速。

出于自身發(fā)展以及5G的國(guó)家策略，中國(guó)正全力支持NB-IoT技術(shù)。高通、聯(lián)發(fā)科、華為等移動(dòng)通信芯片、設(shè)備公司都為NB-IoT開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。

截至2022年年底，全球90%以上的NB-IoT連接位于中國(guó)，并且部署在公用事業(yè)表計(jì)和智能城市、智慧交通、監(jiān)控等固定用例中。基于龐大的設(shè)備基數(shù)，三表（水表、電表、燃?xì)獗恚┦菙?shù)據(jù)傳輸是其中一個(gè)重要要市場(chǎng)。

鑒于NB-IoT在中國(guó)的迅速發(fā)展，歐洲國(guó)家的電信運(yùn)營(yíng)商也開(kāi)始重新關(guān)注這項(xiàng)技術(shù)，西班牙電信和德國(guó)電信公司正投資于借助衛(wèi)星通信的NB-IoT技術(shù)，用來(lái)覆蓋移動(dòng)基站無(wú)法覆蓋的區(qū)域。

在物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的今天，經(jīng)過(guò)上下游多年的積累，LoRaWan正在成為事實(shí)上的LPWAN網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議。Omdia認(rèn)為：LoRaWAN未來(lái)是否獲得成功，取決于它具有差異化的產(chǎn)品和NB-IoT 所缺失的價(jià)值。

LoRa對(duì)于部署物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的公司來(lái)說(shuō)具有高度的靈活性和數(shù)據(jù)私密性，這種特性使LoRaWAN成為小型開(kāi)發(fā)者、創(chuàng)客社區(qū)和OTT物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)最受歡迎的技術(shù)之一。

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