LoRa與短距離、長(zhǎng)距離無線技術(shù)對(duì)比

LoRa既屬于短距離物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，又屬于長(zhǎng)距離物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)。本小節(jié)通過對(duì)比的方式，從短距離與長(zhǎng)距離的視角分析LoRa的特點(diǎn)。

1 LoRa與長(zhǎng)距離無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的對(duì)比

在所有的LPWAN技術(shù)中，Sigfox技術(shù)由于其獨(dú)特的運(yùn)營(yíng)模式，在中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)上很難占有一席之地，而eMTC在中國(guó)的推廣才剛剛開始，所以在長(zhǎng)距離的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中目前主要是NB-IoT與LoRa爭(zhēng)雄。

在中國(guó)提到LoRa大家基本都會(huì)想到NB-IoT，大家都喜歡拿兩個(gè)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比。LoRa只是一種調(diào)制技術(shù)，由于NB-IoT是一套完整的通信協(xié)議和市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)，這里用對(duì)應(yīng)的LoRaWAN技術(shù)與NB-IoT技術(shù)進(jìn)行比較，分別從終端成本、基站成本、應(yīng)用場(chǎng)景等進(jìn)行對(duì)比分析。

終端成本分析

硬件成本：

● LoRa模塊一般是用ARM-M0 + LoRa收發(fā)芯片，單顆ARM-M0即可負(fù)責(zé)LoRaWAN協(xié)議棧(含通信，安全等)和應(yīng)用層。LoRaWAN協(xié)議比較輕，對(duì)Flash要求低(64KB即可)；外圍簡(jiǎn)單，±20ppm常溫晶體，不需要外置PA和SAW。

● NB-IoT的芯片成本會(huì)逐步降低，但是其運(yùn)營(yíng)商架構(gòu)決定了其模塊成本必然高于LoRa。

測(cè)試認(rèn)證成本：

● NB-IoT模塊測(cè)試復(fù)雜，需要專門的綜測(cè)儀, 認(rèn)證和入網(wǎng)許可費(fèi)用高。

● LoRa模塊的測(cè)試，用一般的頻譜儀和信號(hào)源即可，且沒有入網(wǎng)許可的費(fèi)用。

LoRa終端成本約為NB-IoT成本的80%。

基站成本分析

NB-IoT基站成本：

1 NB-IoT的基站發(fā)射功率大(達(dá)20W)，因此需要較大的PA，且OFDM對(duì)PA線性度 要求高，因此成本很高。

2 龐大的天線、饋線系統(tǒng)也比較昂貴，施工成本極高。

3 目前NB-IoT新建基站成本在人民幣30萬，4G基站原有頻段升級(jí)成本在人民幣7.5萬左右，單站平均的成本在人民幣15萬元左右?？紤]到從1800/2100MHz遷移到800/900MHz，實(shí)際成本要更高一些。

4 NB-IoT的系統(tǒng)從屬于移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)完整系統(tǒng)的一部分，需要大量的網(wǎng)規(guī)網(wǎng)優(yōu)和維護(hù)工作。

LoRa網(wǎng)關(guān)成本：

1 LoRa基站的發(fā)射功率小，板級(jí)的PA和LNA即可，天線、饋線系統(tǒng)也很簡(jiǎn)單。

2 LoRa的室外基站一般在人民幣0.5萬左右(室內(nèi)型人民幣0.2萬以內(nèi))。

3 LoRa系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，維護(hù)比較輕，室內(nèi)型家庭網(wǎng)關(guān)基本可以做到免維護(hù)。網(wǎng)關(guān)具有協(xié)作接收特性，不需要網(wǎng)規(guī)網(wǎng)優(yōu)工作。關(guān)于LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)的對(duì)比在書中5.2.2小節(jié)中有詳細(xì)講解。

從上述討論可知，NB-IoT與LoRa的網(wǎng)關(guān)成本比約為30:1 ~ 50:1關(guān)系。

圖1-30  NB-IoT基站與LoRa基站對(duì)比圖

適用場(chǎng)景分析

智能抄表：電表對(duì)功耗要求不高，兩者都比較適合，但實(shí)際上電表的電磁環(huán)境惡劣，NB-IoT的下行覆蓋能力相對(duì)有限，而LoRa更合適。水表、氣表對(duì)功耗和成本要求極高，LoRa在技術(shù)和成本上有優(yōu)勢(shì)。對(duì)于不愿架設(shè)和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的客戶，NB-IoT更合適。

智慧農(nóng)業(yè)：對(duì)功耗和成本敏感，且一般蜂窩信號(hào)覆蓋不足，LoRa具有優(yōu)勢(shì)。

工業(yè)控制:因現(xiàn)場(chǎng)覆蓋問題，一般更傾向于專網(wǎng)，LoRa具有一定優(yōu)勢(shì)，但NB-IoT也可有用武之地。

資產(chǎn)和人員跟蹤：一般要求廣域覆蓋，所以NB-IoT具有一定優(yōu)勢(shì)；針對(duì)廠區(qū)內(nèi)局域應(yīng)用LoRa則更靈活。

智能建筑：一般為私有網(wǎng)絡(luò)覆蓋，且基于LoRa局域覆蓋則更有針對(duì)性，LoRa具有優(yōu)勢(shì)。

智慧城市：局域性的停車場(chǎng)，LoRa更合適。廣域的路燈、井蓋或移動(dòng)電動(dòng)車等，則依靠運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)實(shí)施起來更簡(jiǎn)單，理論上NB-IoT可能更合適。但對(duì)于較惡劣的環(huán)境，如井蓋有屏蔽環(huán)境，LoRa專網(wǎng)更能解決覆蓋問題。

環(huán)境監(jiān)測(cè):  室外環(huán)境檢測(cè)對(duì)功耗敏感，且很多場(chǎng)景沒有蜂窩信號(hào)覆蓋，LoRa具有優(yōu)勢(shì)。

智能家居:一般都是私有家庭網(wǎng)絡(luò)，NB-IoT無法使用，LoRa只有在一些大型別墅或2.4GHz頻率干擾嚴(yán)重的環(huán)境中具有優(yōu)勢(shì)。

下圖1-31為NB-IoT技術(shù)與LoRa技術(shù)的詳細(xì)對(duì)比，從結(jié)果看各有千秋。不同的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，可以滿足不同的需求和市場(chǎng)。

LoRa在技術(shù)上最適合更低速率、更低功耗及較少下行的應(yīng)用。在垂直應(yīng)用的企業(yè)網(wǎng)和行業(yè)網(wǎng)方面LoRa具有更大靈活性。在今后的發(fā)展中，多LPWAN技術(shù)將百花齊放，共生共存，LoRa在許多方面將與NB-IoT及其他LPWAN技術(shù)互為補(bǔ)充。

圖1-31  NB-IoT技術(shù)與LoRa技術(shù)的詳細(xì)對(duì)比雷達(dá)圖

NB-IoT技術(shù)與LoRa技術(shù)對(duì)比中差別較大的兩個(gè)對(duì)比項(xiàng)為抗多普勒頻移和運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

抗多普勒頻移：其中NB-IoT無法在高速移動(dòng)的環(huán)境中工作。NB-IoT經(jīng)過多次版本更新直到R14版本，其可以支持最高移動(dòng)速度提升至80km/h。而LoRa可以支持的移動(dòng)速度超過第三宇宙速度16.7km/s，地球上任何移動(dòng)的物體都不會(huì)超過這個(gè)速度。在移動(dòng)物體上的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，LoRa具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。具體計(jì)算討論請(qǐng)見書中8.5.1小節(jié)。

運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋：由于國(guó)家無線電規(guī)范以及三大電信運(yùn)營(yíng)商的策略，LoRa的國(guó)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)覆蓋較差，如果需要實(shí)現(xiàn)城市間移動(dòng)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)采用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。

2 LoRa與在短距離無線技術(shù)的對(duì)比

LoRa是為物聯(lián)網(wǎng)而生的長(zhǎng)距離無線技術(shù)，讓它參與短距離技術(shù)對(duì)比相當(dāng)于降維打擊。在傳統(tǒng)的短距離無線通信物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，LoRa技術(shù)的靈敏度比ZigBee、BLE等技術(shù)高20dB以上。

圖1-32所示為多種短距離無線技術(shù)靈敏度與速率對(duì)比圖，也就是說LoRa覆蓋半徑是其他的技術(shù)的10倍以上。

圖1-32  多種短距離無線技術(shù)靈敏度與速率對(duì)比圖

針對(duì)短距離局域網(wǎng)應(yīng)用中的關(guān)鍵點(diǎn)，LoRa與ZigBee、BLE、Wi-Fi的對(duì)比如圖1-33所示。其中，LoRa的優(yōu)勢(shì)還是在工作距離、功耗、網(wǎng)絡(luò)容量和抗干擾；最大的缺點(diǎn)在于帶寬。

圖1-33  LoRa與ZigBee、BLE、Wi-Fi技術(shù)對(duì)比圖

Wi-Fi、NFC和藍(lán)牙技術(shù)由于已經(jīng)進(jìn)入手機(jī)生態(tài)，所以面對(duì)的客戶主要是個(gè)人，這樣就跟與物連接的LoRa技術(shù)的關(guān)系多為合作。2019年Wi-Fi聯(lián)盟和LoRa聯(lián)盟發(fā)布了戰(zhàn)略合作及共同發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃。因?yàn)閆igBee技術(shù)主要是針對(duì)工業(yè)和商業(yè)的應(yīng)用，所以與LoRa在許多應(yīng)用中發(fā)生正面沖突。

LoRa與ZigBeed對(duì)比有如下特點(diǎn):

工作頻率：LoRa的Sub1GHz工作頻率具有傳輸衰減小、繞射能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

頻段干擾：ZigBee工作在2.4GHz，Wi-Fi和藍(lán)牙信號(hào)處于同樣的頻段，頻帶占用和干擾問題嚴(yán)重。LoRa工作頻段干擾較小，且具有噪聲下解調(diào)的超強(qiáng)抗干擾能力。

靈敏度：在智能家居等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，ZigBee靈敏度比LoRa差20dB。

覆蓋范圍：智能樓宇和智能家居應(yīng)用中， ZigBee距離受限，尤其是國(guó)內(nèi)水泥墻的環(huán)境中，需要多個(gè)網(wǎng)關(guān)完成覆蓋。完成同樣的區(qū)域覆蓋（只考慮空間信號(hào)覆蓋），需要ZigBee網(wǎng)關(guān)數(shù)量是LoRa網(wǎng)關(guān)的10倍以上。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：ZigBee與網(wǎng)關(guān)綁定，導(dǎo)致安裝（配對(duì)需要物理按鍵）和后期維護(hù)（網(wǎng)關(guān)故障與更換）成本都很高，靈活性不佳。相比之下LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議輕便很多。

網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性：ZigBee節(jié)點(diǎn)較多時(shí)需要Mesh，存在大量不穩(wěn)定性。LoRa同場(chǎng)景中使用單跳結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性很高。

傳輸速率：ZigBee支持250kb/s固定速率，LoRa Sub1GHz芯片支持可變速率。LoRa在傳輸速率的選擇上靈活度高，但ZigBee最高傳輸速率高于LoRa。

LoRa剛剛進(jìn)入短距離無線應(yīng)用市場(chǎng)，有許多的挑戰(zhàn)正等待著它。由于在常用的近距離局域網(wǎng)無線技術(shù)中，LoRa速率最低且工作頻率最特殊，它可以和其他的技術(shù)有效地合作在一起，尤其是在智能家居領(lǐng)域，如亞馬遜的智能音箱中就使用了LoRa技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的無線連接技術(shù)。