低功耗广域物联网的关键技术与应用

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1、低功耗广域物联网的关键技术与应用明小满沈鑫重庆邮电大学摘要：木文介绍了物联网的发展现状，引出低功耗广域网络(LPWAN)产牛的背景；以NB.oT和LoRa两种技术为代表，分析了低功耗广域物联网的关键技术;对NB,oT和LoRa两种技术的性能进行简单比较，并举例分析了各自的应用场景。关键词：LPWAN;NBIoT;LoRa;引言：随着大数据吋代的到来，各业界都非常认可未来万物互连的趋势。目前，物联网领域的研究已经取得了一定的成绩，女2蓝牙、wifi等技术得到了广泛的应用。但是，这些技术只实现了短距离的通信。为了实现万物互连，低功耗、远距离、低成本、

2、大容量、多连接技术，LPWAN的产生迫切需要。在众多物联网通信技术中，NB_IoT和LoRa技术备受关注，木文以这两种技术为代表，对LPWAN技术展开讨论。一、物联网技术的发展现状物联网技术的研究，目前在智能家居、工业数据采集等短距离通信领域都有所建树。伴随着移动通信技术的发展，全球电信运营商已经构建了覆盖全球的移动蜂窝网络。但是，若将移动蜂窝通信技术应用到物联网中，设备功耗大、成本高。为了适应万物互联的发展趋势，低功耗、远距离、低成本、大容量的物联网连接技术LPWAN(LowPowerWideAreaNetwork)应运而生。目前，对于LPWA

3、N技术的研究，呈现百家争鸣的状态。大体上可分为两大方向：一是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术；另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的NB_ToT、EMTC等技术。本文选取LoRa和NB_ToT为代表进行阐述。二、LoRa和NB_IoT的关键技术分析1.LoRa的技术简介LoRa的全称是“LongRang",是一种基于扩频技术的低功耗长距离无线通信技术，主要面向物联网，应用于电池供电的无线局域网、广域网设备。这种技术的主要特点有:长距离通信，通信范围在1到20km;多连接，节点数目达万级，甚至百万级；电池寿命长，可用3至10年;数据

4、传输速率低。本节从低功耗、远距离覆盖表现对LoRa进行分析。1.1LoRa终端节点通信特点LoRa终端节点通常采用SX1276/77/78收发器，主要应用LoRa远程调制解调器，用于超长距离扩频通信，抗干扰能力强，能够最大程度降低能耗。LoRa技术借助升特公司的LoRa专利调制技术，采用低成本的晶体和物料就可获得超过-148dB的高灵敏度；另一方面，高灵敏度与+20dBm功率放大器的集成使得这些器件的链路预算达到行业领先水平，成为远距离传输和对可靠性要求较高的最佳选择。与传统的通信技术不同，LoRa并不是通过提高发射功率来增加通信距离的，反而其发

5、射功率较低。其发射功率低的原因，一是其发射频率低，信号波长比较长,在传播过程中产生的衰落比较小；另一方而是，Lo阳采用扩频技术，使信号的抗衰弱、抗多径能力比较强;再就是，终端节点在通信过程中的电流比较小，接收电流低至10mA,睡眠电流也仅为200uA,很大程度上降低了终端节点的能耗。1.2LoRa通信协议的特点LoRa通信遵守LoRaJVAN通信协议，这种协议是一种基于ALOHA的异步协议，可根据具体的应用场景进行或长或短的睡眠调节。LoRa节点长期处于休眠状态，当有上行链路请求时，才会进入激活状态，与网关进行数据交互，实现上行数据的发送；当有下

6、行数据请求吋，网关会向该节点发送激活代码，告知LoRo终端节点，在网关处有其下行数据，随后终端节点进入激活状态，进行下行数据的接收。在完成数据的上下行发送之后，终端节点将会重新进入休眠状态，减少不必要的能耗，增加终端节点的寿命。另外，LoRa支持ADR(AdaptiveDataRate),能自动根据距离进行数据速率的自适应调整，在保证数据的传输情况下，最大化网关覆盖范围，提升传输速率与可靠性。2.NB_IoT技术简介“NBIoT”的全称为"NarrowbandInternetofThings”,是一种基于蜂窝网络*勾建的低速率窄带物联网通信技术。

7、与LoRa不同的是，它工作在授权频谱下；并口只需要消耗180KHZ左右的带宽，就可以进行GSM网络、UMTS网络以及LTE网络的设计和部署。在性能方面，与其他低功耗广域物联网技术类似，都展现出低功耗、强覆盖和大容量的优势。但在关键技术上又与其他技术有区别。本小节就NB_IoT技术的部署方式、低功耗特性进行分析。1.1灵活部署、窄带、低速率、低成木、高容量仃)支持3种部署方式:独立部署、保护带部署、带内部署。独立部署:可以利用单独的频带，适用于GSM频带的重耕;保护带内部署:可以利用LTE系统中边缘无用频带;带内部署:可以利用LTE载波中的任何资源

8、。(2)RF带宽ISOKhzo(上行/下行)(3)下行:0FDMA,子载波间隔15Khzo(4)上行:SC_FDMA,single_to