一项基于低功耗广域技术的调查：LoRa和NB-IoT外文翻译资料

 2022-05-24 21:20:44

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一项基于低功耗广域技术的调查：LoRa和NB-IoT

摘要

到2020年，将有超过250亿台设备通过无线通信连接。 按照快速增长物联网（IoT）市场，低功耗广域（LPWA）技术已经变得流行起来。 在各种LPWA技术中，窄带（NB）-IoT和远距离（LoRa）是两项主要技术。 在本文中，我们提供了关于NB-IoT和LoRa高效的综合调查连接设备的解决方案。结果表明，未经许可的LoRa在电池寿命，容量和成本方面具有优势。与此同时，许可的NB-IoT在QoS，延迟，可靠性和范围方面提供了好处。

关键词：低功耗广域; NB-IoT; LoRa; mMTC; 物联网

  1. 引言
    在过去的几十年里，人类已经发生了巨大的变化随着工业革命的爆发。 第四产业革命是新一代电线电缆的时代，较少的通信能够实现普遍的连接机器和物体[1]。 在2020年以前，通信系统将会需要支持超过二百五十亿个连接的设备，如图1所示。[2] 预计第五代（5G）无线移动通信将提供让全人类和人类的世界相通的手段，[1]。 出现的主要问题是5G如何发展以应对2020年的挑战。5G被分为三种通用服务，即极端移动宽带
    （xMBB），大规模机器通信（mMTC）和超可靠的机器型通信（uMTC），如图2。[1]

    xMBB提供极高的数据速率，范围为Gbps。 例如，考虑一个拥挤的体育场，所有用户都希望通过增强现实技术在其设备上享受正在进行的3D比赛。 uMTC处理超可靠且省时的设备。 例如，考虑行人与车上通勤者相关的安全性。 另一种类型的uMTC是用于工厂制造的可靠通信。 例如，在组装产品的垂直行业装配线上，监视器在传感器的帮助下需要低端到端延迟，并具有99.99％的可靠性。 mMTC使5G服务能够提高能效。 如今，传感器和执行器广泛用于以人机为中心的通信。 研究案例是面向mMTC的安全监控，智能家居，智能建筑和智能环境。

    事物被定义为可以识别并集成到通信网络中的对象。 事物将静态和动态信息联系起来。 随着物联网（IoT）的发展，当今许多行业可以找到越来越多的实际应用。 不同的应用领域有特定的要求和考虑，这意味着需要不同的技术。 广泛安装的短距离无线连接（例如蓝牙和ZigBee）不适用于需要低带宽的长距离性能的场景。 基于蜂窝技术的M2M解决方案可以提供较大的覆盖范围，但它们消耗的功率过大。 物联网提供了一个更好的解决方案来处理大量不断发展的设备，这些设备具有覆盖范围，可靠性，延迟和成本效益等基本要求。

    低功耗，大范围（LPWA）技术瞄准这些新兴应用和市场。 LPWA是一组通用术语，用于以更低的成本点和更好的功耗实现广域通信[3]。 它非常适合仅需要传输远距离小量信息的物联网应用。 就在2013年初，“LPWA”这个词甚至不存在[3]。 然而，随着物联网市场迅速扩张，LPWA成为物联网中发展较快的空间之一。 图3中描述的许多LPWA技术都出现在许可和未许可市场，例如LTE-M，SigFox，长距离（LoRa）和窄带（NB-IoT）。 其中，LoRa和NB-IoT是两大领先的应急技术，涉及技术上的差异很多。

    因此，本文在物理特性，网络结构和MAC协议方面比较和描述了LoRa和NB-IoT的技术差异。 此外，我们还会根据IoT因素（如服务质量（QoS），电池寿命和延迟，网络覆盖范围和部署模型以及成本）对它们进行比较。 此外，我们考虑应用场景并解释他们在韩国，日本和中国的现状。 最后，我们总结并展示我们的结论。

  2. 技术区别
    2.1 物理特性
    LoRa是当前市场上的一种新兴技术，在低于1 GHz的非授权频段内运行，用于长距离通信链路操作。 LoRa是专有的扩频调制方案，它是Chirp扩频调制（CSS）的衍生产品，可在固定信道带宽内交换灵敏度的数据速率。 CSS在20世纪40年代开发，传统上用于军事应用，因为它具有很长的通信距离和干扰稳健性。 LoRa是其首次用于商业用途的低成本实施。 LoRa这个名字来源于其远程能力的优势，它受益于扩频调制方案提供的长链路预算。

    为此，LoRaWAN网络在基站中应用自适应调制技术和多通道多调制解调器收发器，以从信道接收多个消息。 通过对单个信号使用唯一的扩频因子，扩频提供信号之间的正交分离。 该方法在管理数据速率方面提供了优势。 LoRa调制技术[5]中要求的数据比特率与Chirp速率和符号率之间的关系定义如下。
    LoRa调制比特率为：
    为扩频因子，为调制带宽（Hz），由公式可知与成正比。

    NB-IoT是由3GPP作为版本13的一部分而建立的一项新的物联网技术。虽然它被集成到LTE标准中，但它可以被视为一种新的空中接口[6]。 它尽可能简单，以降低设备成本并最大限度地降低电池消耗，从而消除了LTE的许多功能，包括切换，测量以监测信道质量，载波聚合和双连接。 它使用与LTE中使用的频率相同的许可频段，并采用QPSK调制。 存在不同的频带部署，如图4所示，它是独立的，保护带和带内部署。下行链路使用OFDM时有12个子载波，下行使用15 kHz，使用SC-FDMA。 NB-IoT的上行频率和下行频率定义如下：
    为NB-IoT信道号码与上行链路的偏移，
    为NB-IoT信道号码与下行链路的偏移，
    为上行工作频段，
    为下行工作频段，
    为上行E-UTRA绝对射频信道号（EARFCN），
    为下行E-UTRA绝对射频信道号（EARFCN），
    为上行链路的最小范围，
    为下行链路的最小范围

    NB-IoT采用GSM频率，带宽为200 kHz，保护频带为10 kHz，独立运行，而未使用的保护频带和LTE载波的资源块分别用于保护频带操作和带内操作[6,7]

    2.2 网络结构
    LoRaWAN定义了通信协议和系统架构，而LoRa定义了物理层[8]。 LoRaWAN使用远程星型架构（如图5所示），其中网关用于在终端设备和中央核心网络之间中继消息。在LoRaWAN网络中，节点不与特定网关关联。相反，节点传输的数据通常由多个网关接收。每个网关将通过一些回程（蜂窝，以太网，卫星或Wi-Fi）将收到的数据包从终端节点转发到基于云的网络服务器。终端设备（即传感器和应用）通过单跳LoRa通信与一个或多个网关通信，而所有网关都通过标准IP连接连接到核心网络服务器。网络服务器具有所需的智能，用于过滤来自不同网关的重复数据包，检查安全性，向网关发送ACK以及将数据包发送到特定应用程序服务器。由于网络可以在不同网关传输的信息中选择最佳质量信息，因此不需要切换或切换。如果一个节点是移动或移动的，那么不需要从网关到网关的切换，这是启用垂直物联网主要目标应用程序资产跟踪应用程序的关键功能。通过使用网状网络，系统可以增加网络的通信范围和单元尺寸，但会牺牲设备的电池寿命。

    NB-IoT核心网基于演进分组系统（EPS），并且定义了两种用于蜂窝物联网（CIoT）的优化，用户平面CIoT EPS优化和控制平面CIoT EPS优化，如图6 两个平面为控制和用户数据分组选择最佳路径，用于上行和下行数据。 所选平面的优化路径对于由移动台生成的数据包是灵活的。

    NB-IoT用户的小区接入过程与LTE类似。 在控制平面CIoT EPS优化上，演进的UMTS地面无线电接入网络（E-UTRAN）处理UE与MME之间的无线电通信，并且由称为eNodeB或eNB的演进型基站组成。 然后，通过服务网关（SGW）将数据发送到分组数据网络网关（PGW）。 对于非IP数据，它将被转移到新定义的节点服务能力暴露功能（SCEF）中，该功能可以通过控制平面传送机器类型数据并为服务提供抽象接口。 通过用户面CIoT EPS优化，IP和非IP数据可以通过无线承载通过SGW和PGW传输到应用服务器。 总之，对于NB-IoT，现有的E-UTRAN网络架构和骨干网可以重复使用。 LoRaWAN网络体系结构更简单，但网络服务器更复杂。


    2.3 MAC协议
    根据网络下行链路通信延迟与电池寿命之间的折衷关系，LoRaWAN网络中的终端节点可以分为三种不同的设备类别，如图7所示。另外，为这三种设备设计了三种不同的MAC协议，如图8所示.A类终端设备是电池供电的传感器。 它拥有最长的电池寿命，并且必须得到所有其他设备的支持。Class-A的功能如图8（a）所示，第一个接收窗口在上行链路调制结束后经过接收延迟时长后到来。 第二个时隙在上行链路调制结束后经过接收延迟时长后到来。接收器保持有效，直到下行链路帧被解调。 B类终端设备是电池供电的执行器。 所有终端设备作为A类终端设备启动并加入网络，然后可以决定切换到B类[9]。 如图8（b）所示，网关在常规信标延迟上发送信标以同步网络中的所有终端设备。 当终端设备接收到信标时，它可以在周期性时隙期间预测地打开称为“ping时隙”的短接收窗口。 C类终端设备是主要的动力执行器。 与其他两个类别相比，它在下行链路通信中具有最小延迟。 对于图8（c）中的C类设备，终端设备不仅打开两个接收窗口作为A类，而且还打开一个连续接收窗口，直到传输结束。 这些类设备用于具有足够功率的应用，因此不需要最小化接收时间窗[10]。

    用于NB-IoT的协议栈是LTE的通用基础协议栈，其被减少到最小并且被增强以用于从未使用的LTE的开销中重新使用和防止NB-IoT [6]。 NB-IoT协议栈被认为是LTE的新型空中接口。 如图9所示，NB-IoT协议结构被分为控制平面和用户平面。 分组数据汇聚协议（PDCP）来自层2（L2），大小为1600字节。协议栈的非接入层（NAS）在UE和核心网络之间传递非无线电信号。 NAS执行认证，安全控制，移动性管理和承载管理。 接入层（AS）是NAS之下的一层，在UE和无线网络之间起作用。 它用于管理NB-IoT中的无线电资源。 无线电资源控制（RRC）层通过用户平面的挂起/恢复操作使信令最小化。 L2安全提供了UE与核心网络之间NAS信令和认证的加密。 连接模式下用户的移动性管理属于此协议。 对于NB-IoT，随机接入信道（RACH）过程始终是基于竞争的，并且始于发送前导码[11]。 如果前导码传输失败，则UE将重传，直到重传次数达到最大数量，这取决于CE级别仍然没有成功。 然后，UE将进入下一个CE级别。 如果eNB成功接收到前导码，则eNB将向UE发送关联的随机接入响应。 之后，传输预定消息msg3，以启动争用解决过程。 当相关联的争用解决消息被发送到UE时，RACH过程完成。 图10显示了此过程的消息流程。
  3. 在物联网因素方面的比较

    当我们选择适合物联网应用的技术时，应考虑许多因素，包括服务质量，延迟，电池寿命，覆盖范围，部署模型和成本。 本文的其余部分将会根据这些因素的技术差异比较LoRa和NB-IoT。

    3.1 服务质量（QoS）
    LoRa使用未经许可的频谱，是一种异步协议。 基于CSS调制的LoRa可以处理干扰，多径和衰落，但无法提供与NB-IoT所能提供的QoS相同的QoS。 这是因为NB-IoT使用授权频谱，并且其时隙同步协议对于QoS是最佳的。 但是，QoS的这个优点是以牺牲成本为代价的。 亚GHz频谱的许可频段频谱拍卖通常每兆赫兹超过5亿美元[8]。 由于QoS和高频谱成本之间的折衷，需要QoS的应用程序更喜欢NB-IoT，而不需要高QoS的应用程序应选择LoRa

    3.2 电池寿命及延迟
    在LoRaWAN中，设备可以随着应用程序的需要尽可能少地休眠，因为它是基于ALOHA的异步协议。 在NB-IoT中，由于频繁但常规的同步，该设备消耗额外的电池能量，并且OFDM或FDMA需要更多的线性发射机峰值电流。 电流值如表2所示。这些额外的能量需求决定了NB-IoT的设备电池寿命比基于LoRa的设备短。 另一方面，这些需求为NB-IoT提供了低延迟和高数据速率的优势。 因此，对于那些对延迟不敏感并且没有大量数据发送的应用，LoRa是最佳选择。 对于要求低延迟和高数据速率的应用，NB-IoT是更好的选择。

    3.3 网络覆盖及范围
    LoRa的主要利用优势是整个城市可以被一个网关或基站覆盖。 例如，比利时是一个总面积约30500平方公里的国家，LoRa网络覆盖整个国家，大概需要七个基站。

    NB-IoT主要关注安装在远离正常范围的地方的MTC类设备。 因此，覆盖范围不应低于23 dB [6]。 NB-IoT的部署仅限于4G / LTE基站。 因此，它不适用于没有4G覆盖的农村或郊区。 LoRaWAN生态系统的一个重要优势是其灵活性。 LoRaWAN可能拥有比NB-IoT网络更广的网络覆盖范围。 最大耦合损耗（MCL）是服务可以交付的耦合损失的限制值，因此它定义了服务的范围[12]。 表3列出了MCL以及NB-IoT和LoRaWAN的范围

    3.4 部署模型
    NB-IoT可以通过重用和升级现有的蜂窝网络进行部署，但其部署仅限于蜂窝网络支持的区域。 NB-IoT规范于2016年6月发布，因此需要额外时间才能建立NB-IoT网络。 另一方面，LoRa组件和LoRaWAN生态系统现在已经趋于成熟和生产，尽管全国范围的部署仍处于推广阶段[13]

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