低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

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1、低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用明小滿沈鑫重慶郵電大學(xué)摘要：木文介紹了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀，引出低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)(LPWAN)產(chǎn)牛的背景；以NB.oT和LoRa兩種技術(shù)為代表，分析了低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù);對(duì)NB,oT和LoRa兩種技術(shù)的性能進(jìn)行簡(jiǎn)單比較，并舉例分析了各自的應(yīng)用場(chǎng)景。關(guān)鍵詞：LPWAN;NBIoT;LoRa;引言：隨著大數(shù)據(jù)吋代的到來(lái)，各業(yè)界都非常認(rèn)可未來(lái)萬(wàn)物互連的趨勢(shì)。目前，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了一定的成績(jī)，女2藍(lán)牙、wifi等技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。但是，這些技術(shù)只實(shí)現(xiàn)了短距離的通信。為了實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互連，低功耗、遠(yuǎn)距離、低成本、

2、大容量、多連接技術(shù)，LPWAN的產(chǎn)生迫切需要。在眾多物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)中，NB_IoT和LoRa技術(shù)備受關(guān)注，木文以這兩種技術(shù)為代表，對(duì)LPWAN技術(shù)展開(kāi)討論。一、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究，目前在智能家居、工業(yè)數(shù)據(jù)采集等短距離通信領(lǐng)域都有所建樹(shù)。伴隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，全球電信運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)構(gòu)建了覆蓋全球的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)。但是，若將移動(dòng)蜂窩通信技術(shù)應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)中，設(shè)備功耗大、成本高。為了適應(yīng)萬(wàn)物互聯(lián)的發(fā)展趨勢(shì)，低功耗、遠(yuǎn)距離、低成本、大容量的物聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)LPWAN(LowPowerWideAreaNetwork)應(yīng)運(yùn)而生。目前，對(duì)于LPWA

3、N技術(shù)的研究，呈現(xiàn)百家爭(zhēng)鳴的狀態(tài)。大體上可分為兩大方向：一是工作于未授權(quán)頻譜的LoRa、SigFox等技術(shù)；另一類(lèi)是工作于授權(quán)頻譜下，3GPP支持的NB_ToT、EMTC等技術(shù)。本文選取LoRa和NB_ToT為代表進(jìn)行闡述。二、LoRa和NB_IoT的關(guān)鍵技術(shù)分析1.LoRa的技術(shù)簡(jiǎn)介L(zhǎng)oRa的全稱是“LongRang",是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的低功耗長(zhǎng)距離無(wú)線通信技術(shù)，主要面向物聯(lián)網(wǎng)，應(yīng)用于電池供電的無(wú)線局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)設(shè)備。這種技術(shù)的主要特點(diǎn)有:長(zhǎng)距離通信，通信范圍在1到20km;多連接，節(jié)點(diǎn)數(shù)目達(dá)萬(wàn)級(jí)，甚至百萬(wàn)級(jí)；電池壽命長(zhǎng)，可用3至10年;數(shù)據(jù)

4、傳輸速率低。本節(jié)從低功耗、遠(yuǎn)距離覆蓋表現(xiàn)對(duì)LoRa進(jìn)行分析。1.1LoRa終端節(jié)點(diǎn)通信特點(diǎn)LoRa終端節(jié)點(diǎn)通常采用SX1276/77/78收發(fā)器，主要應(yīng)用LoRa遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器，用于超長(zhǎng)距離擴(kuò)頻通信，抗干擾能力強(qiáng)，能夠最大程度降低能耗。LoRa技術(shù)借助升特公司的LoRa專(zhuān)利調(diào)制技術(shù)，采用低成本的晶體和物料就可獲得超過(guò)-148dB的高靈敏度；另一方面，高靈敏度與+20dBm功率放大器的集成使得這些器件的鏈路預(yù)算達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平，成為遠(yuǎn)距離傳輸和對(duì)可靠性要求較高的最佳選擇。與傳統(tǒng)的通信技術(shù)不同，LoRa并不是通過(guò)提高發(fā)射功率來(lái)增加通信距離的，反而其發(fā)

5、射功率較低。其發(fā)射功率低的原因，一是其發(fā)射頻率低，信號(hào)波長(zhǎng)比較長(zhǎng),在傳播過(guò)程中產(chǎn)生的衰落比較??；另一方而是，Lo陽(yáng)采用擴(kuò)頻技術(shù)，使信號(hào)的抗衰弱、抗多徑能力比較強(qiáng);再就是，終端節(jié)點(diǎn)在通信過(guò)程中的電流比較小，接收電流低至10mA,睡眠電流也僅為200uA,很大程度上降低了終端節(jié)點(diǎn)的能耗。1.2LoRa通信協(xié)議的特點(diǎn)LoRa通信遵守LoRaJVAN通信協(xié)議，這種協(xié)議是一種基于ALOHA的異步協(xié)議，可根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行或長(zhǎng)或短的睡眠調(diào)節(jié)。LoRa節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期處于休眠狀態(tài)，當(dāng)有上行鏈路請(qǐng)求時(shí)，才會(huì)進(jìn)入激活狀態(tài)，與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)上行數(shù)據(jù)的發(fā)送；當(dāng)有下

6、行數(shù)據(jù)請(qǐng)求吋，網(wǎng)關(guān)會(huì)向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送激活代碼，告知LoRo終端節(jié)點(diǎn)，在網(wǎng)關(guān)處有其下行數(shù)據(jù)，隨后終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入激活狀態(tài)，進(jìn)行下行數(shù)據(jù)的接收。在完成數(shù)據(jù)的上下行發(fā)送之后，終端節(jié)點(diǎn)將會(huì)重新進(jìn)入休眠狀態(tài)，減少不必要的能耗，增加終端節(jié)點(diǎn)的壽命。另外，LoRa支持ADR(AdaptiveDataRate),能自動(dòng)根據(jù)距離進(jìn)行數(shù)據(jù)速率的自適應(yīng)調(diào)整，在保證數(shù)據(jù)的傳輸情況下，最大化網(wǎng)關(guān)覆蓋范圍，提升傳輸速率與可靠性。2.NB_IoT技術(shù)簡(jiǎn)介“NBIoT”的全稱為"NarrowbandInternetofThings”,是一種基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)*勾建的低速率窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)。

7、與LoRa不同的是，它工作在授權(quán)頻譜下；并口只需要消耗180KHZ左右的帶寬，就可以進(jìn)行GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)以及LTE網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和部署。在性能方面，與其他低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)類(lèi)似，都展現(xiàn)出低功耗、強(qiáng)覆蓋和大容量的優(yōu)勢(shì)。但在關(guān)鍵技術(shù)上又與其他技術(shù)有區(qū)別。本小節(jié)就NB_IoT技術(shù)的部署方式、低功耗特性進(jìn)行分析。1.1靈活部署、窄帶、低速率、低成木、高容量仃)支持3種部署方式:獨(dú)立部署、保護(hù)帶部署、帶內(nèi)部署。獨(dú)立部署:可以利用單獨(dú)的頻帶，適用于GSM頻帶的重耕;保護(hù)帶內(nèi)部署:可以利用LTE系統(tǒng)中邊緣無(wú)用頻帶;帶內(nèi)部署:可以利用LTE載波中的任何資源

8、。(2)RF帶寬ISOKhzo(上行/下行)(3)下行:0FDMA,子載波間隔15Khzo(4)上行:SC_FDMA,single_to