基于LoRa的物联网技术分析

摘要

M2M 杂志预测 2013 年中国将成为全球最大的无线终端市场。 由于耗电和成本等方面的问 题，业界预测到 2020 年物联网（IOT）500 亿个无线节点中只有不到 10%的使用 GSM 技术。尽管电信运营商具有建设和管理这样一个大规模网络的最突出的优势，但是需要一个远距离，大 容量的系统以巩固在依靠电池供电的无线终端细分市场——无线传感网、智能城市、智能电网、智能家居、安防设备和工业控制等方面的地位。对于物联网来说，只有使用一种广泛的技术，才可能使得电池供电的无线节点数量达到预计的规模。目前，物理层的硬件性能是物联网节点迈向 500 亿规模的瓶颈，而软件、安全、云计算、用户接口等方面都已经成熟。Semtech公司推出的应用于低成本传感网的解决方案 LoRa 使用新型的扩频调制技术，大大提升了物理层硬件的性能，并且在省电方面相比 GSM 和传统的 Sub-GHz 技术有了明显的改进。具备低成本、延长电池寿命、易于建设和部署、远距离通信等优势。另外，LoRa 的测距和定位功能将推动物联网在更多方面的大规模应用。

一、背景概述

2013 年 8 月，Semtech 公司向业界发布了一种新型的，基于 1GHz 以下的超长距低功耗数 据传输技术（简称 LoRa）的芯片。其接受灵敏度达到了惊人的-148dbm，与业界其他先进水平 的 sub-GHz 芯片相比，最高的接收灵敏度改善了 20db 以上，其功耗极低且不需要使用昂贵的 温补晶振（TCXO） ，引起了极大的关注。 由于该产品使用一种特殊的扩频技术， 这使得不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同 时发送也不会相互干扰。在此基础上研发的集中器/网关（Concentrator/Gateway）能够并行接 收并处理多个节点的数据， 大大扩展了系统容量。基于该技术的测距和定位功能将会推动它在 物联网领域的大规模应用。

二、关键技术和研究项目

目前 LoRa 和集中器的核心技术主要有以下几个方面：

1、新型扩频技术大大改善接收的灵敏度

高达 157db 的链路预算使其通信距离可达 15 公里（与环境有关）。其接收电流仅 10mA， 睡眠电流<200nA，这大大延迟了电池的使用寿命。

表 1 LORA 技术适用于物联网应用部署的关键特性

2、网关/集中器支持多信道多数据速率的并行处理，系统容量大

网关是节点与 IP 网络之间的桥梁（通过 2G/3G/4G 或者 Ethernet）。每个网关每天可以处 理 500 万次各节点之间的通信（假设每次发送 10Bytes，网络占用率 10%） 。如果把网关安装在 现有移动通信基站的位置，发射功率 20dBm，（100mW） ，那么在搞建筑密集的城市环境可以 覆盖 2 公里左右，而在密度较低的郊区，覆盖范围可达 10 公里。该网关/集中器还包含 MAC 层协议，对于高层它是透明的。

3、基于终端和集中器/网关的系统可以支持测距和定位

LoRa 对距离的测量是基于信号的空中传输时间而非传统的 RSSI（Received Signal Sterngth Indication） ，而定位则基于多点（网关）对一点（节点）的空中传输时间差的测量。其定位精 度可达 5m（假设 10km 的范围）。

三、LoRa 方案对中国移动的价值分析

1、适用于物联网的技术特征

LoRa 技术在高性能、远距离、低功耗，支持大规模组网，测距和定位等方面突出的特点， 这使得该方案（终端+网关）成为物联网大规模推广应用的一种理想的技术选择。

2、部署方便快捷

现有 2G/3G/4G 网络是固定协议的网络，相同协议的终端可以很方便的加入到这个网络中来， 基于 LoRa 的物联网方案也可以使用相同的商业运行模式。对于中国移动来说，只需要在现有 的基站的位置安装网关（集中器）和一个 Ethernet 连接即可。这种物联网方案成本低，耗电低 且不需要申请 license（免 license 频段）,这将成为现有蜂窝网络在新兴的物联网市场方面的有 力补充。

图 1 LORA 网关可直接安装部署在已有基站上

3、中国移动在产业链中所处的位置

底端的RFIC 芯片和支持 MAC 层协议的 LORA 网关/集中器可由硬件厂商提供， 而完整的应 用软件可有软件提供商（比如 IBM、ORACLE 等）提供。中国移动处在产业链的最顶端，有利 于引导产业链的支持和整合。目前，法国运营商已经在 5000 座基站上布置了 LORA 网络，并 且在定位技术准备就绪后，将会立即扩展到 15000 个基站。其六大合约用户在三年内将会有1500 万个设备接入到网络。启用将会自己消化节点/终端的成本，运营商只需要投入基站端的 建设。假设第一年投入 1000 万美元，这样一个规模的网络第二年即可赚取 1000 万美元，第三 年可赚取 6000 万美元。 根据中国移动现有的网络规模推算， 这将产生客观的经济和社会效益。

图 2 产业链结构

四、启示与建议

基于 LORA 方案（节点+网关）在物联网解决方案上的特点和优势，建议中国移动积极参与并 维持继续跟进该技术的相关项目，包括：1） 深入了解 LORA 网关/集中器在物联网应用中的功能和角色， 了解其商业模式， 及输出成果， 为中国移动的物联网解决方案建设提供有效技术参考。2）选择一定数量的现有基站做试点，测试该解决方案的性能，距离及功耗（终端） 。了解客户 需求，选择并定义具体的应用及其要求。 3）引导并整合产业链的相关合作伙伴，合作推动整个应用平台建设。根据客户的要求和反馈 改进并优化应用平台。 4） 选择试点的城市和范围，展开一定的实验局进行规模的试用测试。为下一步的部署做好充 分的技术准备。 5） 要注意观察该物联网解决方案对现有依托的 2G/3G/4G 的方案影响，让他们真正做到互利 互补。在参与基于 LORA 的物联网建设的相关工作中，中国移动需深入了解并消化吸收心技术 本身，充分评估心方案带来的便利和效益，在物联网产业链中进一步巩固自身的地位和优势。