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LoRa 對比 NB-IoT

文字:[大][中][小] 2017-3-28    瀏覽次數:2847    

一、引言
物聯網應用需要考慮許多因素,例如節點成本,網絡成本,電池壽命,數據傳輸速率(吞吐率),延遲,移動性,網絡覆蓋范圍以及部署類型等。可以說沒有一種技術可以滿足IoT所有的需求。NB-IoT和LoRa兩種技術具有不同的技術和商業特性,所以在應用場景方面會有不同。這里會針對二者的區別進行闡述,并且對各自適合的應用場景進行說明。


目前從產業的發展來看,已經形成了由芯片、模組、終端、通訊設備、平臺、運營商和應用這七大環節組成的完整產業鏈,小編搜集了一張NB-IoT和LoRa在各環節的市場集中度的對比圖,就讓我們從這個視角一起去看看兩者有何不同。

二、頻段,服務質量和成本
LoRa工作在1GHz以下的非授權頻段,故在應用時不需要額外付費。NB-IoT和蜂窩通信使用1GHz以下的授權頻段。處于500MHz和1GHz之間的頻段對于遠距離通信是最優的選擇,因為天線的實際尺寸和效率是具有相當優勢的。
LoRaWAN使用免費的非授權頻段,并且是異步通信協議,對于電池供電和低成本是最佳的選擇。LoRa 和 LoRaWAN 協議,在處理干擾、網絡重疊、可伸縮性等方面具有獨特的特性,但卻不能提供像蜂窩協議一樣的服務質量(QoS)。據悉授權的Sub-GHz頻段的競拍,每MHz價格超過5億美金。蜂窩網絡和NB-IoT出于對服務質量(QoS)的考慮,并不能提供類似LoRa一樣的電池壽命。由于QoS和高昂的頻段使用費,需要確保QoS的應用場景推薦使用蜂窩網絡和NB-IoT,而低成本和大量連接是首選項的話LoRa是不錯的選擇,如下圖。

三、電池壽命和下行延遲
蜂窩網絡設計的理念是最優的頻段利用率,相應的就犧牲了節點成本和電池壽命。相反,LoRaWAN節點是為了低成本和長電池壽命而生,在頻段利用率方面有一定的欠缺。 
關于電池壽命方面有兩個重要的因素需要考慮,節點的電流消耗(峰值電流和平均電流)以及協議內容。LoRaWAN是一種異步的基于ALOHA的協議,也就是說節點可以根據具體應用場景需求進行或長或短的睡眠,而蜂窩等同步協議的節點必須定期地聯網。例如,現在市面上的手機工作時每1.5s必須與網絡進行同步。在NB-IoT中,這種同步變少但是仍然在定期進行,這樣就額外的消耗了電池的電量。 
在蜂窩網絡中調制是充分利用頻段的有效手段,但是從節點的角度這并不是有效的。蜂窩的調制(OFDM或者FDMA)需要一個線性的發射器來產生調制信號,而一個線性的發射器需要的峰值電流比非線性調制多幾個數量級,越高的峰值電流會消耗電池更多的電量。 
但同步的通信協議在較短的下行延遲方面具有優勢,同時NB-IoT可以為需要大量數據吞吐量的應用提供快速的數據傳輸速率。而LoRaWAN的Class B 通過定期地(編程實現)喚醒終端以收取下行消息而縮短了下行通信的延遲。 
所以對于需要頻繁通信、較短的延遲或者較大數據量的應用來說NB-IoT或許是更好的選擇,而對于需要較低的成本、較高的電池壽命和通信并不頻繁的場景來說LoRa更好。


四、網絡覆蓋和部署時間表
節點工作的本質需求是網絡的覆蓋,對于NB-IoT來說一個明顯的優勢是可以通過升級現有的網絡設施來提供網絡部署,但是這種升級僅限于某些特定的4G/LTE基站,并且花費較高。并且這種升級僅適于已經具有4G/LTE覆蓋的城區,對于偏遠或者郊區等沒有4G覆蓋的來說并不合適。NB-IoT標準在16年6月公布,預計模塊將于17年上半年量產發布。除網絡部署之外,相應的商業化和產業鏈的建立還需要更長的時間和努力去探索,但是市場需求和機會是否會等待呢?
LoRa的整個產業鏈相對已經較為成熟了,產品也處于“蓄勢待發”的狀態,同時全球很多國家正在進行或者已經完成了全國性的網絡部署。LoRa產業鏈一個突出優點是每個環節的成員都掌握著自主性,一些大公司正在計劃創造一種混合型的商業模型來部署網絡和應用。但NB-IoT產業鏈會受到頻段、運營商等限制。

五、設備成本,網絡成本和混合模型
對終端節點來說,LoRaWAN協議比NB-IoT更簡單,更容易開發并且對于微處理器的適用和兼容性更好。NB-IoT的調制機制和協議比較復雜,這就需要更復雜的電路和更多的花費,同時NB-IoT和3GPP一樣是要收稅的。現階段對于一部手機的稅費大概是5美元,但這對于物聯網設備來說顯得太昂貴了,而且如果貿然的降低稅費會引起手機等移動通信市場的價格混亂。所以3GPP組織如何權衡IoT和移動通信兩方面稅費問題也個大問題。
低成本、技術相對成熟的LoRa模塊已經可以在市場上找到了,并且升級版還會接踵而至。LoRa聯盟沒有過多版權和稅費的限制使得在LoRa產業鏈下模塊低于4美元是十分可觀的。現在市場上的LoRa模塊價格一般在7-10美元,但是隨著技術的成熟度提高4-5美元并不是大問題。而現在一個LTE模塊的價格卻很難低于20美元。
相對于傳統的只依靠“鐵塔”部網,對于IoT和LPWAN來說部署需要使用不同模型以降低支出和運營成本。LoRaWAN部署花費更少,因為可以利用傳統的信號塔、工業基站甚至是便攜式家庭網關來進行。現階段一個塔式的基站價格大概是1000美元,工業基站價格低于500美元,而家庭式的網關只需要100美元左右。但是對于NB-IoT來說,升級現有的4G LTE基站的價格保守估計每個不少于15000美元。

六、應用舉例
如之前提到的,沒有一種技術可以同時滿足IoT應用的所有需求。下面將通過幾個具體的應用實例來分析NB-IoT 和LoRa 各自適合的應用場景。

A:智能電表
在智能電表領域相關的公司和部門需要高速率的數據傳輸、頻繁的通信和低延遲。由于電表是由電源供電的,所以并沒有超低功耗和長電池使用壽命的需求。并且還需要對線網進行實時監控以便發現隱患時及時處理。LoRaWAN的ClassC可以實現低延遲,但是對于高傳輸速率和頻繁通信的需求NB-IoT是更適合于智能電表的選擇。并且電表一般安裝在人口密集的地區的固定位置,所以對于運營商部網也較為容易。

B:智慧農業
對農業來說,低功耗低成本的傳感器是迫切需要的。溫濕度、二氧化碳、鹽堿度等傳感器的應用對于農業提高產量、減少水資源的消耗等有重要的意義,這些傳感器需要定期地上傳數據。LoRa十分適用于這樣的場景。而且很多偏遠的農場或者耕地并沒有覆蓋蜂窩網絡,更不用說4G/LTE了,所以NB-IoT并不如LoRa一樣適合于智慧農業。

C:自動化制造
工廠機器的運行需要實時的監控,不僅可以保證生產效率而且通過遠程監控可以提高人工效率。在工廠的自動化制造和生產中,有許多不同類型的傳感器和設備。一些場景需要頻繁的通信并且確保良好的服務質量(QoS),這時NB-IoT是較為合適的選擇。而一些場景需要低成本的傳感器配以低功耗和長壽命的電池來追蹤設備、監控狀態,這時LoRa便是合理的選擇。所以對于自動化生產制造的多樣性來說,NB-IoT 和LoRa都有用武之地。

D:智能建筑
對于建筑的改造,加入溫濕度、安全、有害氣體、水流監測等傳感器并且定時的將監測的信息上傳,方便了管理者的監管同時更方便了用戶。通常來說這些傳感器的通信不需要特別頻繁或者保證特別好的服務質量,同時便攜式的家庭式網關便可以滿足需要。所以該場景LoRa是比較合適的選擇。

E:零售終端(POS)
零售終端(POS)系統往往需要較頻繁和高質量的通信,而且這些設備通常有專門供電的設備,所以對于較長的電池使用壽命沒有要求。同時對于通信的時效性和低延遲要求較高。所以出于以上考慮NB-IoT比較適合于本應用。

F:物流追蹤
追蹤或者定位市場的一個重要的需求就是終端的電池使用壽命。物流追蹤可以作為混合型部署的實際案例。物流企業可以根據定位的需要在需要場所部網,可以是倉庫或者運輸車輛上,這時便攜式的基站便派上了用場。LoRa可以提供這樣的部署方案,而對于NB-IoT來說追蹤范圍過大基站的鋪設是很大的問題。同時LoRa有一個特點,在高速移動時通信相對于NB-IoT更穩定。出于以上的考慮,LoRa更適合于物流追蹤。

7、總結
IoT領域并沒有一個沒有爭議的選擇,每一個應用場景都有自己獨特的需求和考慮。本文闡述了NB-IoT和LoRa二者各自的特點和商業模式,相信二者在IoT市場上都將有一席之地。

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