图7.一种典型的LoRaWAN终端设备体系结构[8]。

图8.三个设备类接收插槽定时。

图9用于控制平面和用户平面的NB物联网协议栈[ 5 ]。

图10.Rach过程的消息流[6]。

在UE和核心网之间。NAS的表演票据、安全控制、移动管理和承载管理。访问层（as）是NAS下面的一层UE与无线网络之间的功能。它用于管理美国广播公司的无线电资源。无线电资源控制(RRC)通过用户的挂起/恢复操作来最小化信令飞机。L2安全性提供NAS信令的加密和UE与核心网之间的认证。机动性在连接模式下对用户进行管理这个协议。对于NB-物联网，随机接入信道(RACH)过程始终是基于争用的，并以跨序言的任务[11]。如果前导传输失败，the UE will retransmit until the number of retransmissions达到最大值，这取决于CE级别还是没有成功。然后UE将继续进行下一次CE水平。如果eNB成功接收前导，eNB将向UE发送相关的随机接入响应。

在此之后，将发送预定的消息MSG 3，以便启动争用解决过程。RACH程序是当关联的争用解决方案消息完成时发送到UE。无花果。的消息流。这个程序。

3.物联网因素比较

有许多因素需要考虑我们选择了适合于物联网应用的技术，包括服务质量，延迟，电池寿命，覆盖范围，范围、部署模型和成本。本论文的其余部分将根据这些因素的技术差异，对Lora和Nb-IoT进行了比较.

表2峰值睡眠电流和潜伏期。

表3MCL及LORAWAN和Nb-IoT的范围。

表4洛拉和铌-碘的不同成本。

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可以处理多径、多径和衰落，但不能提供与NB-物联网相同的QoS。这这是因为NB-物联网使用的是许可的频谱，而且它的时隙同步协议对于QoS来说是最优的。然而，QoS的这一优势是以牺牲成本为代价的。领有牌照的T波段频谱拍卖他的亚GHZ频谱通常每兆赫超过五亿美元[8]。由于qos和高频谱成本之间的权衡，需要qos的应用程序更倾向于NB-iot，而应用程序则更倾向于不需要高QoS的人应该选择Lora。

3.2电池寿命及延迟

在LoRaWAN，设备可以睡少或只要应用的欲望，因为它是一个异步的、基于ALOHA协议。在NB物联网中，由于很少有规律的同步，E设备消耗更多的电池能量，OFDM或FDMA对线性发射机需要更多的峰值电流。电流的数值如表2所示。这些额外的能量需求决定了Nb-IoT的电池寿命比基于Lora的器件更短.。另一方面，这些需求提供了低延迟和高数据速率的优点。因此，对于那些申请NS是不敏感的延迟和没有大量的数据可以发送，洛拉是最好的选择。对于需要低延迟和高数据速率的应用，NB-物联网是更好的选择.

3.3网络覆盖范围

LORA的主要利用优势是一个网关或基站可以覆盖整个城市。例如，在比利时，总面积约为30500平方公里[8]的国家为L。ORA网络部署覆盖全国，通常有七个基站。

NB-物联网主要集中在MTC类设备上，这些设备安装在远离通常范围的地方。因此，覆盖范围不应小于23分贝[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点是其灵活性。洛拉旺可能有一个更广的网络或覆盖比NB-物联网。最大耦合损耗(Mcl)是服务可以达到的耦合损耗的极限值。

交付，因此它定义了服务的范围[12]。MCL和Nb-IoT和LORAWAN的范围见表3.

3.4部署模型

NB的物联网可以重复使用和升级现有的蜂窝网络的部署，但限于蜂窝网络支持的地区部署。2007年发布了《物联网规范》。新的2016年，因此需要更多的时间来建立NB-物联网。另一方面，洛拉组分和洛拉温生态系统已经成熟，生产准备就绪，尽管国家已经具备。e部署仍处于推出阶段[13]。

3.5. [人名] 科斯特

需要考虑不同的成本方面，如频谱成本、网络成本、设备成本和部署成本。表4显示了Nb-物联网和Lora的成本.。它可以是s即使洛拉在成本方面有着巨大的优势。

总之，如图所示，Lora和Nb-IoT在物联网的不同因素上有各自的优势.。11.

4.应用场景

物联网研究案例被广泛地分为四类，即物联网个人、物联网公众、物联网产业和物联网应用。每一类别都被更好地识别为NB-IoT或Lora，并在Ta中显示如下：布尔5.。洛拉和Nb-IoT一起贡献了lpwa 45%的商业市场.。这些不同技术的应用场景是相同的，但涉及不同的业务市场。不同发展方的发展战略。例如，LORA的联盟，成立于2015，主要集中在标准化技术的发展和推进技术[3，8]。LORA的应用领域包括从车辆到基础设施技术的通信。LPWA Lora区域广阔，通讯范围从几米到莫大不等。不超过100公里。Nb-IoT网络的成本效益有助于大量电池寿命超过10年的设备。据认为，NB-IoT的网络部署将是可行的。我在未来提供低成本的服务，在难以捉摸的领域。例如，医疗保健提供协助，为安全和安保提供智能警报，在公共场所和公共场所使用，通过能源管理控制电力消耗，为智能h实施低成本的自动设备。用智能设备覆盖区域创建智能城市。

表5物联网用例连同参数[2]。

优选       研究案例       主要物联网参数          类别

图11.不同物联网因素的比较。

5.现状

一个成功的实现静的作品，如Nb的物联网和LoRa，已经在几个北美开始和欧洲国家。与此同时，韩国、日本和中国竞相在本国实施基础设施建设。

5.1. 朝鲜

在韩国，Lora联盟是一个涉及SK电信和Semtech的组织。本集团与300多家公司共同致力于开发lorawan规范和成功的imp。LPWANs和物联网应用的维护和操作。在“合作伙伴中心计划”下，SK电信宣布计划提供100000免费的Lora模块-ules，作为其规模开发工作的一部分。基于Lora的物联网解决方案的ND部署。2017年上半年，运营商有一个明确的Nb-IoT和Lora升级途径[14]。

5.2. 日本

在日本，软银正准备通过首先使用LoRaWAN协议部署LPWA网络来实现物联网业务。该公司表示，该网络将在2016年财政年度部署。在...另外，软银将推出一个NB-物联网，这是一种标准化的蜂窝技术，是第三代伙伴关系项目(3 GPP)LTE第13版的一部分。NB-物联网将交付约40 kb/s在200 kHz信道中的速度[15]。

5.3. 中国

在中国，中国电信计划在2017年上半年前将800兆赫的宽带覆盖到全国范围。早些时候，运营商宣布直接补贴模块2亿元。(三千万美元)以及为其“燃烧物联网”计划提供2亿CNY的营销预算。中国电信还在广州举行的移动终端技术论坛上证实，它将推出2017年年底前的语音点播[16]。

6. 结论

本文研究表明，LORA和Nb-IOT都有各自的优缺点，这与其不同的技术原理是一致的。一般来说，没有唯一的lpwa tec。技术，但最合适的技术的具体应用。每个应用程序都有其特定的要求，从而导致特定的技术选择。LoRa和NB的物联网有P物联网市场的花边。Lora专注于低成本应用。同时，NB-物联网被定向到要求高QoS和低延迟的应用.

参考文献

[1]Dohler Mischa, Takehiro Nakamura, in: Afif Osseiran, Jose F. Monserrat, Olaf Queseth, Patrick Marsch (Eds.), 5G Mobile and Wireless Communi-cations Technology, Cambridge University Press, 2016, pp. 1–48 (Chapter 1–2).

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[3]LoRa Alliance, LPWA Technologies Unlock New IoT Market Potential, Machina Research, Nov, 2015. Available: https://www.lora-alliance.org /portals/0/documents/whitepapers/LoRa-Alliance-Whitepaper-LPWA-Te chnologies.pdf.

[4]Link Labs, Inc., A Comprehensive Look at Low Power, Wide Area Networks [Internet]. Available: http://cdn2.hubspot.net/hubfs/427771/ LPWAN-Brochure-Interactive.pdf.

[5]Semtech, AN 120022, LoRa Modulation Basics, May, 2015. Available: http://www.semtech.com/images/datasheet/an1200.22pdf.

[6]D. Rohde, J. Schwarz, Narrowband Internet of Things, Aug., 2016. Available: https://www.rohde-schwarz.com/us/applications/narrowband-i nternet-of-things-application-note 56280-314242.html.

[7]3GPP TR 36.802, Narrowband Internet of Things (NB-IoT), Technical Report TR 36.802 V1.0.0, Technical Specification Group Radio Access Networks, June, 2016.

[8]LoRa Alliance, LoRaWAN What is it. Technical Marketing Work-group 1.0, Nov., 2015. Available: https://www.lora-alliance.org/portals/0/ documents/whitepapers/LoRaWAN101.pdf.

[9]LoRa Alliance, LoRaWAN Specification, July, 2016.

[10]Orange Connected Objects & Partnerships, LoRa Device Developer Guide, April, 2016. Available: https://partner.orange.com/wp-content/ uploads/2016/04/LoRa-Device-Developer-Guide-Orange.pdf.

[11]3GPP TS 36.321 V13.2.0 Medium Access Control (MAC) protocol specification, June, 2016.

[12]3GPP TR 36.824 V11.0.0 3rd Generation Partnership Project, Technical Specification Group Radio Access Network, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA), LTE coverage enhancements (Release 11), June, 2016.

[13]LoRa Alliance, NB-IoT vs LoRa Technology Which could take gold? White Paper, September, 2016. Available: https://www.lora-alliance.org/ portals/0/documents/whitepapers/LoRa-Alliance-Whitepaper NBIoT vs LoRa.pdf.

[14]Semtech, LoRaWAN IoT Network Deployed Nationwide in South Korea by SK Telecom Covers 99 Percent of Population [Online]. Available: ht tps://www.semtech.com/Press-Releases/2016/LoRaWAN%E2%84%A2-IoT-Network-Deployed-Nationwide-in-South-Korea-by-SK-Telecom-Co vers-99-Percent-of-Population.html.

[15]Huawei, NB-IoT-Enabling New Business Opportunities. Available: http: //www.huawei.com/minisite/4-5g/img/NB-IOTpdf.

[16]Mobile world live, China Telecom targets nationwide NB-IoT cover-age next year, July, 2016. Available: https://www.mobileworldlive.com/ asia/asia-news/china-telecom-targets-nationwide-nb-iot-coverage-next-year/.

LPWA技术综述：Lora和Nb-IoT

外文出处：《Ict Express》 , 2017 , 3 (1)

作者 RS Sinha ， Y Wei ， SH Hwang

摘  要

到2020，二百五十亿多台设备将通过无线通信连接起来。随着物联网(物联网)市场的快速发展，低功耗广域(Lpwa)也在快速发展。)技术已经流行起来。在各种LPWA技术中，窄带(NB)-物联网(NB)和远距离(LORA)是两大领先技术.。本文对Nb-物联网技术进行了全面的综述。作为连接设备的有效解决方案。结果表明，无牌Lora在电池寿命、容量和成本等方面具有优势。同时，获得授权的NB-IoT在ter中也提供了好处。QoS、延迟、可靠性和范围的ms。

关键词：LPWA；Nb-物联网；LORA；MMTC；物联网

1. 介绍

在过去的几十年里，随着工业革命的开始，人类发生了巨大的变化。第四次工业革命是新一代无线通讯时代。启用机器和对象之间的普遍连接[1]。通信系统需要支持二百五十亿多个连接的设备。

图1.连接设备的增长[2]。

图2.5G通用服务[1]。

图3所需的带宽和容量的短距离范围内，细胞，和静[4]。

如图所示，到2020年。1[2]。预计第五代(5G)无线移动通信将提供一种手段，使人类和人类之间的世界完全连接[1]。第四e产生的主要问题是，到2020年，5G将如何应对挑战。5G分为三大类，即极限移动宽带(XMBB)、大型机器。-类型通信(MMTC)和超可靠的机器类型通信(UMTC)，如图所示.。2[1]。

xMBB在Gbps范围内提供极高的数据速率。例如，考虑一个拥挤的体育场，所有的用户都希望通过aum在他们的设备上享受正在进行的比赛的3d热气。现实。uMTC处理超可靠和高效的设备.。例如，想想行人的安全与车辆上的通勤人员有关。另一种类型的uMTC是工厂制造的可靠通讯。例如，在产品组装的一条垂直工业流水线上，显示器在传感器的帮助下，需要有低端到低端。-终止延迟，可靠性为99.99%。MMTC使5G服务能够提供给许多具有能源效率的设备。目前，传感器和执行器被广泛应用于以人机为中心的通信。n.。研究案例包括面向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。事物是静态地和动态地联系信息的.。随着互联网的发展物联网(物联网)，越来越多的实际应用在今天的许多行业。不同的应用领域有特定的要求和考虑，这意味着不同的技术。需要一些。广泛安装的短距离无线电连接(例如蓝牙和zigBee)不适合于需要低带宽的远程性能的场景。M2M解决方案基于蜂窝技术可以提供很大的覆盖范围，但它们消耗过多的电能。物联网提供了一个更好的解决方案来处理大量的设备，这些设备在底层不断地进化。需求，如覆盖范围、可靠性、延迟和成本效益。

低功耗、广域(Lpwa)技术正瞄准这些新兴的应用和市场.。lpwa是一组技术的通用术语，可以在较低的cos中实现广域通信。T点和更好的功耗[3]。它非常适合于只需要在很长的范围内传输少量信息的物联网应用程序。就在2013年初，“LPWA”甚至不存在[3]。然而，随着物联网市场的迅速扩张，LPWA成为物联网增长最快的空间之一。许多LPWA技术如图所示。3在两个地方都出现了已注册和未经许可的市场，如LTE-M、SIGFOX、长程(LORA)和窄带(NB)-物联网.。其中，LORA和NB-物联网是两大新兴技术，涉及多项技术。差别( difference的名词复数 ).

因此，本文从物理特性、网络结构、MAC协议等方面比较和描述了LORA和NB-物联网的技术差异。此外，我们还比较了它们在TE中的应用。物联网因素的均方根，如服务质量(QoS)、电池寿命和延迟、网络覆盖范围、部署模式和成本。此外，我们还考虑了应用程序场景并解释了它们的Curren在韩国、日本和中国的地位。最后，我们总结并提出了我们的结论。

2.技术差异

2.1物理特征

洛拉是目前市场上的一种新兴技术，它在1 GHz以下的无牌频段内工作很长时间-远程通信链路操作。洛拉是个专利啁啾的导数扩频调制方案扩频调制(CSS)与数据速率的交换用于固定信道带宽内的灵敏度。CSS，其中发展于20世纪40年代，传统上用于军事应用程序，因为它的通信距离很长，而且干扰鲁棒性。洛拉是第一个低成本的执行者-用于商业用途。洛拉这个名字来自于远程能力的优势，这将从扩频调制提供的长大链路预算策划，图谋.

为了实现这一点，LORAWAN网络应用了一个adap-多通道多调制解调器调制技术在基站中接收多个号码的收发器来自频道的信息。扩频技术-使用唯一的方法实现信号间的正交分离对单个信号的扩频因子。这种方法提供了在管理数据速率方面的优势。之间的关系中的啁啾速率和符号速率所需的数据比特率。

Lora调制技术[5]的定义如下：

洛拉调制比特率RB，

其中SF=传播因子和BW=调制带-宽度(赫兹)。如等式所示。(1)数据率RB是直接的。

与传播因子成正比的SF。NB-物联网是由3 GPP公司建立的一种新型物联网技术。第13版。虽然它被集成到LTE标准中，它可以看作是一个新的空中接口[6]。它作为尽可能简单，以减少设备成本和最小化的电池消耗，因此它删除了许多功能LTE，包括交接，测量，以监测陈-NEL质量，载波聚合和双重连接。它用许可频率相同的频带在LTE中使用的数字，并采用QPSK调制。在那里是不同的频带部署，它们是-如图所示，单独、保护带和带内部署。

4.使用ofdm的下行链路中有12个15 khz的子载波。和3.75/15千赫的上行链路使用SC-FDMA。上行链路和Nb-IoTFDL，FUL的下行链路频率定义为跟随，接着( follow的第三人称单数 ) [6]。

其中MDL/UL=Nb-物联网通道数的偏移量下降-链路/上行链路，FDL/UL低=下行/上行链路运行带,

图4.NB-物联网操作模式[6，7]。

NDL/UL=下行链路/上行链路E-DURA绝对射频频道号码(EARFCN)，NoffDL/UL=最小范围NDL/UL用于下行/上行链路。利用GSM频率在10 khz的保护带之间，带宽为200 khz独立操作，而未使用的防护带和资源用于保护带操作和带内的LTE载波的块行动[6，7]。(见表1)

图5.Lora WAN网络体系结构，包括应用服务器和网络服务器，与基站和EDs连接[3]。

图6.NB-物联网体系结构[5]。

表1洛拉和铌-碘的物理特征。

2.2网络体系结构

LoRaWAN定义了通信协议和系统-TEM架构，而Lora定义物理层[8]。罗-Rawan使用远程星型架构(如图所示)。5)在哪一个网关用于中继端之间的消息—<, font face="宋体">设备和核心核心网。在lorawan网络，节点不与特定网关相关联。相反，由一个节点发送的数据通常由多个接收入口。每个网关将从基于云的网络服务器的终端节点通过回程(蜂窝、以太网、卫星或Wi-Fi)。结束-设备(即传感器和应用程序)与一个设备通信或通过单跳Lora通信的许多网关。而所有网关都通过以下方式连接到核心网络服务器：标准IP连接。网络服务器具有所需的过滤来自不同类型的重复数据包的智能网关，检查安全，发送ACK到网关，并将数据包发送到特定的应用服务器。是因为网络可以选择最优质的信息。

在不同网关传输的信息中，移交或移交的需要被移除.。如果节点是可移动的，或者移动不需要从网关切换到网关，这是启用资产跟踪应用程序的一个关键特性，垂直物联网的主要目标应用。使用网格网络，系统可以扩大通信范围，以设备电池为代价的网络单元大小行前NB-IoT核心网是基于演进的分组系统的。

(EPS)和物联网的两种优化定义了CIOT(CIOT)，用户平面CIOT EPS优化和

控制平面CIOT EPS优化，如图所示6.双双飞机选择控制和用户数据包的最佳路径，用于上行和下行链路数据。的优化路径。

选择的平面对于由移动设备。NB-物联网用户的小区访问过程是sim-与LTE的一致。在控制平面CIOT EPS优化上，进化的UMTS地面无线接入网(E-UTRAN)处理UE和MME之间的无线通信，包括F基站eNB基站或者叫做进化。Then, data was transmitted to the packet data network gateway (PGW) via serving gateway (SGW). 对于非IP数据，它将被转移到新的业务能力暴露函数(SCEF)，它可以在控制平面上传递机器类型的数据，并为业务提供抽象的接口。用用户平面CIOT EPS选择ip和非ip数据都可以通过无线电承载者通过SGW和PGW到应用服务器。总之，对于NB-物联网，现有的E-UTRAN网络体系结构和主干网可以重用.。LoRaWAN的网络体系结构更简单，但是K服务器比较复杂。

2.3MAC协议

如图所示，根据网络下行通信延迟与电池寿命之间的权衡，LoRaWAN网络中的终端节点可分为三种不同的设备类别。7.我另外，为这三个设备类设计了三个不同的MAC协议，如图所示。8.A类终端设备是电池驱动的传感器。它的电池寿命最长。必须得到所有其他设备的支持。A类的功能如图所示.。8(A)，第一接收窗口R×1恰好在上行链路调制结束后1s到达接收延迟1。S秒时隙R×2正好在上行调制结束后2s到达接收延迟。接收机保持活动状态，直到下行帧被解调。B类终端设备是电池供电的ACTU。老二。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]。如图所示。8(B)，网关在常规信标延迟时发送信标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可预见地打开称为“ping时隙”的短接收窗口。C类端-德恶习是主要的动力执行器。与其他两个类相比，它在下行通信中的延迟最小。用于C类设备，如图所示。8(C)，终端设备不仅打开两个接收通道ndows A也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可用电源的应用程序，因此不需要MIN。模仿接收时间窗口[10]。

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