LoRa与短距离、长距离无线技术对比

LoRa既属于短距离物联网通信技术，又属于长距离物联网通信技术。本小节通过对比的方式，从短距离与长距离的视角分析LoRa的特点。

1 LoRa与长距离无线物联网技术的对比

在所有的LPWAN技术中，Sigfox技术由于其独特的运营模式，在中国物联网市场上很难占有一席之地，而eMTC在中国的推广才刚刚开始，所以在长距离的物联网应用中目前主要是NB-IoT与LoRa争雄。

在中国提到LoRa大家基本都会想到NB-IoT，大家都喜欢拿两个技术进行对比。LoRa只是一种调制技术，由于NB-IoT是一套完整的通信协议和市场标准，这里用对应的LoRaWAN技术与NB-IoT技术进行比较，分别从终端成本、基站成本、应用场景等进行对比分析。

终端成本分析

硬件成本：

● LoRa模块一般是用ARM-M0 + LoRa收发芯片，单颗ARM-M0即可负责LoRaWAN协议栈(含通信，安全等)和应用层。LoRaWAN协议比较轻，对Flash要求低(64KB即可)；外围简单，±20ppm常温晶体，不需要外置PA和SAW。

● NB-IoT的芯片成本会逐步降低，但是其运营商架构决定了其模块成本必然高于LoRa。

测试认证成本：

● NB-IoT模块测试复杂，需要专门的综测仪, 认证和入网许可费用高。

● LoRa模块的测试，用一般的频谱仪和信号源即可，且没有入网许可的费用。

LoRa终端成本约为NB-IoT成本的80%。

基站成本分析

NB-IoT基站成本：

1 NB-IoT的基站发射功率大(达20W)，因此需要较大的PA，且OFDM对PA线性度 要求高，因此成本很高。

2 庞大的天线、馈线系统也比较昂贵，施工成本极高。

3 目前NB-IoT新建基站成本在人民币30万，4G基站原有频段升级成本在人民币7.5万左右，单站平均的成本在人民币15万元左右。考虑到从1800/2100MHz迁移到800/900MHz，实际成本要更高一些。

4 NB-IoT的系统从属于移动通信运营商网络完整系统的一部分，需要大量的网规网优和维护工作。

LoRa网关成本：

1 LoRa基站的发射功率小，板级的PA和LNA即可，天线、馈线系统也很简单。

2 LoRa的室外基站一般在人民币0.5万左右(室内型人民币0.2万以内)。

3 LoRa系统比较简单，维护比较轻，室内型家庭网关基本可以做到免维护。网关具有协作接收特性，不需要网规网优工作。关于LoRaWAN网络与传统蜂窝网的对比在书中5.2.2小节中有详细讲解。

从上述讨论可知，NB-IoT与LoRa的网关成本比约为30:1 ~ 50:1关系。

图1-30  NB-IoT基站与LoRa基站对比图

适用场景分析

智能抄表：电表对功耗要求不高，两者都比较适合，但实际上电表的电磁环境恶劣，NB-IoT的下行覆盖能力相对有限，而LoRa更合适。水表、气表对功耗和成本要求极高，LoRa在技术和成本上有优势。对于不愿架设和维护网络的客户，NB-IoT更合适。

智慧农业：对功耗和成本敏感，且一般蜂窝信号覆盖不足，LoRa具有优势。

工业控制:因现场覆盖问题，一般更倾向于专网，LoRa具有一定优势，但NB-IoT也可有用武之地。

资产和人员跟踪：一般要求广域覆盖，所以NB-IoT具有一定优势；针对厂区内局域应用LoRa则更灵活。

智能建筑：一般为私有网络覆盖，且基于LoRa局域覆盖则更有针对性，LoRa具有优势。

智慧城市：局域性的停车场，LoRa更合适。广域的路灯、井盖或移动电动车等，则依靠运营商的网络实施起来更简单，理论上NB-IoT可能更合适。但对于较恶劣的环境，如井盖有屏蔽环境，LoRa专网更能解决覆盖问题。

环境监测:  室外环境检测对功耗敏感，且很多场景没有蜂窝信号覆盖，LoRa具有优势。

智能家居:一般都是私有家庭网络，NB-IoT无法使用，LoRa只有在一些大型别墅或2.4GHz频率干扰严重的环境中具有优势。

下图1-31为NB-IoT技术与LoRa技术的详细对比，从结果看各有千秋。不同的特点和优势，可以满足不同的需求和市场。

LoRa在技术上最适合更低速率、更低功耗及较少下行的应用。在垂直应用的企业网和行业网方面LoRa具有更大灵活性。在今后的发展中，多LPWAN技术将百花齐放，共生共存，LoRa在许多方面将与NB-IoT及其他LPWAN技术互为补充。

图1-31  NB-IoT技术与LoRa技术的详细对比雷达图

NB-IoT技术与LoRa技术对比中差别较大的两个对比项为抗多普勒频移和运营商网络覆盖。

抗多普勒频移：其中NB-IoT无法在高速移动的环境中工作。NB-IoT经过多次版本更新直到R14版本，其可以支持最高移动速度提升至80km/h。而LoRa可以支持的移动速度超过第三宇宙速度16.7km/s，地球上任何移动的物体都不会超过这个速度。在移动物体上的物联网应用，LoRa具有绝对优势。具体计算讨论请见书中8.5.1小节。

运营网络覆盖：由于国家无线电规范以及三大电信运营商的策略，LoRa的国内网络覆盖较差，如果需要实现城市间移动设备的数据传输，应采用NB-IoT网络。

2 LoRa与在短距离无线技术的对比

LoRa是为物联网而生的长距离无线技术，让它参与短距离技术对比相当于降维打击。在传统的短距离无线通信物联网应用中，LoRa技术的灵敏度比ZigBee、BLE等技术高20dB以上。

图1-32所示为多种短距离无线技术灵敏度与速率对比图，也就是说LoRa覆盖半径是其他的技术的10倍以上。

图1-32  多种短距离无线技术灵敏度与速率对比图

针对短距离局域网应用中的关键点，LoRa与ZigBee、BLE、Wi-Fi的对比如图1-33所示。其中，LoRa的优势还是在工作距离、功耗、网络容量和抗干扰；最大的缺点在于带宽。

图1-33  LoRa与ZigBee、BLE、Wi-Fi技术对比图

Wi-Fi、NFC和蓝牙技术由于已经进入手机生态，所以面对的客户主要是个人，这样就跟与物连接的LoRa技术的关系多为合作。2019年Wi-Fi联盟和LoRa联盟发布了战略合作及共同发展物联网规划。因为ZigBee技术主要是针对工业和商业的应用，所以与LoRa在许多应用中发生正面冲突。

LoRa与ZigBeed对比有如下特点:

工作频率：LoRa的Sub1GHz工作频率具有传输衰减小、绕射能力强等优势。

频段干扰：ZigBee工作在2.4GHz，Wi-Fi和蓝牙信号处于同样的频段，频带占用和干扰问题严重。LoRa工作频段干扰较小，且具有噪声下解调的超强抗干扰能力。

灵敏度：在智能家居等物联网应用中，ZigBee灵敏度比LoRa差20dB。

覆盖范围：智能楼宇和智能家居应用中， ZigBee距离受限，尤其是国内水泥墙的环境中，需要多个网关完成覆盖。完成同样的区域覆盖（只考虑空间信号覆盖），需要ZigBee网关数量是LoRa网关的10倍以上。

网络协议：ZigBee与网关绑定，导致安装（配对需要物理按键）和后期维护（网关故障与更换）成本都很高，灵活性不佳。相比之下LoRaWAN网络协议轻便很多。

网络稳定性：ZigBee节点较多时需要Mesh，存在大量不稳定性。LoRa同场景中使用单跳结构，稳定性很高。

传输速率：ZigBee支持250kb/s固定速率，LoRa Sub1GHz芯片支持可变速率。LoRa在传输速率的选择上灵活度高，但ZigBee最高传输速率高于LoRa。

LoRa刚刚进入短距离无线应用市场，有许多的挑战正等待着它。由于在常用的近距离局域网无线技术中，LoRa速率最低且工作频率最特殊，它可以和其他的技术有效地合作在一起，尤其是在智能家居领域，如亚马逊的智能音箱中就使用了LoRa技术作为物联网的无线连接技术。