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NB-IoT无线通信模块与Lora无线通信协议技术分析与前景展望

发布人:成都亿佰特时间:2022-05-09来源:工程师

物联网的快速发展对无线通信技术提出了更高的要求,专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计的LPWAN(low-power Wide-Area Network,低功耗广域网)也快速兴起。物联网应用需要考虑许多因素,例如节点成本,网络成本,电池寿命,数据传输速率(吞吐率),延迟,移动性,网络覆盖范围以及部署类型等。可以说没有一种技术可以满足IoT所有的需求。

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1、NB-IoT、LoRa简述

NB-IoT无线模块和LoRa无线通信模块两种技术具有不同的技术和商业特性,也是最有发展前景的两个低功耗广域网通信技术。这两种LPWAN技术都有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗少等特点,都适合低功耗物联网应用,都在积极扩建自己的生态系统。

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LoRa技术(Long Range)是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。LoRa网络主要由终端(可内置LoRa模块)、网关(或称****)、Server和云四部分组成,应用数据可双向传输。

NB-IOT技术(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT,又称窄带物联网),是由3GPP标准化组织定义的一种技术标准,是一种专为物联网设计的窄带射频技术。

2、无线通信技术特性2.1、无线数传使用频段

NB-IoT模块使用了授权频段,有三种部署方式:独立部署、保护带部署、带内部署。全球主流的频段是800MHz和900MHz。中国电信会把NB-IoT部署在800MHz频段上,而中国联通会选择900MHz来部署NB-IoT,中国移动则可能会重耕现有900MHz频段。具体如表2-1所示:

表2-1:

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LoRa模块技术使用的是免授权ISM频段,但各国或地区的ISM频段使用情况是不同的。在中国市场,由中兴主导的中国LoRa应用联盟(CLAA)推荐使用了470-518MHz。而470-510MHz这个频段是无线电计量仪表使用频段。由于LoRa是工作在免授权频段的,无需申请即可进行网络的建设,网络架构简单,运营成本也低。LoRa联盟正在全球大力推进标准化的LoRaWAN协议,使得符合LoRaWAN规范的设备可以互联互通。下图是LoRa联盟规范里提到的部分使用频段:

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2.2、通讯距离

移动网络的信号覆盖范围取决于****密度和链路预算。NB-IoT具有164dB的链路预算,GPRS的链路预算有144dB(TR 45.820),LTE是142.7dB(TR 36.888)。与GPRS和LTE相比,NB-IoT链路预算有20dB的提升,开阔环境信号覆盖范围可以增加七倍。20dB相当于信号穿透建筑外壁发生的损失,NB-IoT室内环境的信号覆盖相对要好。一般地,NB-IoT的通信距离是15km。

LoRa以其独有的专利技术提供了最大168dB的链路预算和+20dBm的功率输出。一般地,在城市中无线距离范围是1~2公里,在郊区无线距离最高可达20km。

2.3、成本对比

LPWAN协议无论多强大都需要考虑其低成本,否则它们不能是可行的物联网解决方案。LoRa在这方面有优势。LoRaWAN模块的总体成本在 8-10 美元左右,约为 NB-IoT 等蜂窝 LTE 模块价格的一半。NB-IoT 网络的复杂性越高,知识产权相关(授权频段方面)费用更高,提高了NB-IoT 的总成本。NB-IoT 升级到先进的 4G /LTE ****比 LoRa 通过工业网关或塔顶网关部署更昂贵。不过,随着市场越来越成熟,相信LoRa和NB-IoT总体成本都会大幅降低。

3、前景分析

NB-IoT和LoRa目前都还处于发展的起步阶段,需要各方的投入和共同的发展。当大规模部署成为一种现实可能的时候,NB-IoT和LoRa模组成本自然也会进一步降低。就技术方案而言,在短时间内,NB-IoT和LoRa肯定会并行,有共同点、各有优点、各有缺点,很难说谁压倒谁,但是,如果受到技术方案以外的因素影响,比如赢利模式的创新,与应用行业的紧密结合,借助行业的影响力,那么什么都有可能。在这新一波的物联网发展的行情中,先把项目落地,才有赢得先人一步的机会。NB-IoT和LoRa不仅仅需要产品的创新,更需要项目应用的创新。

4、推荐方案4.1、LoRaWan节点

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  E105-EP20模块是成都亿佰特电子科技公司有限公司基于SEMTECH 公司的 SX1276 芯片研发。模块集成了透传功能,支持串口 AT 指令集,用户通过串口即可使用对 LoRaWan 服务器网络访问的功能,适用于低功耗、低速率、远距离等物联网领域,改模块符合LoRanWan协议规范的超低功耗节点模块,贴片封装,外接天线,可通过配置工作在425MHz~441MHz频段。 最多使用 16 个信道,模块可使用串口进行数据收发,降低了无线应用的门槛。基于 LoRaWAN Specification V1.0.1 协议和完整的 LoRaMacV4.1.0 协议栈,可加入任何兼容 LoRaWan 协议的网络,支持 CLASSA 和 CLASSC 工作模式,简单配置后便可以非常便利的实现网络访问功能,最大限度减少开发者的工作和项目开发时间。

4.2、NB-IOT模块

ME3612 是一款支持NB-IoT/eMTC/EGPRS通信标准的窄带蜂窝物联网通信模块。在NB-IoT制式下,该模块可以提供最大66 Kbps上行速率和34 Kbps下行速率,支NB-IoT全球主流运营商频段。该模块与ME3630/ME3620/ME3610/MC8635/MW3650等LCC 30*30封装系列的4G/3G模块pin-to-pin完全兼容,用户可根据不同的需求和场景进行选择,快速推出产品。

ME3612专为低速率、低功耗、远距离、海量连接的物联网应用而设计。该模块支持多种网络协议(PPP、CoAP、TCP/UDP、OMA LWM2M 、MQTT)和多种低功耗模式(PSM、eDRX)。这些协议和功能可以让它应用在智能表计、智能停车、资产追踪和可穿戴设备等多种物联网及M2M的应用场景中。

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