LoRaWANClassA与NB-IoT的PSM模式对比

       LoRaWAN协议是LoRa全球推广的标准协议，具有轻量级、智能化的优点。LoRaWAN节点与网关通信简单，开销少；网络服务器可以根据信号质量，动态调整节点速率和发射功率，以达到省电目的。图1-24所示为LoRaWAN的一个数据包的发送与NB-IoT的一个数据包的发送对比示意图。从图中可以看出，LoRa的数据包非常简单，而NB-IoT由于其自身运营商特性以及从LTE的精简协议的原因，需要发送和接收大量的握手数据，即使在发射功率相同的情况下，由于通信时间的加长，NB-IoT的这个数据包的耗电量要到LoRa的3倍。而事实上NB-IoT的发射功耗一般比LoRa的发射功耗大3倍。

       为达到省电的目的，业界广泛应用周期侦听（WakeonRadio，WOR）方式：如图1-25所示，芯片周期性地进入接收（RX）模式以侦听有没有唤醒信号（比如前导），其他时间处于休眠（Sleep）模式。LoRaWAN的ClassB采用此种方式实现低功耗和实时性兼得。

图1-25    LoRaCAD功能

       LoRa具有信道活动检测（ChannelActivityDetection，CAD）功能，即短时间监听附近是否有指定频率和扩频因子的LoRa信号，且这个唤醒的信号可以低于噪声，这样就不会像传统的FSK经常被误唤醒。LoRaCAD整个过程需要约2个码元（Symbol）时间，其中约1个Symbol接收（接收电流为4.6mA），1个Symbol的时间计算（电流为接收模式的50%左右）。

       如设定常用的LoRa工作模式BW=125kHz、SF=7、CR=4/5，其通信速率为5.47kb/s，1Symbol=1ms。上述设定参数表示只需要接收1ms的空中信号就可以判断是否是需要的LoRa信号。相同速率下，FSK等传统技术一般需要3B或以上的前导用于接收同步，接收窗口需 要打开5ms以上。所以相同速率下，执行周期侦（WOR）时LoRa的电池寿命是FSK的3～4倍。

        LoRa具有工作距离远、覆盖范围大的特点，但是如果其容量小，覆盖范围大会成为其劣势。LoRa容量的大小至关重要，可以通过Wi-Fi的容量来类比：如果用户所处区域Wi-Fi设备特别多，就会存在设备掉线或网络不稳定等问题。可以把LoRa看成一个“长Wi-Fi”。同理LoRa也会遇到网络容量的问题，下面对LoRaWAN协议网络进行分析。

LoRaWAN的网络容量决定因素很多，主要与以下几个参数相关：

• 节点的发包频次；

• 数据包的长度；

• 信号质量及节点的速率；

• 可用信道数量；

• ****／网关的密度；

• 信令开销；

• 重传次数。

       LoRaWAN协议中具有根据终端节点状况进行调节的能力，叫作自适应速度选择（AdaptiveDataRate，ADR），具体内容详见5.2.2小节。如图1-26所示，ADR可以根据节点与网关的距离和信号情况调整 其通信速度和发射功率等参数，还可以调整节点的跳频频率实现更大的接入量和减少碰撞。当遇到极端情况可以直接扩展更多信道或采用多网关覆盖解决。

图1-26    LoRaADR示意图

       LoRaWAN协议的大容量是部署广域网的必要条件，广域网为去碎片化提供了有力支撑。网络容量的计算和覆盖的优化非常重要，8.2.2小节中会有非常具体的计算和实施方式讲解。一般情况下，一个智慧城市的项目中，中大型城市需要几百个LoRa网关来实现室外全覆盖；在智慧社区的项目中，一个工业园区或一个住宅小区使用1～4个中小型LoRa网关可以实现全覆盖。

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