LoRa与NB-IoT通信技术研究现状

胡连华 徐卓 陈海峰

陕西科技大学机电工程学院，陕西 西安 710021

0 前言

物联网这一概念由Kevin Ashton于1998年首次提出，是指将事物或物体与互联网连接，把各种事物以信息化的方式通过网络表现出来。在过去的几十年中，无线通信技术的发展促进了物联网的发展，近年来，在全球第4次工业革命的浪潮下，物联网技术更是有了突飞猛进的发展，据GSMA发布的The mobile economy2020报告显示，2019年全球物联网总连接数达到120亿，我国2019年物联网连接数为36.3亿，全球占比高达30%，并且到2025年，预计我国物联网连接数会达到80.1亿，年复合增长率达14.1%[1]，物联网领域已经迎来其发展热潮。无线通信技术作为物联网技术发展的必要前提，是推动物联网发展的主要因素，也是最为重要的组成部分 。

无线通信技术分为局域通信技术和低功耗广域通信技术（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）两类，其中，LPWAN作为一种低功耗广域通信网络，不仅实现了物联网可达性、可用性、移动性和规模性的要求，成本也大大降低，已成为物联网连接的首选技术。在LPWAN的LoRa、Sigfox、eMTC、NB-IoT等技术中，LoRa和NB-IoT（窄带物联网）是非授权频谱和授权频谱下的两大主流代表技术，也是目前应用最为广泛的两种技术。本文对LoRa和NB-IoT技术近年来的研究应用进行了综述。

1 LoRa与NB-IoT对比

作为LPWAN中应用最广泛的两种无线通信技术，LoRa和NB-IoT都具有低功耗、广覆盖、广连接的优势，但两者的参数特征不尽相同。关于LoRa和NBIoT的对比，BAO L[2]对覆盖率和容量进行了测试，验证了NB-IoT和LoRa都可以实现深度覆盖和广连接；YOGENDRA PRASAD P[3]比较了LoRa和NB-IoT在连接质量方面的性能，结果表明，在大多数情况下，NB-IoT具有比Lora更优的连接质量；MUTEBA F[4]对LoRa和NB-IoT在数据传输速率、电池寿命、成本和服务质量等方面进行了比较，表明LoRa在电池寿命和成本方面具有优势，而NB-IoT则在数据传输速率和服务质量（QoS）方面更具优势；SINHA R S[5]对LoRa和NB-IoT进行了更为全面的测试比较，测试内容包含成本、覆盖范围、容量、延迟、电池寿命、服务质量、可靠性等方面，测试结果如图1所示，LoRa在电池寿命、容量和成本方面更具优势，而NB-IoT则在延迟、QoS、可靠性和覆盖范围方面更具优势；MEKKI K[6]对LoRa和NB-IoT通信技术的适用场景进行了研究，认为LoRa更适合智慧农场、智能建筑、物流追踪等应用场景，而NB-IoT则对远程查表以及工业中需要频繁通信的高服务质量场合更为切合。

2 LoRa无线通信技术

LoRa是美国Semtech公司开发和推广的一种基于扩频技术的超远距离、低功耗无线传输方案[7]，为用户提供了一种能实现远距离、长电池寿命[8]、大容量[9]的简单系统，进而扩展传感网络。目前，LoRa 主要在全球免费频段运行，工作频率在美国是915 MHz，在欧洲是868 MHz，在亚洲是433 MHz，其典型范围是2～5 km，最长距离可达15 km[10]，具体取决于所处的位置和天线特性。LoRa具有低功耗、低成本、大容量、支持测距和定位等特点，适用于低功耗、远距离、大量连接以及定位跟踪等的物联网应用。伴随物联网的快速发展，LoRa技术被广泛应用研究，总的可分为性能研究和应用研究。

2.1 LoRa的性能研究

HWANG L C[11]针对LoRa的通信距离进行了研究，从理论上提出了一种考虑传播衰减、阴影效应和多径衰落的LoRa信道模型，并在该理论基础上开发了一款能够估算LoRa传输距离的App，这对LoRa技术的实际应用是有利的，可以在目标范围内部署最合理数量的LoRaWAN，功耗和延迟是相互对立的，低延迟会带来高功耗；反之，LoRa具有超长距离通信、低功耗的优势，但其通信延迟较高，对此，AOUDIA F A[12]提出了一种兼顾低功耗和低延迟的架构，在LoRa远程通信时增加超低功耗的短距离唤醒接收器，使系统在增加较少功耗条件下，实现通信节点的短距离远程唤醒，以降低延迟。该架构是对LoRa技术的一种改进，可实现异构长短距离网络中的低功耗和低延迟通信，但是其可靠性以及实用性还有待进一步研究。LoRa相比NB-IoT技术服务质量（QoS）较低，MROUE H[13]针对LoRa技术QoS低的问题，提出了一种通过修改LoRa的A类和B类终端设备的LoRaWAN MAC协议来改善QoS的方案，Matlab模拟表明，改进的LoRaWAN与原来相比，拒绝数据包率和数据包错误率降低了20%。聂志宇[14]研究了LoRa技术的干扰问题，构建出一种LoRa网络干扰模型，并提出了一种优化 LoRa 网络抗干扰性能的算法，最后通过仿真验证了该算法的抗干扰性能。

2.2 LoRa的应用研究

LoRa技术作为新进崛起的一种无线通信技术，有着诸多方面的优势，应用领域涵盖了能源管理、个人医疗保健、工业控制、物联网、智慧农业、智慧城市等众多方面，其中，智能抄表、智慧农业、智慧城市是目前应用研究主要集中的领域，但已有学者开始尝试在工业中应用LoRa技术，并取得了一定的效果。

智能抄表是LoRa技术最先应用的领域，学者们做了许多研究，王于波等[15]开发了一种基于LoRa的无线通信模块，由STM32L031处理器和LoRa射频芯片SX1278构成。通过在远程抄表中进行功耗和通信距离测试，表明该LoRa无线通信模块具有低功耗、长距离通信的优势；文献[16-17]分别将远程抄表系统应用在了天然气、水表的抄表。

对于LoRa技术在智慧农业领域的应用，任朝阳[18]设计了一种基于LoRa技术和模糊算法的桃园物联网灌溉系统，该系统将传感器所采集的桃园土壤温湿度参数通过LoRa无线通信技术传送至上位机，上位机对接收到的温湿度参数采用模糊PID算法处理后，控制灌溉系统开关水阀以实现桃园的远程精准灌溉。

在智慧城市领域，沈志勇等[19]设计了一套基于LoRa的施工环境监测系统，可以对施工现场的粉尘浓度、噪声、温湿度、光照强度等参数进行监测，并已在搅拌站成功运行，这为LoRa技术在智能城市中的应用提出新的场景。该系统可以广泛应用在城市施工场所的现场环境监测，对改善人员作业环境、减少环境污染具有积极意义。除此之外，LoRa在智慧城市中还可用于火灾预警系统，常剑等[20]针对老旧建筑安防报警设施陈旧落后的现状，提出了基于LoRa技术的智能消防报警系统，当发生火灾等紧急情况时，可通过短信、电话等方式报警，LoRa的定位服务可使消防工作人员快速确认火灾位置，对城市消防预警具有积极意义。

近年，已有学者开始尝试将LoRa技术应用于工业环境，宋振雷等[21]设计了一套基于LoRa的智慧工厂环境监测系统，可以实时对厂区的温湿度进行监测，这表明，LoRa技术的应用领域已开始向工业等一些复杂的场景扩展，但该系统的实际使用效果作者并没有验证。

在LoRa技术应用过程中，由于LoRa不能直接接入公共网络，研究者们尝试用其他通信技术与LoRa结合的方式进行数据传输。刘鸿芳[22]采用LoRa与4G网络结合的通信方式，实现了环境智能监控系统的设计，通过实验验证了系统的有效性；严朝阳[23]设计了一种基于LoRa、NB-IoT、WiFi的多模异构网关，该网关下行以LoRa技术构成的星型网络实现远距离、易扩展的数据传输，上行采用NB-IoT或WiFi技术完成数据向云平台的发送。测试表明，该系统性能良好，具有很好的应用价值。

综上，LoRa无线通信技术在成本、覆盖范围、可接入设备数量和功耗方面都有良好表现，尤其在成本和功耗方面最为突出。相比之下，LoRa在延迟、QoS和传输速率方面有所不足，学者们也对此做了很多尝试。关于LoRa技术的应用研究，目前主要集中在远程抄表、智慧农业和智慧城市方面，但已有学者尝试在工业领域应用，这说明LoRa技术具有广泛的应用前景。本文对近年来LoRa的相关研究进行了汇总，如表1所示。

表1 LoRa技术的研究汇总

3 NB-IoT无线通信技术

NB-IoT起源于英国Neul公司，该技术聚焦于低功耗、广覆盖物联网市场，数据速率在100 kb/s～ 1 Mb/s范围内。在同一基站的情况下，NB-IoT比现有无线技术提供50～100倍的接入数，一个扇区能够支持10万个连接，相比WiFi、ZigBee等技术，具有覆盖广、连接多、成本低、功耗低、扩展性好、可利用现有蜂窝移动网络进行数据传输等特点[24-28]，被认为是物联网通信的最优选择[29]。在国家政策方面，中国工业和信息技术部于2017年5月宣布加快NB-IoT在公共事业和智慧城市的商业用途，同年7月，中国电信NB-IoT网络正式商用，截至2020年5月，中国电信5G NB-IoT用户规模已突破1亿，建成了全球首个连续覆盖、规模最大、覆盖最广、频段最优的NB-IoT商用网络，NB-IoT基站超40万[30]。NB-IoT应用正在迅速推广，已成为物联网领域的研究热门。

3.1 NB-IoT的性能研究

BAO L[2]通过实际道路测试，验证了NB-IoT具有广覆盖、广连接特性。在覆盖范围方面，文献[31]在农村地区对NB-IoT与传统 LTE 的覆盖范围进行了测试，结果表明，在室外环境下，LTE覆盖了99.9%的室外和室内设备，而在深层室内环境下，NB-IoT 覆盖率达到95%；在能耗与延迟的平衡方面，文献[32]提出了一种基于机器学习的算法，该算法在于权衡数据发送重复次数和物联网设备能耗，采用动态频谱访问来优化重复次数，从而优化能耗；在能耗与QoS的平衡方面，文献[33-34]提出了一种有助于优化数据发送重复次数并降低设备能耗的模型，测试表明，在10%误差范围内，所提出的模型使设备的能耗减少了大约45%，显著提高了NB-IoT设备的电池寿命。

3.2 NB-IoT的应用研究

NB-IoT具有可直接接入公共网络的优点，对此，有学者采用NB-IoT无线通信技术与云平台连接，实现了基于NB-IoT、云平台的无线数据传输系统，穆慧珍等[34]设计了一种无线的数据传输系统，以阿里云为云平台，NB-IoT技术为通信网络，实现了过程参数在云端的远程监测控制，该系统具有无中间节点、部署灵活、传输距离长等特点，可以广泛应用于无需中继节点的远距离、低功耗、低成本通信传输。

HUAN J[35]对穆慧珍所设计的无线数据传输系统进行了实际应用，提出了一种基于NB-IoT的水产养殖池塘的水质监测系统。该系统通过NB-IoT进行温度、pH值、含氧量等环境参数的采集，并采用超文本传输（HTTP）协议实现与云平台的通信，系统不仅可以实现养殖池溏的水质检测，还可以通过STM32L151C8单片机实现对底层设备的远程控制。试验表明，该系统运行稳定，数据传输实时准确，能够满足实际生产需要。

WANG J X[36]开发了一种基于NB-IoT的独立烟雾、温度和湿度传感警报系统，可以在待机状态下工作大约5年，具有良好的火灾预警效果。相比基于LoRa技术的报警系统，NB-IoT具有更好的可靠性和实时性，但在电池使用寿命方面有所不足，这对需要将设备安装在墙体内部等不方便更换电池的场景是不利的。

SANTA J[37]将NB-IoT技术应用于智慧城市，针对目前智慧交通所感知的对象集中在公共汽车和地铁等公共交通设备，设计了一个基于NB-IoT技术的车载装置。该装置可用于电动车、自行车等不具备车载网络的城市交通设备的网络连接，测试表明，该车载装置连接性能良好，网络延迟低于100毫秒，但是其实用价值还有待考察。

KHAN S Z[38]对基于NB-IoT技术的无线检测系统在室内环境下的连接性能进行了研究，通过在不同海拔高度下NB-IoT覆盖范围的实际测量，结果表明，基于NB-IoT的无线检测系统在室内环境下连接性能良好，满足物联网应用的需求。SISAVATH C[39]在前人研究的基础上，将NB-IoT在智能家居中进行了应用，设计出一种智能家居安防系统，该系统支持浏览器、PC端和App的温湿度环境远程监测，并可实现智能物联网家具的远程控制。

NB-IoT技术在智能家居、智慧城市等简单场合成功应用的基础上，学者已开始尝试在工业等复杂环境领域的应用。吴飞燕[40]将NB-IoT技术在工业环境监测中进行了尝试，针对传统工业生产线人工巡检监控不及时的问题，设计了一种基于NB-IoT的工业生产线温度监测系统，将温度传感器采集到的数据通过NBIoT网络以CoAP传输协议发送至华为Ocean Connect云平台，实现工业生产线温度的远程实时检测，这是NB-IoT技术在工业领域的一次成功尝试。但该系统只实现了远程监测功能，在随后的研究中，可以借鉴前人在智能家居的成功案例，对工业中需要实时监控温湿度等环境参数的场合，尝试在工业环境下环境参数远程监控的实现。

张超等[41]将NB-IoT应用于军事服务器的状态检测与故障诊断，设计出一种基于NB-IoT的信息服务器状态检测和故障诊断系统，通过对服务器电压、温度和风扇转速等参数基于OneNET云平台的远程监测，并结合所提出的基于专家系统的模糊故障诊断方法，实现服务器的状态检测与故障诊断；LI C Y[42]设计了一种基于NB-IoT的机械设备状态检测系统，该系统通过NB-IoT模块，使用UDP协议将振动数据传输至服务器，在数据传输时，为了获得更低的能耗，为NBIoT模块设计了3种数据传输模式：不连续接受（DRX）模式、省电（PSM）模式和扩展（EDRX）模式。实验证明，该系统能稳定、有效、低耗地实现在线监测，满足实际要求。

综上所述，NB-IoT技术具有广覆盖、广连接、低功耗、高QoS、高可靠性、低延迟等优势。因此，相对于LoRa，NB-IoT技术更适用于一些通信频繁并要求高服务质量的场景。关于NB-IoT的应用研究，目前主要的应用场景集中在智慧农业、智慧城市和智能家居等方面，但随着性能研究的不断完善和应用研究的不断尝试，相信NB-IoT技术在工业物联网领域会有更加广范的应用。本文对近年来NB-IoT技术的相关研究进行了汇总，如表2所示。

表2 NB-IoT技术的研究汇总

4 总结与展望

LoRa和NB-IoT作为LPWAN的两大主流技术，被认为在物联网领域的低功耗、远距离通信方面具有无限可能，应用领域被定义在能源管理、工业控制、个人医疗保健、智能家居、车联网、智慧农业、智慧城市等众多方面，虽然目前的研究应用还主要集中在智慧城市、智慧农业、智能家居等方面，但随着理论研究的深入，应用领域的进一步扩展，LoRa和NBIoT技术必将在物联网领域得到充分应用。

在对LoRa和NB-IoT性能的众多研究中，只有少数学者关注了安全性，但安全性是特别需要重点关注的点，LoRa和NB-IoT技术架构的简单以及低功耗的要求，必然会带来数据加密算法的简单，这使得数据传输的安全性无法保证，因此需要对LoRa和NB-IoT技术的安全性给予更多的关注。

LoRa技术工作于非授权频段下，更适合专用网络的部署，而NB-IoT工作于授权频段下，可直接接入公共网络，更适合应用在公共网络，对于LPWAN网络在工业中的应用，可结合LoRa具有更低成本、更低能耗以及NB-IoT具有更高QoS、可接入外网的特点，在工业厂区内采用LoRa技术进行数据的采集，然后通过NB-IoT将工业数据传输至云端，从而实现工业数据的无线传输。对此，已有学者进行了尝试，海涛等[43]设计出一种基于LoRa和NB-IoT的可视化监控系统，结合了LoRa和NB-IoT两种无线通信技术的优点，将果园空气、土壤等的环境参数上传至OneNET云平台，实现果园精准灌溉，这表明，由LoRa与NB-IoT组成的混合式网络部署模式是可行的，在今后的研究中可尝试将这种模式应用于更多的场景。