大规模物联网中LPWAN技术的比较研究

⃝⃝可在www.sciencedirect.com在线ScienceDirectICT Express 5（2019）1www.elsevier.com/locate/icte用于大规模物联网部署的LPWAN技术的比较研究Kais Mekkia， Eddy Bajica，Frederic Chaxela，Fertilizer Meyerba南希自动控制研究中心，Campus Sciences，BP 70239，Vandoeuvre，54506，France bOKKO SAS，34 Rue Nationale，Puttelange-aux-Lacs，57510，France接收日期：2017年9月21日;接受日期：2017年在线提供2018年摘要到2020年，将有超过500亿台设备通过无线电通信连接。随着物联网（IoT）市场的快速增长，低功率广域网（LPWAN）已经成为流行的低速率远程无线电通信技术。Sigfox、LoRa和NB-IoT是三种领先的LPWAN技术，它们在大规模物联网部署方面展开竞争。本文对这些技术进行了全面的比较研究，这些技术可以作为连接智能，自治和异构设备的有效解决方案我们表明，Sigfox和LoRa在电池寿命、容量和成本方面具有优势。同时，NB-IoT在延迟和服务质量方面提供了此外，我们还分析了这些LPWAN技术的物联网成功因素，并考虑了应用场景，并解释了哪种技术最适合这些场景。c2018韩国通信与信息科学研究所（KICS）。Elsevier B.V.的出版服务。这是一个开放获取CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：物联网;LPWAN; LoRa; Sigfox; NB-IoT1. 介绍物联网（IoT）是指设备/传感器之间的互连和数据交换。目前，随着物联网技术的爆炸式增长，越来越多的实际应用可以在许多领域找到，包括安全，资产跟踪，农业，智能计量，智能城市和智能家居[1]。物联网应用具有特定的要求，例如长距离、低数据速率、低能耗和成本效益。广泛使用的短距离无线电技术（例如，ZigBee、蓝牙）不适用于需要长距离传输的场景。基于蜂窝通信的解决方案（例如，2G、3G和4G）可以提供更大的覆盖范围，但它们消耗过多的设备能量。因此，物联网应用*通讯作者。电子邮件地址：kais. univ-lorraine.fr（K. Mekki）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2017.12.005由于其低功耗、长距离和低成本的通信特性，LPWAN在工业和研究界越来越受欢迎它在农村地区提供长达10-40公里的远程通信此外，它具有高能效（即10年以上的电池寿命[3]）和廉价，无线电芯片组的成本低于2e，每个设备每年的运营成本为1e [4]。LPWAN的这些有前途的方面促使最近对LPWAN在室外和室内环境中的性能进行了实验研究[5综上所述，LPWAN非常适合只需要远距离传输少量数据的物联网应用，如图所示。1.一、直到2013年初，“LPWAN”一词许多LPWAN技术已经出现在许可以及未许可的频率带宽中。其中，Sigfox、LoRa和NB-IoT是当今Sigfox技术是在2010年开发的， Sigfox（位于法国图卢兹），2405-9595/c2018韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。2K. Mekki，E.Bajic，F.Chaxel等人/ICT Express 5（2019）1图1.一、所 需数据速率与无线电通信技术的范围容量：LPWAN定位。以及LPWAN网络运营商。Sigfox在31个国家运营和商业化自己的物联网解决方案，由于与各种网络运营商的合作关系，该解决方案仍在全球范围内推广[9]。LoRa最初由Cycleo公司于2009年开发，三年后被Semtech公司收购。2015年，LoRa由LoRa-Alliance标准化，并在42个国家部署，由于各种移动运营商的投资，LoRa仍在其他国家推出（例如，法国的Bouygues和Orange，荷兰的KPN和南非的Fastnet）。NB-IoT是基于窄带无线电技术的LPWAN技术，并且由第三代合作伙伴计划（3GPP）标准化。其规范于2016年6月在3GPP的Release 13中发布。NB-IoT仍在欧洲进行测试2016年12月，沃达丰和华为将NB-IoT集成到西班牙沃达丰网络中，并向安装在水表中的设备发送了第一条符合NB-IoT标准的消息目前，华为正在扩大合作伙伴关系，以在全球范围内部署这项技术（宣布将于2018年在许多国家部署）。2017年5月，中国工业和信息化部宣布决定加快NB-IoT在公用事业和智慧城市应用中的商业应用。本文分析了Sigfox、LoRa、和NB-IoT在物理/通信特性方面进行了介绍和比较。此外，这些技术还在物联网成功因素方面进行了比较，例如服务质量（QoS），覆盖范围，范围，延迟，电池寿命，可扩展性，有效载荷长度，部署和成本。此外，我们还考虑了应用场景，并解释了哪种技术最适合。本文的其余部分组织如下：第2节描述了Sigfox、LoRa和NB- IoT的技术特性第3节从物联网因素方面对它们进行了第4节解释了哪种技术最适合不同的应用场景。最后，第五部分对本文进行了讨论和总结2. 技术差异：SIGFOX、LORA和NB-IOT在 本节 中， 我们 重点 介 绍了 新兴 的专 有 技术 以及Sigfox、LoRa和NB-IoT的技术方面，如表1所示。2.1. SigfoxSigfox是一家LPWAN网络运营商，基于其专利技术提供端到端物联网连接解决方案。Sigfox部署了其专有的基站，这些基站配备了认知软件定义的无线电，并使用基于IP的网络将它们连接到连接到这些基站的终端设备使用超窄带（100 Hz）亚GHZ ISM频带载波中的二进制相移Sigfox 使 用 未 经 许 可 的 ISM 频 段 ， 例 如 ， 欧 洲 为 868MHz，北美为915 MHz，亚洲为433 MHz。通过采用超窄带，Sigfox有效地利用了频率带宽，并经历了非常低的噪声水平，从而实现了非常低的功耗、高接收器灵敏度和低成本的天线设计，而最大吞吐量仅为100 bps。Sigfox最初仅支持上行链路通信，但后来发展为具有显著链路不对称性的双向技术下行链路通信，即，从基站到终端设备的数据只能在上行链路通信之后发生通过上行链路的消息的数量被限制为每天140每个上行链路消息的最大有效载荷长度是12字节。然而，下行链路上的消息数量被限制为每天四个消息，这意味着不支持每个上行链路消息的确认。每个下行链路消息的最大有效载荷长度是8个字节。在没有足够的分段支持的情况下，使用时间和频率分集以及传输复制来确保上行链路通信可靠性。每个终端设备消息在不同的频率信道上传输多次（默认情况下为三次）。为此目的，例如在欧洲，868.180 MHz和868.180 MHz之间的频带可以被用于无线通信。868.220 MHz被划分为400个正交的100 Hz信道（其中40个信道被保留而不使用）[4]。由于基站可以在所有信道上同时接收消息，因此终端设备可以随机选择频率信道来发送它们的消息。这简化了终端设备的设计并降低了成本.2.2. LoraLoRa是一种物理层技术，使用专有的扩频技术[11]在亚GHz ISM频段像Sigfox一样，LoRa使用未经许可的ISM频段，即，欧洲868 MHz，北美915 MHz，亚洲433MHz双向通信是由线性调频扩频（CSS）调制提供的，在较宽的信道带宽上的窄带信号。产生的信号具有低噪声水平，能够实现高抗干扰能力，并且难以检测或干扰[12]。LoRa使用六个扩频因子（SF7到SF12）来适应数据速率和范围的权衡。更高的扩频因子以更低的数据速率为代价允许更长的范围，反之亦然。LoRa数据速率在300 bps和50 kbps之间，具体取决于扩频因子和信道带宽。此外，使用不同扩频因子发送的消息可以由LoRa基站同时接收[13]。最大K. Mekki，E.Bajic，F.Chaxel等人/ICT Express 5（2019）13表1LPWAN技术概述：Sigfox、LoRa和NB-IoT。Sigfox LoRaWAN NB-IoT调制BPSK CSS QPSK频率非授权ISM频段（欧洲868MHz，北美915 MHz，亚洲433 MHz）未经许可的ISM频段（欧洲868MHz，北美915 MHz，亚洲433 MHz）授权LTE频段带宽100 Hz 250 kHz和125 kHz 200 kHz最大数据速率100 bps 50 kbps 200 kbps双向限制/半双工是/半双工是/半双工最多消息/天140（UL），4（DL）无限无限最大有效载荷长度12字节（UL），8字节（DL）243字节1600字节范围10公里（城市），40公里（农村）5公里（城市），20公里（农村）1公里（城市），10公里（农村）抗干扰性非常高非常高低身份验证加密不支持是（AES 128b）是（LTE加密）自适应数据速率否是否切换终端设备不加入单个基站终端设备不加入单个基站终端设备加入单个基站单个基站定位是（RSSI）是（TDOA）否（低于质量标准）允许专用网络否是否Sigfox公司正在与ETSI合作，基于Sigfox网络LoRa-Alliance 3GPP图二. 终端设备和基站之间的双向通信，用于LoRaWAN A类。每个消息的有效载荷长度是243字节。LoRaWAN是LoRa-Alliance（2015年第一个版本）标准化的基于LoRa的通信协议使用LoRaWAN，终端设备发送的每个消息都被范围内的所有基站接收通过利用这种冗余接收，LoRaWAN提高了成功接收消息的比率。然而，实现该特征需要邻近的多个基站，这可能增加网络部署成本。在后端系统（网络服务器）中过滤所产生的重复接收，该后端系统也具有检查安全性、向终端设备发送消息此外，LoRaWAN利用不同基站对相同消息的多次接收来定位终端设备。为此，使用了基于到达时间此外，在不同基站处多次接收相同消息避免了LoRaWAN网络中的切换如果节点是移动的或者正在移动，则在基站之间不需要切换）。此外，LoRaWAN提供各种类型的终端设备，以满足各种物联网应用的不同要求，例如，延迟要求。- 双向终端由终端设备调度的传输批次基于基于其自身的通信需要，具有基于随机时间的小变化。这次A级行动 是最低功率的终端设备系统，用于在终端设备发送上行链路消息后仅需要短下行链路通信的应用。在任何其他时间的下行链路通信将不得不等待，直到终端设备的下一个上行链路消息。– 具有预定接收批次的双向终端设备（B类）：除随机接收窗口外在A类中，B类设备在预定时间打开额外的接收窗口。为了在预定时间打开接收窗口，终端设备从基站接收时间同步的这允许网络服务器知道终端设备何时正在侦听。– 具有最大接收时隙的双向终端设备（C类）：C类终端设备几乎连续打开接收窗口，并且仅在以过度能耗为代价进行传输时关闭。LoRaWAN的下一个版本的规范仍由LoRa-Alliance开发[10]。预计新功能包括漫游、B类澄清以及A类和C类之间的临时切换。2.3. NB-IoTNB-IoT是2016年6月3GPP第13版中规定的窄带物联网技术。NB-IoT可以与GSM（全球移动通信系统）和LTE（长期演进）在许可频带下共存（例如，7004K. Mekki，E.Bajic，F.Chaxel等人/ICT Express 5（2019）1图三. NB-IoT的操作模式MHz、800 MHz和900 MHz）。NB-IoT占用200 KHz的频带宽度，这对应于GSM和LTE传输中的一个资源块[14]。通过这种频带选择，以下操作模式是可能的，如图所示。第三节：– 独立操作：一种可能的情况是利用目前使用的GSM频带。– 保护频带操作：利用LTE载波的保护频带内的未使用的资源块– 带内操作：利用LTE载波内的资源块。对于独立操作，图3的右侧部分中的GSM载波被示出为示例，以指示该操作在NB-IoT部署中是可能的。事实上，3GPP建议将NB-IoT与LTE蜂窝网络相结合。除了现有的LTE基础设施之外，仅通过软件升级NB-IoT通信协议基于LTE协议。事实上，NB-IoT将LTE协议功能减少到最低限度，并根据IoT应用的需要对其进行增强。例如，LTE后端系统被用于广播对于内部的所有终端设备有效的信息。 一间牢房由于广播后端系统从每个终端设备获得资源并消耗电池功率，因此在大小以及其出现方面都保持最小。它针对小型和不频繁的数据消息进行了优化，并避免了物联网目的不需要的功能，例如，测量以监视信道质量、载波聚合和双连接。因此，终端设备只需要很小的电池的数量，从而使其具有成本效益。因此，从协议栈的角度来看，NB-IoT技术可以被视为一种新的空中接口，同时建立在完善的LTE基础设施上。NB-IoT允许每个小区连接多达100 K个终端设备，并有可能通过添加更多的NB-IoT载波来扩展容量。NB-IoT在上行链路中使用单载波频分多址（FDMA）并且在下行链路中使用正交FDMA（OFDMA），并且采用正交相移键控调制（QPSK）[14]。下行链路的数据速率限制为200kbps，上行链路的数据速率限制为20 kbps。每个消息的最大有效负载大小为1600字节。如[15]中所讨论的，NB-IoT技术平均每天传输200字节时可以实现10年的电池寿命。NB-IoT在Release 15中继续改进的3GPP。根据3GPP终端设备软件更新和消息关于整个终端设备组），移动性，以及进一步的技术细节，以增强NB-IoT技术的应用。3. 在IoT因素在为物联网应用选择合适的LPWAN技术时，应考虑许多因素，包括服务质量、电池寿命、延迟、可扩展性、有效载荷长度、覆盖范围、范围、部署和成本。在下文中，Sigfox，LoRa和NB-IoT就这些因素及其技术差异进行了比较。3.1. 服务质量Sigfox和LoRa采用未经许可的频谱和异步通信协议。它们可以反弹干扰、多径和衰落。但是，它们无法提供与NB-IoT相同的QoS。NB-IoT采用许可频谱和基于LTE的同步协议，这对于以成本为代价的QoS是最佳的，即，授权LTE频谱拍卖每MHz超过5亿欧元[8]。由于QoS和成本权衡，NB-IoT是需要保证服务质量的应用程序的首选，而没有此约束的应用程序应选择LoRa或Sigfox。3.2. 电池寿命延迟在Sigfox、LoRa和NB-IoT中，终端设备在工作之外的大部分时间都处于睡眠终端设备寿命长。然而，由于同步通信和QoS处理，NB-IoT终端设备消耗额外的能量，并且其OFDM/FDMA接入模式需要更多的峰值电流[16]。与Sigfox和LoRa相比，这种额外的能耗降低了NB-IoT终端设备的寿命。然而，NB-IoT提供了低延迟的优势。与Sigfox不同，LoRa提供C类，也可以以增加能耗为代价处理低双向延迟。因此，对于对延迟不敏感且没有大量数据要发送的应用程序，Sigfox和A类LoRa是最佳选择。对于需要低延迟的应用，NB-IoT和C类LoRa是更好的选择。3.3. 有效载荷长度支持大量设备是Sigfox、LoRa和NB-IoT的关键功能之一。这些技术K. Mekki，E.Bajic，F.Chaxel等人/ICT Express 5（2019）15表2Sigfox、LoRa和NB-IoT的不同成本。频谱成本部署成本终端设备成本Sigfox免费>4000e/基站<2eLora免费>100e/网关>1000e/基站3NB-IoT>500 Me/MHz>15 000e/基站>20e随着连接设备的数量和密度不断增加有几种技术被认为是应付这种可扩展性的功能，如有效地利用多样性的信道，以及在时间和空间。然而，NB-IoT提供了比Sigfox和LoRa更高的可扩展性。NB-IoT允许每个小区连接多达100 K的终端设备，而Sigfox和LoRa则为每个小区50 K [13]。然而，NB-IoT还提供了最大有效载荷长度的优势如表1所示，NB-IoT允许传输高达1600字节的数据。LoRa允许最多发送243字节的数据。相反，Sigfox提出了12字节的最低有效载荷长度，这限制了其在需要发送大数据大小的各种物联网应用中的使用。3.4. 网络覆盖范围Sigfox的主要利用优势是整个城市可以由单个基站覆盖（即，范围>40公里）。在比利时，一个总面积约为30500平方公里的国家，Sigfox网络部署覆盖整个国家，只有七个基站[8]。相比之 下，LoRa具有较 低的范围（即 ，距离20 公里），只需要三个基站就可以覆盖整个城市，如巴塞罗那。NB-IoT具有最低的范围和覆盖能力（即，射程10公里）。它主要关注安装在远离蜂窝网络典型范围的地方的设备类别（例如，室内，深室内）。此外，NB-IoT的部署仅限于LTE基站。因此，它不适用于无法从LTE覆盖中受益的农村或郊区。3.5. 部署模型NB-IoT规范于2016年6月发布;因此，在其网络建立之前还需要额外的时间然而，Sigfox和LoRa生态系统已经成熟，目前正在各个国家和城市进行商业化。LoRa的优势在于，它目前可以在42个国家部署，而Sigfox只有31个国家[9，10]。尽管如此，LoRa和Sigfox的全球部署仍在推出中。此外，LoRa生态系统的一个显著优势是其灵活性。与Sigfox和NB-IoT不同，LoRa提供本地网络部署，即，使用LoRa网关的LAN以及通过基站的公共网络操作。在工业领域，可以采用混合运营模式，在工厂区域部署本地LoRa网络，并使用公共LoRa网络覆盖外部区域。见图4。Sigfox、LoRa和NB-IoT在物联网因素方面的各自优势。3.6. 成本需要考虑各种成本方面，例如频谱成本（许可证）、网络/部署成本和设备成本。表2显示了Sigfox、LoRa和NB-IoT的成本显然，Sigfox和LoRa与NB- IoT相比更具成本效益综上所述，Sigfox、LoRa和NB-IoT在不同的物联网因素方面各有优势，如图所示。 四、4. 应用实例：哪种技术最适合？Sigfox、LoRa和NB-IoT的物联网因素和技术差异将决定它们在特定应用中的可行性正如本文所讨论的，一种技术不能平等地服务于所有物联网应用。在本节中，将讨论各种应用程序用例，并总结最适合的技术。4.1. 电能计量在电力计量市场中，公司通常需要频繁的通信、低延迟和高数据速率。通常，它们既不需要低能耗，也不需要长电池寿命，因为电表具有连续电源。此外，公司需要实时网格监控来做出即时决策，例如，负载、断电和中断。因此，Sigfox不适合此应用程序，因为它不能处理低延迟。相反，电表可以使用C类LoRa设置，以确保非常低的延迟。然而，NB-IoT更适合这种应用，因为它需要高数据速率和频繁的通信。此外，电表通常位于人口稠密地区的固定位置。因此，很容易通过蜂窝运营商（LTE）确保NB-IoT覆盖。6K. Mekki，E.Bajic，F.Chaxel等人/ICT Express 5（2019）14.2. 智能农业在农业中，需要传感器设备的长电池寿命。温度、湿度和碱度传感器可显著降低耗水量并提高产量。这些设备每小时更新几次传感数据，因为环境条件没有根本改变。因此，Sigfox和LoRa是此应用的理想选择此外，今天的许多农场没有LTE蜂窝覆盖;因此，NB-IoT在不久的将来不是农业的解决方案。4.3. 制造自动化实时机械监控可防止工业生产线停机，并允许远程控制以提高效率。在工厂自动化中，存在各种类型的传感器和通信要求。一些应用需要频繁的通信和高质量的服务，因此NB-IoT是比Sigfox和LoRa更好的解决方案。其他应用需要低成本传感器和长电池寿命来进行资产跟踪和状态监控;在这种情况下，Sigfox和LoRa是更好的解决方案。由于各种要求，也可以使用混合解决方案。4.4. 智能建筑温度、湿度、安全、水流和电插头传感器提醒物业管理人员防止损坏，并立即响应请求，而无需手动楼宇监控器。建筑物这些传感器需要低成本和长电池寿命。他们不要求服务质量或者频繁的通信，因此Sigfox和LoRa更适合这类应用。4.5. 零售点终端销售点系统要求有保证的服务质量 因为他们处理频繁的通信。这些系统具有连续的电源，因此对电池寿命没有限制。还存在对低等待时间的强烈要求，即，长的等待时间限制了存储可以进行的事务的数量因此，NB-IoT更适合这种应用。4.6. 用于物流的目前，托盘跟踪，以确定货物的位置和条件是非常可取的物流。在这种应用中，最受欢迎的要求是设备成本和电池寿命。托盘跟踪是混合部署解决方案的一个很好的例子.物流公司可以拥有自己的网络，以确保其设施的覆盖范围。低成本的物联网设备可以很容易地部署在车辆上。当车辆在设施外或货物到达客户位置时，可以使用Sigfox或LoRa公共基站然而，LoRa允许更可靠的通信，Sigfox在高速移动时[3]。对于NB-IoT，LTE网络可能无法在所有物流地点（通常在农村地区）使用由于成本低，电池寿命长，移动通信可靠，LoRa更适合这种应用。5. 结论本文总结了Sigfox、LoRa和NB-IoT的技术差异，并讨论了它们在物联网因素和主要问题方面的优势。每种技术都将在物联网市场中占有一席之地。Sigfox和LoRa将作为成本较低的设备，具有非常长的距离（高覆盖率），不频繁的通信速率和非常长的电池寿命。与Sigfox不同，LoRa还将服务于本地网络部署和设备高速移动时的可靠通信。相比之下，NB-IoT将服务于更高价值的物联网市场，这些市场愿意为极低的延迟和高质量的服务付费。尽管蜂窝公司进行了测试，但由于缺乏NB-IoT商业部署，目前对实际电池寿命以及该技术在现实条件下可实现的性能存在疑问。最后，预计到2020年，第五代（5G）无线移动通信将提供实现人与设备全连接世界的手段，这将为物联网应用带来全球LPWAN解决方案。利益冲突所有作者声明，本论文的发表不存在利益冲突。引用[1] R. 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