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LoRa与NB-IoT在电梯物联网中的应用分析

文:何小虎 鲁国堂 上海新时达电气股份有限公司 | 2019年第二期 (0) | (0)

【摘要】

物联网的应用场景丰富,智能家居、智能楼宇、远程抄表、市政物联和物流及智慧城市等,电梯作为特种设备,其物联网也备受关注;物联网技术按大类可分为蜂窝和非蜂窝、私有技术和国际标准技术、短距离和长距离、低速率和高速率及局域网和广域网等,蜂窝和非蜂窝的长距离方案中的LoRa和NB-IoT(窄带物联网,NarrowBand-InternetofThings)作为低功耗广域网的代表,其强覆盖、低成本、低功耗及大连接特点在物联网应用中优势明显,虽然LoRa和NB-IoT都属于低速率技术(<200kbps),但电梯物联网的应用目前主要是实现故障困人报警与故障预警功能,LoRa和NB-IoT速率已经满足电梯物联网中数据传输要求。本文从多角度对LoRa和NB-IoT在电梯物联网中的应用对了比较分析,最终得出NB-IoT更加适合电梯物联网。

1背景

到2020年,物联网的市场规模将达到2万亿美元,最大的需求来自于工业,到2025年,制造业物联网的产值将到达2.5万亿美元。支持如此庞大的市场规模,目前已涌现出适合不同场合的物联网技术,其中NB-IoT和LoRa备受关注。而作为使用最频繁的垂直交通工具电梯,其物联网技术也在物联网技术的不断迭代中稳步发展,通过电梯物联网技术实现电梯故障困人报警、电梯安全隐患预警以及电梯大数据分析。

LoRa模块是基于Semtech公司SX127X系列芯片研发工业级射频无线产品。相比传统的窄带调制技术,LoRa模块采用了扩频调制技术,在抑制同频干扰的性能方面具有明显优势,解决了传统设计方案无法同时兼顾距离、抗扰和功耗的问题。NB-IoT是工作在授权频段的技术,核心是面向低耗流低端物联网终端,适合广泛部署在智能家居、智能城市、智能生产等领域,在长距离、低速率、低功耗、多终端的物联网应用方面具有较大优势。NB-IoT与LoRa的参数对比如表1所示。

表1NB-IoT与LoRa的参数对比

随着工信部无线电管理局《微功率短距离无线电发射设备技术要求(征求意见稿)》的颁布,LoRa的前景备受堪忧,毕竟LoRa工作在非授权频段,随着国内几大物联网公司的介入和推广,如腾讯、阿里、广电及铁塔,特别是三大运营商之一的中国联通也涉及LoRa,并且发布了首个国家级别的LoRa平台,LoRa在国内也日益壮大。

2技术对比

2.1频谱

NB-IoT工作在授权频段,经过专业规划并受法律保护,相比LoRa的非授权频谱更加稳定;NB-IoT给予现有运行商的蜂窝移动通讯网,是基于调度的技术,终端用户收发数据的位置由基站进行调度,资源使用效率比较高,不容易出现频繁碰撞,而且,通过调度可进一步提升通讯质量。LoRa工作在非授权频段,具有干扰不确定性,难以保证通讯质量,目前缺乏政策和法律的保护,而且现有的国家标准中对组网方式、发射机的持续发射时间都进行了限制,虽标准尚未发布,但仍存在较大的不确定性因素。另外从通信机制分析,LoRa给予Aloha机制,类似于Wi-Fi,需抢占信道发送数据,在发送尝试阶段,需先检测碰撞,一旦碰撞就需退回,对时延和发包成功率都有较大影响,这种机制会导致大量无效的碰撞,数据包发送效率较低。

2.2支持芯片

LoRa目前由美国的Semtech一家垄断,对于行业的发展不是好兆头。特别是当前贸易战中芯片的供应更容易受限于政策因素的影响。而NB-IoT由3GPP标准组织制定,全球主流芯片供应商,如高通、华为、MKT、RDA及ARM都支持NB-IoT协议,特别是我国企业华为在NB-IoT标准相关专利中占主要贡献,对于NB-IoT在国内的推广绝对是有利消息。芯片供给的多元化和产业化,也使NB-IoT模组的价格逼近GSM模组的价格,而随着规模化的发展,NB-IoT模组的价格也呈现下降趋势,而LoRa模组与GSM模组的价格仍有一定的差距。

2.3网络

全球主流运营商基本支持NB-IoT,在中国,三大运营商已经部署百万级别的NB-IoT基站,随后中国移动和中国联通公布百万级别的NB-IoT模组采购订单。运营商可在现有硬件设备基础上通过软件升级方式实现NB-IoT布网,投资少,可实现快速部署。而LoRa网络属于私有网络,需要企业等使用单位独立建网,对用户要求较高。

2.4部署

NB-IoT需要依靠运营商基站和网络,灵活性不高,基站覆盖不到的地方无法通过灵活增加网关等方式实现;而LoRa组网更灵活,可在任何地方灵活部署,特别是在地下场所,蜂窝技术由于自身特点,难以实现高质量通讯,而LoRa可通过部署LoRa网关实现信号覆盖,灵活性高,而且一次部署完成后,不像NB-IoT需额外支付流量等通信费。

3工作原理

3.1LoRa工作原理

本文中提到的LoRa泛指LoRa低功耗广域网,因电梯物联网中若使用LoRa技术,基本都是采用LoRaWAN,严格来说,LoRa是Semtech拥有的专有调制格式,仅包含链路层协议,适用于点对点通信,LoRa只是LoRaWAN网络物理层中使用的调制技术,基本上是CSS(ChipSpreadSpectrum)调制,用于使用不同的扩频因子提供不同的数据速率,而LoRaWAN除定义数据链路层之外,还包括网络层,可将数据发送至已连接到云平台的基站,且支持在不同的频段工作,由于其广泛的覆盖能力而被用作广域网。LoRa有两种不同的协议栈,即LoRaWAN和SymphonyLink,后者适用于需要更高级功能的工业和企业用户,前者适用于基于LoRaWAN的移动网络。LoRaWAN是一个开放的标准,它定义了基于LoRa芯片的LPWAN(LowPowerWideAreaNetwork,低功耗广域网),LoRaWAN在数据链路层定义媒体访问介质控制,并由LoRa联盟负责维护。LoRaWAN不适合专用网络解决方案,其根本原因在于LoRaWAN中,所有频道都调到相同的频率,并且在单一区域最好只有一个网络操作以避免碰撞问题。

LoRaWAN是一种星型或星型对星型的拓扑结构,通过网关将消息中继到服务器,每个末端节点将数据传输到多个网关,由网关将数据转发至网络服务器,在网络服务器上执行冗余检测、安全检查及消息调度,如图1所示。LoRaWAN网络一般包含4层:RF射频层、物理层、MAC层(介质访问控制层)及应用层。

图1LoRa网络拓扑图

3.2NB-IoT工作原理

NB-IoT端到端的系统架构主要包括NB-IoT终端、无线网侧、IOT核心网、IOT平台及应用服务器组成,如图2所示。NB-IoT终端负责通过空中接口连接到基站;无线网侧主要承担空中接入处理,小区管理等相关功能,并通过S1-lite接口与IOT核心网进行连接,将非接入层数据转发给高层网元处理,NB-IoT可独立组网,也可以与EUTRAN融合组网,但仅支持FDD融合组网;IOT核心网承担与终端非接入层交互的功能,并将业务数据转发到IOT平台进行处理,这一段网络,NB-IoT可独立组网,也可与LTE共用核心网;IOT平台汇聚从各种接入网得到的IOT数据,并根据不同类型转发至对应的业务服务器进行处理;应用服务器是物联网数据的汇聚点,根据客户的需求进行数据存储,数据处理等操作。

图2NB-IoT网络结构图

NB-IoT工作机制给LTE网络带来较大的改进要求,传统LTE网络的设计,主要聚焦高传输速率,高带宽,但NB-IoT网络终端数量众多,终端节能要求较高,以小包收发为主,且可能有非格式化的无法直接传输数据。

NB-IoT的低功耗主要使用DRX(DiscontinuousReception)机制使终端休眠,在休眠过程中关闭收发信机,从而达到节电的目的,具体通过设计定时机制,保证终端与网络具有严格的同步,防止工作节奏不一致,另外网络侧与终端侧具有一套沟通机制。以便通知终端是否可休眠和具体休眠时间。

NB-IoT比传统GSM信号强度增强20db,3GPP使用提升功率密度(提高7db),多次重传(提高12db)及多天线(提高0~3db)等方法实现20db的增强。NB-IoT上行传输带宽有3.75KHz和15KHz可供选择,带宽越小,在功率不变的情况下,功率密度越大;NB-IoT在任何信道都可重传,且上行最大128次,下行最大2048次,通过重复发送,获得时间分集增益,并采用低阶调制方式,提高解调性能,增强覆盖。上行最大重传128次,理论增益有20db,考虑到系统不会无限制重传,一般重传增益为12db;通过天线分集,对于1T2R,比1T1R会有3db的增益,综合,NB-IoT你比传统GSM信号增强大概20db。

3.3应用对比

电梯物联网应用有自身特点,由于电梯物联网采集单元一般安装在电梯机房控制柜附近,而控制柜一般是长期供电,因此功耗并不是电梯物联网需要考虑的问题。主要需考虑无线信号的覆盖及无线信号的穿透能力,特别是当电梯物联网终端安装在较偏远地区,无线信号若覆盖不到,则无法实现电梯物联网传感层的数据传输,另外考虑到电梯控制柜一般安装在封闭的机房或建筑物内,甚至机房外用铁材料包围,这些环境都会对无线信号的穿透能力和绕射能力提出挑战。电梯物联网的用户主要是物业单位、维保单位、政府单位及整梯厂,一般都不具备部署规划基站的能力,甚至连维护能力都不具备;电梯物联网一般都是面向全球部署,因整梯厂所销售的电梯一般都覆盖全球范围,因此电梯物联网终端需支持全球通用性。结合LoRa和NB-IoT各自特点,电梯物联网优先选择NB-IoT,理由如下:

电梯属于特种设备,电梯物联网的基本要求需确保实现稳定可靠的电梯故障报警、困人报警以及安全隐患预警,这对终端传输的稳定性和可靠性有较高的要求,由于LoRa工作在免授权频段,无需申请便可建立网络连接,属于开放频段,容易受到其他相同频段设备的干扰,难以保证通讯质量的稳定可靠,类似Wi-Fi,2.4G的频段不在法律保护之内,同一信道内若充斥多个终端抢占,势必造成网络堵塞和数据包延时,这不符合电梯物联网的安全性和及时性要求,而NB-IoT是运营商提供的授权频段,因为是专门划分的频段,因此干扰相对要少跟多,信号质量服务质量和安全性优势明显,而且针对目前的蜂窝网络基站的建成更有利快速大规模应用。从使用端分析,电梯物联网的使用和维护端不具备部署和维护基站的能力,而NB-IoT由运营商负责维护,且运营商本身已经有若干基站的基础,因此NB-IoT更适合电梯物联网;

电梯物联网对终端无线信号的发射功率要求较高,考虑到电梯物联网数据采集和传输单元实际安装的位置可能存在较多的障碍,如封闭的机房、无机房、下沉式机房及地下楼层数据传输等,NB-IoT相比GSM发射功率增强20db,且支持天线集分,能大大提高电梯故障报警、电梯困人报警等关键信息成功上报的概率。

电梯物联网的发展从基本的电梯故障报警、困人报警,到安全隐患的预警,到大数据分析及音视频对讲,数据量不断增大,通讯速率要求也不断提高,从发展的趋势分析,电梯物联网采用的数据传输技术需支持较好的演进,LoRa作为某个公司的私有协议,基本不具备这一潜质,而NB-IoT作为5G的三个标准之一,并在未来向5G演进,符合电梯物联网行业发展的要求。

4结束语

物联网行业技术百花齐放,电梯物联网与人民生活息息相关,下到企业,上到政府,都在积极参与到电梯物联网的建设中,从芯片、模组、终端、产品、运营商到系统集成,整个产业链都在健康发展。在众多的物联网技术中选择合适的接入方式是电梯物联网设计中需要充分研究的难题之一,本文在理论分析的基础上,从电梯物联网实际应用场景出发,综合比较了适合电梯物联网中传输层方案的LoRa和NB-IoT技术,并充分考虑LoRa和NB-IoT各自技术的优点和缺点,最终选择NB-IoT作为电梯物联网传输层的技术方案,并将在后续的实验室测试和现场测试中进一步验证和对比。

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