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LoRaWAN® 和 5G 的事实与虚构:与 NB-IoT 比较

LoRa, Wireless RF, Internet of Things, Events

Remi Lorrain

Remi Lorrain

Semtech 的 LoRaWAN 网络总监

LoRaWAN® 和 5G 的事实与虚构:与 NB-IoT 比较我们将持续介绍 LoRaWAN® 协议以及如何转变基于 5G 的下一代网络应用,这是系列博文中的第四篇。该系列博文与 Semtech 的“5G 事实与虚构,以及 LoRaWAN 如何发挥作用”网络研讨会一脉相承。该研讨会的与会者包括 Charter CommunicationsMultiTechOrange,由 Beecham Research 主持。文章将探讨在网络研讨会的问答环节中观众提出的一些紧迫话题。第一部分中介绍新系列,第二部分访谈 MultiTech 并探索大型 LoRaWAN 网络,第三部分有 Orange 的见解。 

在下面的第四部分中,Semtech 的 LoRaWAN 网络总监 Rémi Lorrain 将探讨 LoRaWAN 与 NB-IoT 的主要区别。

您能详细介绍一下 LoRaWAN 与 NB-IoT 之间的功耗差距吗?

4G NB-IoT (Cat NB1 3GPP Release 13 and Cat NB2 3GPP Rel14) is actually not a 5G radio technology. 5G NR (New Radio) does not cover low power wide area network (LPWAN) Internet of Things (IoT) use cases in the current 5G release. Therefore, the Cellular IoT technologies covering the LPWAN IoT segment today are 4G Technologies: NB-IoT and LTE-M (CAT-M1).

我们经常看到从功耗角度比较 NB-IoT 和 LoRaWAN 的研究。由于“功耗”与用例有关,并且取决于数十个参数,如应用设计(终端器件通信方案和移动性配置文件)、硬件和软件设计(电子组件)以及网络部署策略(3GPP 规范发布和激活的服务),因此难以对此主题进行全面的分析。

LoRaWAN 协议专为大型物联网用例而设计,可优化电池供电传感器的电池寿命。此外,4G 是专为宽带和关键物联网应用而构建的,可优化稀缺且昂贵的频谱(基于网络对终端器件的永久控制)。我不会详细分析每个用例的差距,而只是重点阐述 NB-IoT 难以实现低功耗的 10 个原因。显然,功耗的比较不能是简单地比较“芯片对芯片”的技术。

广谱挑战

NB-IoT频谱覆盖 20 多个频段,其中 10 多个被建议用于全球漫游(从 700MHz 到 2GHz 以上)。在设计使用多个频段的器件天线和无线电前端时,会存在功率损耗问题;而 LoRaWAN 协议都在 450MHz 至 923MHz 之间,可优化天线设计、降低功率损耗。NB-IoT终端器件的解决方案是覆盖有限的频道集,但这会降低漫游能力。

峰值电流挑战

一方面,大多数NB-IoT终端器件的工作输出功率在 20dBm 至 23dBm 之间,峰值电流超过 100mA。另一方面,大多数 Semtech 芯片(LoRa® 调制)的输出功率为 +14dBm,有些 (SX1262) 高达 20dBm。Semtech 芯片通常会达到 40mA 的最大输出峰值电流。因此,对于NB-IoT终端器件来说,影响是增加拥有成本(外形尺寸更大、电池容量更大)以及缩短电池寿命。

多标准挑战

大多数蜂窝运营商拥有数量庞大的 2G M2M 终端器件,可将 2G 和NB-IoT嵌入到同一模块中。为开展多标准的实施,就必须设计 CPU 性能更强、存储容量更高(要存储多个堆栈)的终端器件,但这样能源消耗也更多。

复杂性挑战

一方面,4G 依靠 OFDM 高级(复杂)调制进行下行通信;因此,NB-IoT 终端器件必须能够解调复杂 OFDM 信号,这就需要更高性能的电子组件,导致更高的能耗。另一方面,LoRa 物理无线电层和 LoRaWAN 协议使最终器件设计能够依靠经济高效且低功耗的电子组件实现。由于认证的复杂性和成本因素,将NB-IoT连接集成到终端器件的唯一合理途径是使用针对某些用例进行优化的 NB-IoT 模块。模块 固件不能更改(不使模块认证失效),这就无法针对给定的用例进行优化。LoRaWAN 网络易于连接,器件制造商无需使用模块即可直接在芯片层集成。LoRaWAN 协议栈是开源的,可由任何市场参与者集成。

多版本挑战

更为棘手的是,3GPP 已发布了多个版本的 4G 规范,并仍会保持每 18 个月发布一个新版本的进度。生态系统不得不制造大量模块配置并保持向后兼容性,这降低了规模和能源性能方面的优势;而 LoRaWAN 协议只专注于少数几种配置。

开销挑战

LTE 是一种有状态协议,其终端器件一直连接到网络,这会产生开销和频繁的双向通信,直接影响电池寿命。即使没有应用数据要发送,终端器件也避免不了最低功耗。相反,LoRaWAN 协议是非连接标准 (ALOHA),其终端器件仅在必要时唤醒并进行通信。

终端设备状态挑战

LTE 是一种复杂的协议,会为小区切换(移动器件存在的问题)、保持在线或安全流程而大大增加高能耗器件的状态,从而缩短电池寿命;而 LoRaWAN 协议将通信限于极少数 MAC(媒体访问控制)命令, 与网络共享的信息量有限。

网络特异性挑战

当NB-IoT器件通过漫游使用不同的网络时,每个网络很可能具有不同的器件管理策略,从而使终端器件的电池寿命无法预测。NB-IoT网络之间存在许多差异:PSM(省电模式)激活模式、3GPP 版本、PSM 参数、扩展覆盖激活模式、多标准选项、无线电(频谱使用)通道计划和器件电源管理方案。众多选项令功耗预测难上加难。对于 LoRaWAN 协议,只有自适应数据率策略会在网络之间改变,需要保证电池寿命的终端器件可实施自己的器件定义的数据速率策略。

网络多样性挑战

NB-IoT不实现上行链路宏分集(多个网关接收的终端器件帧)。NB-IoT 终端器件由一个可能相距很远的专用单元管理,从而增加发射功率并消耗更多能量。LoRaWAN 网络设计实现了宏分集,任何网关都可以接收器件帧并成为服务网关,从而增加了靠近终端器件的网关,减少了电池消耗。

致密化挑战

随着终端器件越来越靠近服务网关,网络密集化会对终端器件的能耗产生积极影响。基于功率控制功能,终端器件可以降低其发射功率,从而降低能耗。与 LTE 网络扩展相比,致密化 LoRaWAN 网络的成本可降低两个或更多个数量级。此外,私有和公共 LoRaWAN 网络之间易于协作,支持通过漫游优化网络成本。

总而言之,LoRaWAN 网络和 NB-IoT 之间的功耗差距远远不止是 LoRa 芯片和NB-IoT模块之间的能源性能差距,最终要比较端到端的架构和推广方式。我们看到,NB-IoT要突破 10 个挑战才能达到与 LoRaWAN 网络相当的能耗性能。3GPPP 目前的重点是开发新的 5G 宽带生态系统,而 3GPP 的创新周期(5-10 年)可能是 NB-IoT 生态系统显著优化的又一挑战。

我想以更全面的视角结束这篇文章。如今可以很明显地看出,没有任何一种物联网技术可以覆盖大量多元的物联网用例。正如 LoRa Alliance® 和无线宽带联盟 (WBA) 最近就 Wi-Fi 和 LoRaWAN 发布的白皮书中所探讨的那样,我们看到市场正在转向多无线电接入网络 (Multi-RAN) 策略。此外,多家私营公司和运营商同时部署蜂窝物联网和 LoRaWAN 网络,结合这两种标准的优势,以 LoRaWAN 网络满足大规模物联网要求(非常低的功耗、经济高效的推广、灵活的业务模式和简单性),以蜂窝物联网(4G、5G)用于关键物联网用例或宽带应用。

下载 LoRa Alliance 和 WBA 白皮书

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