物联网无线技术LoRa、Wi-Fi、ZigBee、NB-IoT、蓝牙5.0技术盘点

LoRa

LoRa(长 距离)是由Semtech公司开发的一种技术，典型工作频率在美国是915MHz，在欧洲是868MHz，在亚洲是433MHz。LoRa的物理层 (PHY)使用了一种独特形式的带前向纠错(FEC)的调频啁啾扩频技术。这种扩频调制允许多个无线电设备使用相同的频段，只要每台设备采用不同的啁啾和 数据速率就可以了。其典型范围是2km至5km，最长距离可达15km，具体取决于所处的位置和天线特性。

LoRa芯片在整个产业链中处于基础核心地位，重要性不言而喻。值得注意的是，目前美国Semtech公司是LoRa芯片的核心供应商，掌握着LoRa底层技术的核心专利。而Semtech的客户主要有两种，一是获得Semtech LoRa芯片IP授权的半导体公司；二是直接采用Semtech芯片做SIP级芯片的厂商，包括微芯 科技 （Microchip）等。

Wi-Fi

Wi-Fi被广泛用于许多物联网应用案例，最常见的是作为从网关到连接互联网的路由器的链路。然而，它也被用于要求高速和中距离的主要无线链路。

大多数Wi-Fi版本工作在24GHz免许可频段，传输距离长达100米，具体取决于应用环境。流行的80211n速度可达300Mb/s，而更新的、工作在5GHz ISM频段的80211ac，速度甚至可以超过13Gb/s。

一 种被称为HaLow的适合物联网应用的新版Wi-Fi即将推出。这个版本的代号是80211ah，在美国使用902MHz至928MHz的免许可频段， 其它国家使用1GHz以下的类似频段。虽然大多数Wi-Fi设备在理想条件下最大只能达到100米的覆盖范围，但HaLow在使用合适天线的情况下可以远达1km。

80211ah 的调制技术是OFDM，它在1MHz信道中使用24个子载波，在更大带宽的信道中使用52个子载波。它可以是BPSK、QPSK或QAM，因此可以提供宽 范围的数据速率。在大多数情况下100kb/s到数Mb/s的速率足够用了——真正的目标是低功耗。Wi-Fi联盟透露，它将在2018年前完成 80211ah的测试和认证计划。

针对物联网应用的另外一种新的Wi-Fi标准是80211af。它旨在使用从54MHz到698MHz范围内的电视空白频段或未使用的电视频道。这些频道 很适合长距离和非视距传输。调制技术是采用BPSK、QPSK或QAM的OFDM。每个6MHz信道的最大数据速率大约为24Mb/s，不过在更低的 VHF电视频段有望实现更长的距离。
ZigBee

ZigBee，也称紫蜂，是一种低速短距离传输的无线网上协议，底层是采用IEEE 802154标准规范的媒体访问层与物理层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee是物联网的理想选择之一。

虽然ZigBee一般工作在24GHz ISM频段，但它也可以在902MHz到928MHz和868MHz频段中使用。在24GHz频段中数据速率是250kb/s。它可以用在点到点、星形和网格配置中，支持多达254个节点。与其它技术一样，安全性是通过AES-128加密来保证的。ZigBee的一个主要优势是有预先开发好的软件应用配 置文件供具体应用(包括物联网)使用。最终产品必须得到许可。

ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事？举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降后，每人持有一个ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。这就是自组织网。

NB-IoT

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说NB-IoT设备电池寿命可以提高至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。

蓝牙50

蓝牙是一种无线传输技术，理论上能够在最远 100 米左右的设备之间进行短距离连线，但实际使用时大约只有 10 米。其最大特色在于能让轻易携带的移动通讯设备和电脑，在不借助电缆的情况下联网，并传输资料和讯息，目前普遍被应用在智能手机和智慧穿戴设备的连结以及智慧家庭、车用物联网等领域中。新到来的蓝牙 50 不仅可以向下相容旧版本产品，且能带来更高速、更远传输距离的优势。

物联网中低功耗广域网最具有发展力的就是NB-IoT技术和LoRa技术了
第一，频段、服务质量和成本。LoRa工作在1Ghz以下的非授权频段，在应用时不需要额外付费，NB-IoT和蜂窝通信使用1GHz以下的频段是授权的，是需要收费的。
第二，电池寿命。关于电池寿命方面有两个重要的因素要考虑，节点的电流消耗以及协议内容。LoRa是一种异步的基于ALOHA的协议，也就是说节点可以根据具体应用场景需求进行或长或短的睡眠;而蜂窝等同步协议的节点必须定期地联网，这样就额外的消耗了电池的电量。
第三，网络覆盖和部署时间表。NB-IoT标准在2016年公布，除网络部署之外，相应的商业化和产业链的建立还需要更长的时间和努力去探索。LoRa的整个产业链相对已经较为成熟了，产品也处于“蓄势待发”的状态，同时全球很多国家正在进行或者已经完成了全国性的网络部署。
第四，设备成本。对终端节点来说，LoRa协议比NB-IoT更简单，更容易开发并且对于微处理器的适用和兼容性更好。同时低成本、技术相对成熟的LoRa模块已经可以在市场上找到了，并且升级版还会接踵而至。
可以去塔石了解一下，他们lora和nb-iot两种技术都有用到

在这之前，我们通过《从陌生到认识——LoRa技术》知道了LoRa，在这之后，我们或许可以将LoRa技术落地应用。

首先，什么是LoRa网关？ 网关功能和大小都和WIFI路由器差不多，它用来接收节点（终端）发射的数据，然后通过互联网把数据转送到LoRa应用服务器。

常用的LoRa网关芯片有：

以 Dragino 网关为例，Dragino LG08 网关使用了一个网关芯片（SX1301)，两个射频前端芯片(SX1257)，可以同时监听8路+1路LoRa信号，接收灵敏度为 -140dBm，支持LoRaWAN协议标准。

大部分网关的设计都可以同时接收8 路不同射频频率的信号

因为，LoRa网关有8个LoRa信号接收信道，这信道好比马路上的车道，如果马路有八条车道，即可以同时实现八辆车并排通行，如果要求每一种类型的车仅能行驶在固定的车道，那么，八车道的马路同时并排的八辆车必须是不同类型的，LoRa网关也如是，它只能同时接八种不同类的信号（频率和SF不同），如果同一时间有大量节点发射数据，网关的信道被占满后，会放弃其他多余的信号。

LoRa信道冲突是很常见的，所以节点发射信号要有协议规定，例如信号占空比，每个节点每次发射信号占用的时间不能超过规定的时间，否则视为不遵守规则。 网关可以通过硬件设计方式，例如添加节点芯片，实现LBT——listen-before-talk，LBT的作用是监控信道是否被占用，在某些国家（日、韩）是强制要求网关实现这个功能的，因为这些国家面积小，人口又比较多，通信频道容易拥塞，使用LBT能提高信道效率。

网关容量的计算比较复杂，如果终端按每3分钟发射一次数据，数据长度为50B去估算，网关接纳终端的数量是900个左右。

具体要计算网关接纳终端的容量，受很多因素制约，其中至关重要的是通道多址接入控制协议，多址接入协议分类有：
1固定多址接入，典型的有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、 码分多址(CDMA)、空分多址(SDMA)。
2随机多址接入，靠随机数控制，典型的协议有ALOHA, CSMA。
3基于预约的多址接入，数据发射前先进行通道预约，原理和日常预约挂号差不多。

LoRaWAN一般有8路信道，每路信道是相互独立的，我们只要分析其中一路信道，计算其容量，再乘以8就可以计算出网关的容量。
以Dragino LG08网关的其中一个信道为例进行分析，首先，需要统计网关覆盖区域内的所有终端节点的发包长度、ADR后的扩频因子、发包频率这些参数。通过LoRa计算工具（计算公式）计算出LoRaWAN模式下不同扩频因子对应的传输速率，并计算出每个终端节点的每个包的飞行时间，然后进行加权平均和数据处理。

处理方法如下：

很明显LoRa的网关容量是足够大的，物联网节点设备每天的发包率大多数都很低，一个Dragino LG08网关每天可以支持几十万（粗略估算 )条上行数据，计算公式： 。

如果考虑下行数据，上行的数据包总量会有所减少，大概会减少 20%~50%的上行数据容量。

如果使用Dragino的新款网关LIG16（SX1302方案），上述数据容量会明显增大，1302的信道的吞吐量要比1301大 倍。

基本上，LoRaWAN网络的信道容量是足够的，网关布置的关键是要考虑信号的覆盖问题。

LoRa节点芯片亦发展到了第二代，第一代为SX127X系列，第二代为SX126X系列，新产品性能必须要比旧产品性能好，SX126X对比旧版的优势有：

可以通过使用温补晶体或电路开槽的方案解决。

空中飞行时间可以通过公式计算得到：

是单个码元的时间， 是数据包码元总数。

数据包长度值最小是1B，最大长度需要满足国家地区无线电规范。 需要注意的是，每增加1B长度的数据，其空中飞行时间不会连续增加，而是增加一定字节的数据后一次性增加时间。

这是因为数据发射前要经过LoRa芯片的交织编码处理，而交织编码器有一定的容余空间。

例如在 SF = 7 的配置下，交织器的容量是 ，其中有 是有效载荷， 发送1B~3B的数据都是用5个码元，发送4B数据时，就要10个码元数，而10个码元可以容纳56b（7B）有效载荷。

LoRa通过无线电波传输，无线电波从发射天线发出，沿不同途径和方式到达接收天线，传输到达的距离远近和电波的频率、极化方式、传播的路径等有关。

电波的理想路径是在真空传输，没有阻挡，舒舒服服。
在实际的应用环境中存在各种障碍物，使电波的传播产生反射、绕射和衍射等非理想传输方式，造成距离计算的多样性和复杂性。

无线电波极限距离可以用公式表达为：

弗里斯传输方程是讨论，在自由空间的一个射频发射和接收系统中，发射功率、接收功率与天线增益、传输距离之间的关系。

当发射天线与接收天线的方向系数 都为1时，设发射天线辐射功率 与接收天线的最佳接收功率 的比值为 ， 得公式：

D=1时，无方向性发射天线的功率密度：

D=1时，无方向性接收天线的接收面积：

该天线的接收功率为：

于是自由空间传播损耗为：

当电波频率提高一倍或距离增加一倍时，自由空间传播损耗分别增加6dB 。
如果考虑天线增益影响，发射天线增益系数为 ， 接收天线为 ，可以导出公式：

这就是弗里斯传输公式 ，它还有很多变形，利用公式可计算收发设备间的最远工作距离 。
电磁波传播过程中存在额外衰减，定义为衰减因子：

相应的衰减损耗为：

A与工作频率、传播距离、媒质电参数、地貌地物、传播方式等因素有关。
基本传输损耗：

在路径传输损耗 为客观存在的前提下，降低链路传输损耗L的重要措施就是提高收、发天线的增益系数。

链路预算用来估算信号能成功从发射端传送到接收端之间的最远距离。

一个系统中链路预算等于其发射机的最大输出功率与接收机最高灵敏度的差值，用dB表示。当系统的链路预算大于路径损耗时，可以实现通信。

接收信号强度（RSSI）常用 表示， 用来判断链接质量，其表达式为：

理论上两颗简单的SX1262芯片就可以实现地球和月球之间的无线通信。

实际应用可以通过增大发射功率或者改善天线架设环境等措施去增加无线传输距离。

LoRa技术的性能大体讨论到这里，更高深的知识还待去学习更新。

LoRa和NB－IoT最大的区别是：NB－IoT是工作在蜂窝授权频段上，网络由运营商进行部署和维护，为保证能与基站进行正常的通信以及工作，有必要在产品实际部署之前对其功能进行有效的验证。
而LoRa是非蜂窝网络，其标准细节的非公开性，使得产生用于验证的标准信号是个难点。LoRa可以利用传统的信号塔、工业基站甚至是便携式家庭网关来进行。构建基站和家庭网关价格便宜。在成本上来看，LoRa无线模块和NB－IoT无线模块成本相差不大，但在隐形成本上NB－IoT明显是要高于LoRa无线模块。

1、频段、服务质量和成本。

LoRa工作在1Ghz以下的非授权频段，在应用时不需要额外付费，NB-IoT和蜂窝通信使用1GHz以下的频段是授权的，是需要收费的。

2、电池寿命。

关于电池寿命方面有两个重要的因素要考虑，节点的电流消耗以及协议内容。LoRa是一种异步的基于ALOHA的协议，也就是说节点可以根据具体应用场景需求进行或长或短的睡眠;而蜂窝等同步协议的节点必须定期地联网，这样就额外的消耗了电池的电量。

3、网络覆盖和部署时间表。

NB-IoT标准在2016年公布，除网络部署之外，相应的商业化和产业链的建立还需要更长的时间和努力去探索。LoRa的整个产业链相对已经较为成熟了，产品也处于“蓄势待发”的状态，同时全球很多国家正在进行或者已经完成了全国性的网络部署。

4、设备成本。

对终端节点来说，LoRa协议比NB-IoT更简单，更容易开发并且对于微处理器的适用和兼容性更好。同时低成本、技术相对成熟的LoRa模块已经可以在市场上找到了，并且升级版还会接踵而至。

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