“在未来物联网的应用中，大部分的设备只需要传输很少的数据，因此低功耗广域网技术(LPWAN)非常适合低速物联网设备的连接。国内的运营商都在积极的部署NB-IoT/eMTC等LPWAN网络。” 上海联通物联网运营中心技术总监沈洲在一场LPWAN研讨会上表示。 据相关数据显示，2020年我国物联网市场规模将超过1.8万亿元，物联网连接总数将达到10亿，其中LPWAN技术将提供7.3亿连接。

自2016年NB-IoT核心标准冻结之后，关于低功耗广域网技术(LPWAN)的讨论迅速增多，市场热度不断升温。在我国，除了三大运营商鼎立支持的NB-IoT和eMTC，早几年已经进入国外市场应用的LoRa也从一种小众技术迅速进入到人们的视野当中。

不过，不同的技术流派可能给应用企业带来困扰：NB-IoT、eMTC和LoRa各自的技术特点到底是什么，有何优劣势?我的产品需要采用LPWAN技术吗，又该选择哪一种?LPWAN技术最有可能在哪个应用上爆发?

芯片年出货量超1000万片，LoRa究竟有何神通?

相比最近两年才推出的NB-IoT，LoRa在国外已经有了广泛的应用。Semtech业务拓展总监杨柳博士在一场LPWAN研讨会上表示，经过5年的发展，LoRa在全世界各大洲已经建成了46个公网、350个试验网，一年的芯片出货量超过1000万片。

杨柳博士指出，与NB-IoT等新型蜂窝技术相比，LoRa最大的技术特点是采用了线性扩频技术，能在噪声以下的20db接收到信号，因此可以有效地在低速率低功耗的情况下进行远距离传输。根据Semtech与思科在美国合作的测试数据显示，LoRa在无遮挡情况下的传输距离能达到50公里。

其次，LoRa的功耗比NB-IoT更低。其原因在于LoRa的协议层更加简单，而且其无线模块的最高功率和平均功率的比率低，电路设计效率高。LoRa在深度睡眠的情况下电流少于2uA，等待状态是2mA，接收状态少于10mA，发射功率0.1w，这大大延长了电池的使用寿命。

最后，LoRa的网络部署更加灵活，可以实现按需部署。杨柳博士表示，LoRa的基站和路由器可以做到非常小，并在现场展示了用手掌托着的微型基站和只有普通路由器大小的室内网关，这与人们印象中矗立在山上有如高塔般大小的基站大相径庭。小体积还降低了基站的成本，可以做到100美金的价格。通过小基站和微型基站可以实现网络更深度的覆盖，这在某些现实的环境里面很适用。

图：LoRa的技术特点

瑞兴恒方网络(深圳)有限公司副总经理谢利超对此进一步补充道，在某些应用场景里面，基站的密度无法实现物联网网络的全覆盖。例如LPWAN在燃气表的应用中，很多燃气表都放置在铁箱子里面，属于信号屏蔽的环境。这个时候基站的密度绝不是大家宣传的十公里或者几公里，很可能是五六百米。与此类似的还有LPWAN在电梯的应用，基站密度要达到200米。又比如在深圳的城中村里面，根本没有蜂窝网络的覆盖，这个时候想要实现物联网的应用，就需要根据节点的数量和位置灵活部署小基站/微型基站。在这些应用场景中，LoRa网络部署的灵活性得以体现。

谢利超还提到了当下LoRa面临的一些挑战。第一，处于免授权频段，频率污染较为严重、私有化网络较多、安全性较差;第二，网络的建设和维护难、成本高，特别是对于小企业和普通消费者;第三，物联网碎片化严重，无线模块需要定制化;第四，缺乏运营商的支持，难以实现城市级的网络覆盖。

针对网络建设难的问题，国内已经有专业的LoRa物联网运营商出现。例如杭州罗万信息科技有限公司，提供包括LoRa网关、云平台和自建基站的LoRa系统级解决方案，并应用在无线烟感、水电气表等产品中。

图：杭州罗万信息科技有限公司基于LoRa的消防物联网解决方案

此外，2017年5月，中国科学院计算机网络信息中心(CNIC)宣布LoPo-IoT已实现在广州南沙区803平方公里的网络覆盖。广州中国科学院计算机网络信息中心副总工程师黄开德表示，LoPo-IoT是基于LoRa的一种LPWAN技术，数据接入国家物联网标识平台，保证了数据的唯一性和安全性，在医疗健康、资产追踪等领域有广泛的应用市场。

图：CNIC目前已建成118个基站，基本实现广州南沙区的网络全覆盖

模组厂商、运营商积极布局，明年或实现NB-IoT规模商用

NB-IoT技术很新，2016年核心标准冻结至今不过两年时间。但运营商对NB-IoT却并不陌生，因为它从本质上还是一种标准化的蜂窝技术，运营商不必为此重新布置站点，完全可以在已有基站基础上实现快速部署，因而得到三大运营商的大力支持。

“在未来物联网的应用中，大部分的设备只需要传输很少的数据，因此NB-IoT将会是低速物联网设备的最佳选择，基于此，国内的运营商都在积极的部署NB-IoT网络。”上海联通的物联网运营中心技术总监沈洲表示。

沈洲说道，上海联通可以说采用了非常激进的态度来推动NB-IoT的发展：2015年7月，首先开始样本测试;2016年，率先在迪士尼乐园提供NB-IoT的物联网应用体验;2017年5月，实现了上海NB-IoT网络的全覆盖。而到了现在，NB-IoT已经处于爆发期。上海联通在与政府的沟通中，发现他们在智慧城市方面有非常大的需求。智能停车、智能烟感、智慧路灯、水表气表等很有可能率先实现规模商用化。

目前来看，阻碍NB-IoT 发展的最大的问题还是成本。“从我们了解的情况来看， NB-IoT模块在年初的成本是100元，现在可以降到60-70元左右，但仍然比2G模块20-30元的价格高出许多，这不利于NB-IoT的普及。” 沈洲说道。

那么目前NB-IoT模组到底发展到了什么程度?在上周的物联网展上，龙尚、中兴物联、Simcom、美格、有方、Telit、Ublox、骐俊等主流NB-IoT厂家都有参展，让我们来看看他们怎么说。

龙尚科技的现场工作人员指出，当下几乎所有主流模组厂商的NB-IoT模块均未实现量产。2017年龙尚推出基于高通芯片的NB-IoT/eTMC/GPRS多模模组A9500，至今出货量有一万多套，但主要还是给客户测试或者应用试点使用。应用场景包括远程抄表、智能停车、智能路灯、环境监测、智慧农业、畜牧养殖灌溉、智能垃圾箱等智慧城市领域。预计今年9月份，龙尚将推出NB-IoT单模的A9600模组。

图：龙尚A9500开发板

图：龙尚无线通讯模组

中兴物联目前只有一款NB-IoT模组ME3612，采用高通的MDM9206芯片。中兴物联的现场工作人员介绍，ME3612模组已经实现了小规模量产，在智能井盖、智能路灯、智能消防栓、共享单车等有试点性应用。据传今年9月份，中兴物联会推出NB-IoT商用芯片RoseFinch7100(朱雀7100)，与华为、高通在NB-IoT芯片市场一决高下。

图：中兴物联在江西的NB-IoT智慧地井监测系统

值得一提的是，出货量名列前茅的移远并未参展，反倒是与其颇有渊源的移柯带来基于高通MDM9206芯片的L700无线模组参展。由于L700刚发布不久，其出货量并不大。此外，骐俊也展示了ML3500 NB-IoT无线通信模组，不过仍处于测试研发阶段，预计今年内推出。

图：骐俊NB-IoT无线通信模组ML3500

图：芯讯通无线通信模组

图：有方无线通信模组

共享单车or智能锁，哪一个将是LPWAN爆发级的应用

从技术特点来看，LoRa、NB-IoT、eMTC都具备低功耗、低成本、广覆盖、大连接等特点。那么，对于应用企业来说，该如何选择LPWAN技术?

芯讯通无线科技有限公司产品总监赵明女士指出，用户应该根据自己的需求，根据产品特性和应用场景来选择合适的技术。上海联通的沈洲也表达了相似的观点：“我们没有强迫用户使用NB-IoT，如果是井盖、水电表等对低功耗要求极高的产品，可以选择NB-IoT;如果是为了低成本和低流量，建议先使用2G模块，等NB-IoT和eMTC规模商用后再选择也不迟。”

瑞兴恒方的谢利超则从技术的层面分析， 一般的LPWAN技术通过限制带宽的方式来提升灵敏度，例如NB-IoT就限制了上行带宽。而LoRa无需如此，其特有的线性扩频技术保证了上下行带宽对称。如果需要真正的双向通信，如电网监控，LoRa可能是更好的选择。

随着LPWAN技术的普及，出现了很多除了传统的井盖、水/电/气表、路灯、烟感之外的产品，表明LPWAN已经吹响了取代一部分2G/BT/WiFi市场的号角。例如福建的一家企业推出了NB-IoT心率带，把传统的蓝牙演进到NB-IoT传输。又比如当下最为火爆的共享单车市场，前几个月ofo单车和中国电信、华为合作推出NB-IoT共享单车。高通也宣布计划与中国移动及摩拜单车展开合作，启动中国首个eMTC/NB-IoT/GSM(LTE Cat M1/NB1和E-GPRS)多模外场测试。

据悉，芯讯通是共享单车市场最大的无线模块供应商。赵明表示，LPWAN解决了共享单车的两个问题。一是2G网络的连接数有限，局部地区如果有大量用户连接，存在网络堵塞;二是电池续航时间有限。

但是，业界对于NB-IoT在共享单车的应用持谨慎态度。赵明表示，目前芯讯通给共享单车供应的仍是2G模块， NB-IoT共享单车还处于试验阶段，模组厂商也在观望。因为NB-IoT不支持移动状态下的基站切换，导致用户停车时有个断网重连的等待过程。相比之下，具备移动性的eMTC更适合共享单车，为ofo单车供货的龙尚科技也表达了类似的观点。

当然，对于NB-IoT在共享单车的应用也不能一棒子打死。随着NB-IoT的技术发展，有可能解决上述问题。据悉，3GPP在Re-14中对NB-IoT进行了一系列增强技术并于2017年6月完成了核心规范，其中就包括定位和移动性功能。以后，NB-IoT的应用可拓展至资产追踪和可穿戴领域。

除了共享单车，智能门锁也可能是LPWAN下一个爆发级应用。根据易观智库的发布的统计数据，2015年我国智能门锁的出货量是200万， 2016年达到400万，预计2017年的出货量将会再翻一番，达到800万。

沈洲指出，智能门锁将会在今年年底、明年年初彻底爆发起来。LPWAN技术符合智能门锁低功耗、低成本的痛点需求，可帮助政府的公租房、青年公寓市场实现多功能的管理。

LPWAN

低功耗广域物联网(LPWAN)是为物联网应用中的M2M通信场景优化的，由电池供电的，低速率、超低功耗、低占空比的，以星型网络覆盖的，支持单节点最大覆盖可达100公里的蜂窝汇聚网关的远程无线网络通讯技术。

该技术是近年国际上一种革命性的物联网接入技术，具有远距离、低功耗、低运维成本等特点，与WiFi蓝牙、ZigBee等现有技术相比，LPWAN真正实现了大区域物联网低成本全覆盖。

目前LPWAN技术尚未形成统一的标准，Sigfox,LoRa,Telensa,PTC等都是比较典型的LPWAN技术。LPWAN本身是相对于2G/3G/4G/5G LTE-MTC等WWAN而言的一个相对概念，对此业界尚无清晰、严格的定义。

发展历程

2015年，中国科学院计算机网络信息中心开展低功耗广域网络(LPWAN)研究工作以来，已经进行了技术现状研究、LoRa组网试验、LoRa网络应用研发等工作，目前在推进LoRa技术标准提案。

NB-IoT

基于蜂窝的窄带物联网(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。

NB-IOT的前景与优势

移动通信正在从人和人的连接，向人与物以及物与物的连接迈进，万物互联是必然趋势。然而当前的4G网络在物与物连接上能力不足。事实上，相比蓝牙、ZigBee等短距离通信技术，移动蜂窝网络具备广覆盖、可移动以及大连接数等特性，能够带来更加丰富的应用场景，理应成为物联网的主要连接技术。作为LTE的演进型技术，4.5G除了具有高达1Gbps的峰值速率，还意味着基于蜂窝物联网的更多连接数，支持海量M2M连接以及更低时延，将助推高清视频、VoLTE以及物联网等应用快速普及。蜂窝物联网正在开启一个前所未有的广阔市场。

对于电信运营商而言，车联网、智慧医疗、智能家居等物联网应用将产生海量连接，远远超过人与人之间的通信需求。

NB-IoT具备四大特点：一是广覆盖，将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力;二是具备支撑海量连接的能力，NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构;三是更低功耗，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年;四是更低的模块成本，企业预期的单个接连模块不超过5美元。

NB-IOT聚焦于低功耗广覆盖(LPWA)物联网(IOT)市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。其具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点。NB-IOT使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波三种部署方式，与现有网络共存。

因为NB-IoT自身具备的低功耗、广覆盖、低成本、大容量等优势，使其可以广泛应用于多种垂直行业，如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业等。3GPP标准的首个版本预计在今年6月发布，到时候将有一批测试网络和小规模商用网络出现。

目前包括我国运营商在内诸多运营商在开展NB-IoT和研究。就NB-IoT的发展现状，余泉详细阐述了三个精彩观点：一是NB-IoT是蜂窝产业应对万物互联的一个重要机会。二是NB-IoT要成功必须要建立开放产业平台。三是2016年是NB-IoT产业非常关键的一年，标准、芯片、网络以及商用应用场景都会走向成熟。

eMTC

eMTC，是物联网的应用场景，超可靠低时延，侧重点主要体现物与物之间的通信需求。

2016年10月，中国移动联合多家知名厂商进行了基于3GPP标准的窄带物联网(NB-IoT)和增强机器类通信(eMTC)商用产品实验室测试，将有助于促进蜂窝物联网产品的快速成熟，推动中国物联网发展。

技术标准

eMTC是万物互联技术的一个重要分支，

基于LTE协议演进而来，为了更加适合物与物之间的通信，也为了更低的成本，对LTE协议进行了裁剪和优化。eMTC基于蜂窝网络进行部署，其用户设备通过支持1.4MHz的射频和基带带宽，可以直接接入现有的LTE网络。eMTC支持上下行最大1Mbps的峰值速率，可以支持丰富、创新的物联应用。

应用需求

根据未来移动通信论坛发布的《5G白皮书》，从信息交互对象不同的角度划分，未来5G应用将涵盖三大类场景：增强移动宽带(eMBB)、海量机器类通信(mMTC)和超可靠低时延(uRLLC)。其中，eMBB场景是指在现有移动宽带业务场景的基础上，对于用户体验等性能的进一步提升，主要还是追求人与人之间极致的通信体验。mMTC和eMTC则是物联网的应用场景，但各自侧重点不同：mMTC主要是人与物之间的信息交互，eMTC主要体现物与物之间的通信需求。

关键能力

eMTC的关键能力包括：支持移动性，可定位;成本更低，目标是Cat1芯片的25%;可以有更高的速率，相比GPRS提升4倍。

eMTC在智能物流上，具有防盗、防调换、实时温度传感和可定位优势;能够实时监控及定位，将信息记录及上传，可以对行驶轨迹查询。在智能可穿戴设备中，可支持健康监测、视频业务、数据回传和定位。eMTC也可以以屏为抓手，为运营商管道增值，这些应用场景包括：智能充电桩、候机宝、电梯卫士、智能公交站牌、公共自行车管理等方面。

LoRa

物联网应用中的无线技术有多种，可组成局域网或广域网。组成局域网的无线技术主要有2.4GHz的WiFi，蓝牙、Zigbee等，组成广域网的无线技术主要有2G/3G/4G等。这些无线技术，优缺点非常明显，可如下图总结。在低功耗广域网(Low Power Wide Area Network, LPWAN)产生之前，似乎远距离和低功耗两者之间只能二选一。当采用LPWAN技术之后，设计人员可做到两者都兼顾，最大程度地实现更长距离通信与更低功耗，同时还可节省额外的中继器成本。

LoRa 是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。这一方案改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统，进而扩展传感网络。目前，LoRa 主要在全球免费频段运行，包括433、868、915 MHz等。

LoRa技术具有远距离、低功耗(电池寿命长)、多节点、低成本的特性。

下图以USA情况为例，从灵敏度、链路预算、覆盖范围、传输速率、发送电流、待机电流、接收电流、2000mAh电池使用寿命、定位、抗干扰性、拓扑结构、最大终端连接数等参数上比较了Sigfox、LTE-M、ZigBee、WLAN、802.11ah和 LoRa的区别。后续的LoRa技术小型科普文(下)将具体解释以上的部分参数。

LoRa技术要点

一般说来，传输速率、工作频段和网络拓扑结构是影响传感网络特性的三个主要参数。传输速率的选择将影响系统的传输距离和电池寿命;工作频段的选择要折中考虑频段和系统的设计目标;而在FSK系统中，网络拓扑结构的选择是由传输距离要求和系统需要的节点数目来决定的。

LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，拥有前所未有的性能。此前，只有那些高等级的工业无线电通信会融合这些技术，而随着LoRa的引入，嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变。

前向纠错编码技术是给待传输数据序列中增加了一些冗余信息，这样，数据传输进程中注入的错误码元在接收端就会被及时纠正。这一技术减少了以往创建“自修复”数据包来重发的需求，且在解决由多径衰落引发的突发性误码中表现良好。一旦数据包分组建立起来且注入前向纠错编码以保障可靠性，这些数据包将被送到数字扩频调制器中。这一调制器将分组数据包中每一比特馈入一个“展扩器”中，将每一比特时间划分为众多码片。

即使噪声很大，LoRa也能从容应对

LoRa调制解调器经配置后，可划分的范围为64-4096码片/比特，最高可使用4096码片/比特中的最高扩频因子(12)。相对而言，ZigBee仅能划分的范围为10-12码片/比特。

通过使用高扩频因子，LoRa技术可将小容量数据通过大范围的无线电频谱传输出去。实际上，当你通过频谱分析仪测量时，这些数据看上去像噪音，但区别在于噪音是不相关的，而数据具有相关性，基于此，数据实际上可以从噪音中被提取出来。扩频因子越高，越多数据可从噪音中提取出来。在一个运转良好的GFSK接收端，8dB的最小信噪比(SNR)需要可靠地解调信号，采用配置AngelBlocks的方式，LoRa可解调一个信号，其信噪比为-20dB，GFSK方式与这一结果差距为28dB，这相当于范围和距离扩大了很多。在户外环境下，6dB的差距就可以实现2倍于原来的传输距离。

超强的链路预算，让信号飞的更远

为了有效地对比不同技术之间传输范围的表现，我们使用一个叫做“链路预算”的定量指标。链路预算包括影响接收端信号强度的每一变量，在其简化体系中包括发射功率加上接收端灵敏度。AngelBlocks的发射功率为100mW (20dBm)，接收端灵敏度为-129dBm，总的链路预算为149dB。比较而言，拥有灵敏度-110dBm(这已是其极好的数据)的GFSK无线技术，需要5W的功率(37dBm)才能达到相同的链路预算值。在实践中，大多GFSK无线技术接收端灵敏度可达到-103dBm，在此状况下，发射端发射频率必须为46dBm或者大约36W，才能达到与LoRa类似的链路预算值。

因此，使用LoRa技术我们能够以低发射功率获得更广的传输范围和距离，这种低功耗广域技术正是我们所需的。