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            1. 5G時代,通信界“老大哥”LoRa該何去何從

              2022-07-22 18:24 來源:半導體產業縱橫 作者:

              LoRa的發展可能更多與NB-IoT配合展開,組成混合式網絡,從而應用于更多的場景。

               

              物聯網和無線通信等技術的快速普及和發展,無疑推動著半導體需求的增加,半導體制造商不再僅僅是組件供應商,他們必須理解整個物聯網堆棧需求。

               

              就實際應用而言,不同場景間的物物相連對網絡速率、覆蓋要求、連接數量等的敏感度差異巨大,受限于技術的局限性,沒有一種技術可以從端到端、全方位地滿足物聯網不同應用場景之間的差異化需求。

               

              同時,同一應用場景往往包含多種類型的連接需求,所以,物聯網始終呈現出不同技術類型百花齊放、共生共存的局面。作為物聯網和無線通信領域的“前輩技術”LoRa在這個萬物互聯、通信技術百家爭鳴的時代又該何去何從。

               


              5G時代,通信界“老大哥”LoRa該何去何從

               

              LoRa發展史

               

              LoRa是一個物理層的無線數字通信調制技術,稱為擴頻連續調頻調制技術(Chirp Modulation)。常見的無線數字通信調制技術為FSK、ASK、PSK三種,運營商的NB-IoT、5G等以及Wi-Fi、藍牙等幾乎所有常見的數字無線通信技術的物理層都是采用這三種調制技術進行通信的。

               

              與大部分通信技術不同的是,LoRa只是物理層的調制技術,現在市面上所有的LoRa芯片,也只是完成簡單的物理層工作,而像NB-IoT等其他芯片,都是自帶協議棧的,也就是OSI模型中的網絡層+數據鏈路層+物理層。

               


              5G時代,通信界“老大哥”LoRa該何去何從


               

              LoRa技術發布

               

              早在十幾年前,一家名為Cycleo的法國公司研發了一套LoRa原型技術。2012年,該公司被美國Semtech公司收購,在技術原型的基礎上繼續研發。

               

              2013年8月,Semtech向業界發布了一種新型的基于1GHz以下的基于超長距離低功耗數據傳輸技術的芯片,這就是LoRa芯片。

               

              LoRa生態建設

               

              出于對生態的敏感,Semtech、Actility和IBM Research在蘇黎世共同制定了物聯網的規范。2014年,這幾家公司合作設計了LoRa MAC,在不改變發射功率的前提下,把功耗降到非常低,傳輸距離做到一般FSK的3~5倍,這種長距離、低功耗無線傳輸技術——LoRa就這樣誕生了。

               

              2015年2月,LoRa聯盟(LoRa Alliance)成立于巴塞羅那移動大會,LoRa MAC被重命名為“LoRaWAN”,這也就是LoRa聯盟成員的規范。在聯盟的推動下,LoRa的產業鏈開始逐漸成熟,從底層的芯片、模組,到設備制造、系統集成,都有了相關廠商。

               

              截至2021年12月,全球已經部署了270多萬個基于LoRa的網關,基于LoRa的終端節點超過2.25億個,LoRa或LoRa WAN的部署覆蓋了171個國家和地區。同時,LoRaWAN被國際電聯(ITU)正式認可為全球物聯網標準。

               

              LoRa產業鏈上下游布局企業發展空間不斷增大,特別是生產核心元器件的企業擁有巨大發展潛力。目前全球有163個LoRaWAN運營商,LoRa聯盟已經擁有400多個公司成員。據ABI Research機構預測,到2026年,50%的LPWAN物聯網解決方案將會適合用LoRa方案,LoRa聯盟正在與全球主要物聯網生態圈合作一起推動擴大LoRa市場應用。

               

              在早期LoRa應用場景上,主要集中在水表、燃氣表、電表等抄表類應用,近些年,則是越來越多的應用到了智能樓宇、公共安全、電力和軍事工業等行業,未來,LoRa技術會更致力于室內場景的應用,這將成為LoRa最值得期待的市場。

               

              LoRa技術特點和主流芯片

               

              了解LoRa技術,就不得不提及LoRaWAN,本質上講,LoRa是LoRaWAN網絡物理層中使用的調制技術,它基于源自CSS技術的擴頻調制技術,保持了低功耗的特性,增加了通信距離,擁有超高的接收靈敏度和超強的信噪比;LoRaWAN是MAC層的組網協議,其網絡結構通常部署為一個星型拓撲結構,現有的LoRaWAN組網基本上都使用LoRa作為物理層,整體方案可分為終端節點設備(End Nodes)、網關(Gateway)和服務器(Server)。

               

              LoRa組網可以根據不同的應用和需求而選擇不同方式,常見的組網方式有:點對點、星狀(如LoRaWAN)、網狀等,國外使用的組網方式通常為LoRaWAN,而國內多數是企業、機構或個人使用其他組網方式部署的私有/專有網絡,這樣的使用方式與Wi-Fi相同,因此又被稱為“長Wi-Fi”。

               


              5G時代,通信界“老大哥”LoRa該何去何從


              LoRa無線射頻芯片主要有網關、收發器、接收器和發送器組成。產品主要分為三大類,第一類是LoRa Core,該產品組合由sub-GHz收發器芯片、網關芯片和參考設計組成。LoRa終端射頻芯片和LoRa基站/網關射頻芯片兩者的主要區別在于,終端芯片重在低功耗和單通道,LoRa網關是傳感器終端將數據傳輸到云端的中介,所以基站/網關芯片重在支持多通道和大連接。

               

              第二類是LoRa Edge超低功耗平臺,它集成了面向GNSS資產管理應用的LoRa收發器、多星座掃描儀和無源Wi-Fi接入點MAC地址掃描儀,具有支持150-960MHz的全球ISM頻段,+22dBm大功率發射機輸出等功能,有平衡性能、位置、準確性和低功耗等優勢

               

              第三類是LoRa2.4GHz系列產品,在2.4GHz頻段提供超長距離通信,具有最低功耗和最高可靠性的連接,有著-132dBm的高靈敏度,12.5dBm輸出功率,144.5dB最大鏈路預算,且開源專有協議棧,系統成本低,適用于需要單一SKU、全球互操作性、高數據速率和無占空比限制的物聯網市場。

               

              LoRa芯片的發展走向SoC

               

              LoRa芯片是整個LoRa產業鏈的起點和核心,而LoRa芯片底層技術的核心專利掌握在Semtech一家公司手里。

               

              但在2018年,由于Semtech改變產品的營銷模式,通過LoRa IP授權的方式給客戶自己做LoRa芯片。此后,阿里云IoT得到了Semtech的授權,并由翱捷科技(ASR)進行LoRa芯片開發。合作初期,翱捷科技就公布了Sip級芯片ASR6501,這也是首款國產LoRa芯片,隨后又相繼推出了ASR6052、ASR6055芯片和ASR6500S系列系統集成方案。

               

              由于低功耗物聯網應用單品市場規模逐漸發展壯大、生命周期越來越長,與眾多無線通信芯片類似,LPWAN芯片也逐漸走向SoC。

               


              5G時代,通信界“老大哥”LoRa該何去何從


               

              2020年,翱捷科技又推出了首顆國產支持LoRa的LPWAN低功耗廣域網無線通信SoC芯片ASR6601,該款芯片集成了通用微控制器和射頻單元,包括射頻收發器,調制解調器和一個48MHz主頻、采用Arm Cortex M4架構的32位MCU。

               

              在此基礎上,ASR6601支持多種調制模式和各類ISM頻段,支持LoRaWAN和LinkWAN協議棧,同時支持FSK等傳統調制方式,BPSK的發送和MSK的收發。因此,毫無疑問,ASR6601的無線應用更加靈活,它的誕生為加速推動中國物聯網市場的蓬勃發展做出了貢獻。

               

              另外,如深圳華普、國民技術等通過獲得LoRa圓晶的方式,也推出了Sip級芯片或模組。

               

              LoRa與NB-IoT:共存還是競爭

               

              無線通信技術可以劃分為局域通信技術(WLAN)和低功耗廣域通信技術(LPWAN)兩類,后者因其實現了物聯網可達性、可用性、移動性和規模性的要求,已成為物聯網連接的首選技術。

               

              而在LPWAN中,又有著LoRa、Sigfox、eMTC和NB-IoT等技術,其中LoRa和NB-IoT(窄帶物聯網)是非授權頻譜和授權頻譜下的兩大主流代表技術,也是目前應用最廣泛的兩種技術。

               

              所謂非授權頻譜,就是國家開放給民眾免費使用的頻譜資源,只要符合占用帶寬,發射功率限制等監管要求,大家都可以使用,比如人們最熟悉的Wi-Fi的頻譜,包含433M,2.4GHz和5GHz等頻段,有時甚至還包括一些授權給軍方使用的雷達頻譜。而授權頻譜其實是指被通信運營商所擁有的授權頻段,通信運營商需要為這些頻段支付使用費用,如3G UMTS、4G LTE、5G NR通常都工作在授權頻譜上。

               

              LoRa技術工作于非授權頻段下,更適用于專用網絡的部署。對于一些不希望將自己的數據交給運營商的企業,選擇使用LoRa自己部署網絡,掌握了自主權,成本低且自主化程度高,管理更加方便和靈活。

               

              在我國,LoRa的使用雖未被禁止但也在很大程度上受到了限制。

               

              目前,LoRa在亞洲的主要工作頻率是433MHz,但就在2019年,國家工信部發表的52號公告中明確表示,433MHz不屬于中國的ISM頻段,這就使LoRa在中國的使用受到了限制。

               

              但同時,公告指出,“470-510MHz頻段,限在建筑樓宇、住宅小區及村莊等小范圍內組網使用,任意時刻限單個信道發射”,而除了433MHz外,470、868、915MHz頻段也都是LoRa可使用的頻段。

               

              此外,與運營商的4G、5G、NB-IoT等移動通信技術標準不同的是,這些標準都是最具權威的移動通信標準化組織3GPP制定并由國際電信聯盟ITU批準的國際標準,而LoRa則屬于“私有”技術,是由各產業聯盟共同推進的網絡標準。

               

              LoRa由美國公司Semtech獨家私有壟斷,終端和芯片IP專利由Semtech獨家掌控?,F如今,在智慧城市、智能樓宇等應用場景中LoRa部署的終端和網絡數量不斷增大的背景下,LoRa技術所帶來的安全問題越多,風險挑戰也越大。隨著當前地緣政治摩擦,無論在國家和物聯網產業鏈角度還是在公司利益角度來看,都存在著芯片被禁售、被迫支付高昂專利費用、數據被竊取、網絡被控制等潛在風險,這也就導致了LoRa這些年的發展尤其是在我國的發展道路困難重重。

               

              反觀NB-IoT,一直以來就是我國主推的物聯網技術標準,不僅有政府的產業政策支持,三大運營商的全力投入,更有華為的技術加持,一路的發展可謂順風順水。

               

              NB-IoT屬于3GPP開放標準體系,技術專利由多家公司提供,且芯片供應廠家眾多,技術可天然演進到5G,工作于授權頻段下,可直接接入公共網絡。2020年7月,憑借著其安全系數和通訊質量較高、不存在被清頻風險、可直接部署于GSM、LTE等網絡、不限制傳輸訊息次數、所攜帶的數據量相對較高等優勢,NB-IoT正式被寫入5G標準。另外,現在我國已經自主掌握NB-IoT較為完整的專業技術鏈條,大概率不會出現被“卡脖子”的情況,自主可控,這讓國家對大力支持NB-IoT更有底氣。

               

              在技術上來看,根據近幾年的各種對比測試,大多數情況下,NB-IoT都具有比LoRa更優的連接質量,數據傳輸速率和服務質量(QoS),另外在延遲、可靠性和覆蓋范圍方面也更具優勢;LoRa則在電池壽命,容量和成本方面更具優勢。

               


              5G時代,通信界“老大哥”LoRa該何去何從


               

              綜上,顯然NB-IoT無論是在市場上還是在技術層面,都具有LoRa無法相比的優勢,如果只是競爭關系,那么在兩者誰會在未來主導我國的物聯網發展的問題上,答案是毋庸置疑的。

               

              而在物聯網技術領域,往往不僅是你死我活的競爭關系,在日后的發展過程中,LoRa陣營對于二者的關系更傾向于互補與合作,LoRa以其開放生態、小而靈活的組網特點,決定了其仍有可占據優勢的市場空間,這可以作為NB-IoT市場的補充。對此已有學者嘗試將LoRa的更低成本、更低功耗和NB-IoT更高QoS、可接入外網的特點相結合,在工業廠區內采用LoRa技術進行數據的采集,然后通過NB-IoT將工業數據傳輸至云端,從而實現工業數據的無線傳輸。由此可見,LoRa與NB-IoT組合形成混合式網絡部署是可行的,將二者優勢互補,實現更佳的通信效果。

               

              展望LoRa

               

              正如前文所說,LoRa在物聯網產業鏈發展受阻,受政策及市場的雙重影響,國內的LoRa產業發展也經歷了一些波折,發展推進相對困難?,F在,LoRa的應用領域被定義為能源管理、智能家居、智慧農業、智慧城市等方面,隨著理論研究的深入,LoRa技術必將在物聯網更多領域得到充分應用。

               

              另外,由于其對簡單架構和對低功耗的要求,必然會造成數據加密算法的簡單,這使得數據傳輸的安全性無法保證,因此在未來,對于LoRa技術的安全性研究也會是一個重點問題。

               

              最后,在5G時代,NB-IoT相比于LoRa有著更顯著的優勢,日后LoRa的發展可能更多與NB-IoT配合展開,組成混合式網絡,從而應用于更多的場景。


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