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【摘要】

    物聯網的應用場景豐富，智能家居、智能樓宇、遠程抄表、市政物聯和物流及智慧城市等，電梯作為特種設備，其物聯網也備受關注；物聯網技術按大類可分為蜂窩和非蜂窩、私有技術和國際標準技術、短距離和長距離、低速率和高速率及局域網和廣域網等，蜂窩和非蜂窩的長距離方案中的LoRa和NB-IoT（窄帶物聯網，NarrowBand-InternetofThings)作為低功耗廣域網的代表，其強覆蓋、低成本、低功耗及大連接特點在物聯網應用中優勢明顯，雖然LoRa和NB-IoT都屬于低速率技術(<200kbps)，但電梯物聯網的應用目前主要是實現故障困人報警與故障預警功能，LoRa和NB-IoT速率已經滿足電梯物聯網中數據傳輸要求。本文從多角度對LoRa和NB-IoT在電梯物聯網中的應用對了比較分析，最終得出NB-IoT更加適合電梯物聯網。

1背景

    到2020年，物聯網的市場規模將達到2萬億美元，最大的需求來自于工業，到2025年，制造業物聯網的產值將到達2.5萬億美元。支持如此龐大的市場規模，目前已涌現出適合不同場合的物聯網技術，其中NB-IoT和LoRa備受關注。而作為使用最頻繁的垂直交通工具電梯，其物聯網技術也在物聯網技術的不斷迭代中穩步發展，通過電梯物聯網技術實現電梯故障困人報警、電梯安全隱患預警以及電梯大數據分析。

    LoRa模塊是基于Semtech公司SX127X系列芯片研發工業級射頻無線產品。相比傳統的窄帶調制技術，LoRa模塊采用了擴頻調制技術，在抑制同頻干擾的性能方面具有明顯優勢，解決了傳統設計方案無法同時兼顧距離、抗擾和功耗的問題。NB-IoT是工作在授權頻段的技術，核心是面向低耗流低端物聯網終端，適合廣泛部署在智能家居、智能城市、智能生產等領域，在長距離、低速率、低功耗、多終端的物聯網應用方面具有較大優勢。NB-IoT與LoRa的參數對比如表1所示。

表1NB-IoT與LoRa的參數對比

    隨著工信部無線電管理局《微功率短距離無線電發射設備技術要求（征求意見稿）》的頒布，LoRa的前景備受堪憂，畢竟LoRa工作在非授權頻段，隨著國內幾大物聯網公司的介入和推廣，如騰訊、阿里、廣電及鐵塔，特別是三大運營商之一的中國聯通也涉及LoRa，并且發布了首個國家級別的LoRa平臺，LoRa在國內也日益壯大。

2技術對比

2.1頻譜

    NB-IoT工作在授權頻段，經過專業規劃并受法律保護，相比LoRa的非授權頻譜更加穩定；NB-IoT給予現有運行商的蜂窩移動通訊網，是基于調度的技術，終端用戶收發數據的位置由基站進行調度，資源使用效率比較高，不容易出現頻繁碰撞，而且，通過調度可進一步提升通訊質量。LoRa工作在非授權頻段，具有干擾不確定性，難以保證通訊質量，目前缺乏政策和法律的保護，而且現有的國家標準中對組網方式、發射機的持續發射時間都進行了限制，雖標準尚未發布，但仍存在較大的不確定性因素。另外從通信機制分析，LoRa給予Aloha機制，類似于Wi-Fi，需搶占信道發送數據，在發送嘗試階段，需先檢測碰撞，一旦碰撞就需退回，對時延和發包成功率都有較大影響，這種機制會導致大量無效的碰撞，數據包發送效率較低。

2.2支持芯片

    LoRa目前由美國的Semtech一家壟斷，對于行業的發展不是好兆頭。特別是當前貿易戰中芯片的供應更容易受限于政策因素的影響。而NB-IoT由3GPP標準組織制定，全球主流芯片供應商，如高通、華為、MKT、RDA及ARM都支持NB-IoT協議，特別是我國企業華為在NB-IoT標準相關專利中占主要貢獻，對于NB-IoT在國內的推廣絕對是有利消息。芯片供給的多元化和產業化，也使NB-IoT模組的價格逼近GSM模組的價格，而隨著規?；陌l展，NB-IoT模組的價格也呈現下降趨勢，而LoRa模組與GSM模組的價格仍有一定的差距。

2.3網絡

    全球主流運營商基本支持NB-IoT，在中國，三大運營商已經部署百萬級別的NB-IoT基站，隨后中國移動和中國聯通公布百萬級別的NB-IoT模組采購訂單。運營商可在現有硬件設備基礎上通過軟件升級方式實現NB-IoT布網，投資少，可實現快速部署。而LoRa網絡屬于私有網絡，需要企業等使用單位獨立建網，對用戶要求較高。

2.4部署

    NB-IoT需要依靠運營商基站和網絡，靈活性不高，基站覆蓋不到的地方無法通過靈活增加網關等方式實現；而LoRa組網更靈活，可在任何地方靈活部署，特別是在地下場所，蜂窩技術由于自身特點，難以實現高質量通訊，而LoRa可通過部署LoRa網關實現信號覆蓋，靈活性高，而且一次部署完成后，不像NB-IoT需額外支付流量等通信費。

3工作原理

3.1LoRa工作原理

    本文中提到的LoRa泛指LoRa低功耗廣域網，因電梯物聯網中若使用LoRa技術，基本都是采用LoRaWAN，嚴格來說，LoRa是Semtech擁有的專有調制格式，僅包含鏈路層協議，適用于點對點通信，LoRa只是LoRaWAN網絡物理層中使用的調制技術，基本上是CSS（ChipSpreadSpectrum）調制，用于使用不同的擴頻因子提供不同的數據速率，而LoRaWAN除定義數據鏈路層之外，還包括網絡層，可將數據發送至已連接到云平臺的基站，且支持在不同的頻段工作，由于其廣泛的覆蓋能力而被用作廣域網。LoRa有兩種不同的協議棧，即LoRaWAN和SymphonyLink，后者適用于需要更高級功能的工業和企業用戶，前者適用于基于LoRaWAN的移動網絡。LoRaWAN是一個開放的標準，它定義了基于LoRa芯片的LPWAN（LowPowerWideAreaNetwork，低功耗廣域網），LoRaWAN在數據鏈路層定義媒體訪問介質控制，并由LoRa聯盟負責維護。LoRaWAN不適合專用網絡解決方案，其根本原因在于LoRaWAN中，所有頻道都調到相同的頻率，并且在單一區域最好只有一個網絡操作以避免碰撞問題。

    LoRaWAN是一種星型或星型對星型的拓撲結構，通過網關將消息中繼到服務器，每個末端節點將數據傳輸到多個網關，由網關將數據轉發至網絡服務器，在網絡服務器上執行冗余檢測、安全檢查及消息調度，如圖1所示。LoRaWAN網絡一般包含4層：RF射頻層、物理層、MAC層（介質訪問控制層）及應用層。

圖1LoRa網絡拓撲圖

3.2NB-IoT工作原理

    NB-IoT端到端的系統架構主要包括NB-IoT終端、無線網側、IOT核心網、IOT平臺及應用服務器組成，如圖2所示。NB-IoT終端負責通過空中接口連接到基站；無線網側主要承擔空中接入處理，小區管理等相關功能，并通過S1-lite接口與IOT核心網進行連接，將非接入層數據轉發給高層網元處理，NB-IoT可獨立組網，也可以與EUTRAN融合組網，但僅支持FDD融合組網；IOT核心網承擔與終端非接入層交互的功能，并將業務數據轉發到IOT平臺進行處理，這一段網絡，NB-IoT可獨立組網，也可與LTE共用核心網；IOT平臺匯聚從各種接入網得到的IOT數據，并根據不同類型轉發至對應的業務服務器進行處理；應用服務器是物聯網數據的匯聚點，根據客戶的需求進行數據存儲，數據處理等操作。

圖2NB-IoT網絡結構圖

    NB-IoT工作機制給LTE網絡帶來較大的改進要求，傳統LTE網絡的設計，主要聚焦高傳輸速率，高帶寬，但NB-IoT網絡終端數量眾多，終端節能要求較高，以小包收發為主，且可能有非格式化的無法直接傳輸數據。

    NB-IoT的低功耗主要使用DRX（DiscontinuousReception）機制使終端休眠，在休眠過程中關閉收發信機，從而達到節電的目的，具體通過設計定時機制，保證終端與網絡具有嚴格的同步，防止工作節奏不一致，另外網絡側與終端側具有一套溝通機制。以便通知終端是否可休眠和具體休眠時間。

    NB-IoT比傳統GSM信號強度增強20db，3GPP使用提升功率密度（提高7db），多次重傳（提高12db）及多天線（提高0~3db）等方法實現20db的增強。NB-IoT上行傳輸帶寬有3.75KHz和15KHz可供選擇，帶寬越小，在功率不變的情況下，功率密度越大；NB-IoT在任何信道都可重傳，且上行最大128次，下行最大2048次，通過重復發送，獲得時間分集增益，并采用低階調制方式，提高解調性能，增強覆蓋。上行最大重傳128次，理論增益有20db，考慮到系統不會無限制重傳，一般重傳增益為12db；通過天線分集，對于1T2R，比1T1R會有3db的增益，綜合，NB-IoT你比傳統GSM信號增強大概20db。

3.3應用對比

    電梯物聯網應用有自身特點，由于電梯物聯網采集單元一般安裝在電梯機房控制柜附近，而控制柜一般是長期供電，因此功耗并不是電梯物聯網需要考慮的問題。主要需考慮無線信號的覆蓋及無線信號的穿透能力，特別是當電梯物聯網終端安裝在較偏遠地區，無線信號若覆蓋不到，則無法實現電梯物聯網傳感層的數據傳輸，另外考慮到電梯控制柜一般安裝在封閉的機房或建筑物內，甚至機房外用鐵材料包圍，這些環境都會對無線信號的穿透能力和繞射能力提出挑戰。電梯物聯網的用戶主要是物業單位、維保單位、政府單位及整梯廠，一般都不具備部署規劃基站的能力，甚至連維護能力都不具備；電梯物聯網一般都是面向全球部署，因整梯廠所銷售的電梯一般都覆蓋全球范圍，因此電梯物聯網終端需支持全球通用性。結合LoRa和NB-IoT各自特點，電梯物聯網優先選擇NB-IoT，理由如下：

    電梯屬于特種設備，電梯物聯網的基本要求需確保實現穩定可靠的電梯故障報警、困人報警以及安全隱患預警，這對終端傳輸的穩定性和可靠性有較高的要求，由于LoRa工作在免授權頻段，無需申請便可建立網絡連接，屬于開放頻段，容易受到其他相同頻段設備的干擾，難以保證通訊質量的穩定可靠，類似Wi-Fi，2.4G的頻段不在法律保護之內，同一信道內若充斥多個終端搶占，勢必造成網絡堵塞和數據包延時，這不符合電梯物聯網的安全性和及時性要求，而NB-IoT是運營商提供的授權頻段，因為是專門劃分的頻段，因此干擾相對要少跟多，信號質量服務質量和安全性優勢明顯，而且針對目前的蜂窩網絡基站的建成更有利快速大規模應用。從使用端分析，電梯物聯網的使用和維護端不具備部署和維護基站的能力，而NB-IoT由運營商負責維護，且運營商本身已經有若干基站的基礎，因此NB-IoT更適合電梯物聯網；

    電梯物聯網對終端無線信號的發射功率要求較高，考慮到電梯物聯網數據采集和傳輸單元實際安裝的位置可能存在較多的障礙，如封閉的機房、無機房、下沉式機房及地下樓層數據傳輸等，NB-IoT相比GSM發射功率增強20db，且支持天線集分，能大大提高電梯故障報警、電梯困人報警等關鍵信息成功上報的概率。

    電梯物聯網的發展從基本的電梯故障報警、困人報警，到安全隱患的預警，到大數據分析及音視頻對講，數據量不斷增大，通訊速率要求也不斷提高，從發展的趨勢分析，電梯物聯網采用的數據傳輸技術需支持較好的演進，LoRa作為某個公司的私有協議，基本不具備這一潛質，而NB-IoT作為5G的三個標準之一，并在未來向5G演進，符合電梯物聯網行業發展的要求。

4結束語

    物聯網行業技術百花齊放，電梯物聯網與人民生活息息相關，下到企業，上到政府，都在積極參與到電梯物聯網的建設中，從芯片、模組、終端、產品、運營商到系統集成，整個產業鏈都在健康發展。在眾多的物聯網技術中選擇合適的接入方式是電梯物聯網設計中需要充分研究的難題之一，本文在理論分析的基礎上，從電梯物聯網實際應用場景出發，綜合比較了適合電梯物聯網中傳輸層方案的LoRa和NB-IoT技術，并充分考慮LoRa和NB-IoT各自技術的優點和缺點，最終選擇NB-IoT作為電梯物聯網傳輸層的技術方案，并將在后續的實驗室測試和現場測試中進一步驗證和對比。