【摘要】

    物聯(lián)網(wǎng)的應用場景豐富，智能家居、智能樓宇、遠程抄表、市政物聯(lián)和物流及智慧城市等，電梯作為特種設備，其物聯(lián)網(wǎng)也備受關注；物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)和廣域網(wǎng)等，蜂窩和非蜂窩的長距離方案中的LoRa和NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)，NarrowBand-InternetofThings)作為低功耗廣域網(wǎng)的代表，其強覆蓋、低成本、低功耗及大連接特點在物聯(lián)網(wǎng)應用中優(yōu)勢明顯，雖然LoRa和NB-IoT都屬于低速率技術(<200kbps)，但電梯物聯(lián)網(wǎng)的應用目前主要是實現(xiàn)故障困人報警與故障預警功能，LoRa和NB-IoT速率已經(jīng)滿足電梯物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸要求。本文從多角度對LoRa和NB-IoT在電梯物聯(lián)網(wǎng)中的應用對了比較分析，最終得出NB-IoT更加適合電梯物聯(lián)網(wǎng)。

1背景

    到2020年，物聯(lián)網(wǎng)的市場規(guī)模將達到2萬億美元，最大的需求來自于工業(yè)，到2025年，制造業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)值將到達2.5萬億美元。支持如此龐大的市場規(guī)模，目前已涌現(xiàn)出適合不同場合的物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)技術也在物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷迭代中穩(wěn)步發(fā)展，通過電梯物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)電梯故障困人報警、電梯安全隱患預警以及電梯大數(shù)據(jù)分析。

    LoRa模塊是基于Semtech公司SX127X系列芯片研發(fā)工業(yè)級射頻無線產(chǎn)品。相比傳統(tǒng)的窄帶調(diào)制技術，LoRa模塊采用了擴頻調(diào)制技術，在抑制同頻干擾的性能方面具有明顯優(yōu)勢，解決了傳統(tǒng)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(lián)網(wǎng)終端，適合廣泛部署在智能家居、智能城市、智能生產(chǎn)等領域，在長距離、低速率、低功耗、多終端的物聯(lián)網(wǎng)應用方面具有較大優(yōu)勢。NB-IoT與LoRa的參數(shù)對比如表1所示。

表1NB-IoT與LoRa的參數(shù)對比

    隨著工信部無線電管理局《微功率短距離無線電發(fā)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(nèi)幾大物聯(lián)網(wǎng)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(lián)通也涉及LoRa，并且發(fā)布了首個國家級別的LoRa平臺，LoRa在國內(nèi)也日益壯大。

2技術對比

2.1頻譜

    NB-IoT工作在授權頻段，經(jīng)過專業(yè)規(guī)劃并受法律保護，相比LoRa的非授權頻譜更加穩(wěn)定；NB-IoT給予現(xiàn)有運行商的蜂窩移動通訊網(wǎng)，是基于調(diào)度的技術，終端用戶收發(fā)數(shù)據(jù)的位置由基站進行調(diào)度，資源使用效率比較高，不容易出現(xiàn)頻繁碰撞，而且，通過調(diào)度可進一步提升通訊質(zhì)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(zhì)量，目前缺乏政策和法律的保護，而且現(xiàn)有的國家標準中對組網(wǎng)方式、發(fā)射機的持續(xù)發(fā)射時間都進行了限制，雖標準尚未發(fā)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(fā)送數(shù)據(jù)，在發(fā)送嘗試階段，需先檢測碰撞，一旦碰撞就需退回，對時延和發(fā)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(shù)據(jù)包發(fā)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(yè)的發(fā)展不是好兆頭。特別是當前貿(mào)易戰(zhàn)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(xié)議，特別是我國企業(yè)華為在NB-IoT標準相關專利中占主要貢獻，對于NB-IoT在國內(nèi)的推廣絕對是有利消息。芯片供給的多元化和產(chǎn)業(yè)化，也使NB-IoT模組的價格逼近GSM模組的價格，而隨著規(guī)?；陌l(fā)展，NB-IoT模組的價格也呈現(xiàn)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(wǎng)絡

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

2.4部署

    NB-IoT需要依靠運營商基站和網(wǎng)絡，靈活性不高，基站覆蓋不到的地方無法通過靈活增加網(wǎng)關等方式實現(xiàn)；而LoRa組網(wǎng)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(xiàn)高質(zhì)量通訊，而LoRa可通過部署LoRa網(wǎng)關實現(xiàn)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(wǎng)，因電梯物聯(lián)網(wǎng)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(diào)制格式，僅包含鏈路層協(xié)議，適用于點對點通信，LoRa只是LoRaWAN網(wǎng)絡物理層中使用的調(diào)制技術，基本上是CSS（ChipSpreadSpectrum）調(diào)制，用于使用不同的擴頻因子提供不同的數(shù)據(jù)速率，而LoRaWAN除定義數(shù)據(jù)鏈路層之外，還包括網(wǎng)絡層，可將數(shù)據(jù)發(fā)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(wǎng)。LoRa有兩種不同的協(xié)議棧，即LoRaWAN和SymphonyLink，后者適用于需要更高級功能的工業(yè)和企業(yè)用戶，前者適用于基于LoRaWAN的移動網(wǎng)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(wǎng)），LoRaWAN在數(shù)據(jù)鏈路層定義媒體訪問介質(zhì)控制，并由LoRa聯(lián)盟負責維護。LoRaWAN不適合專用網(wǎng)絡解決方案，其根本原因在于LoRaWAN中，所有頻道都調(diào)到相同的頻率，并且在單一區(qū)域最好只有一個網(wǎng)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(wǎng)關將消息中繼到服務器，每個末端節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉鄠€網(wǎng)關，由網(wǎng)關將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)絡服務器，在網(wǎng)絡服務器上執(zhí)行冗余檢測、安全檢查及消息調(diào)度，如圖1所示。LoRaWAN網(wǎng)絡一般包含4層：RF射頻層、物理層、MAC層（介質(zhì)訪問控制層）及應用層。

圖1LoRa網(wǎng)絡拓撲圖

3.2NB-IoT工作原理

    NB-IoT端到端的系統(tǒng)架構主要包括NB-IoT終端、無線網(wǎng)側、IOT核心網(wǎng)、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(wǎng)側主要承擔空中接入處理，小區(qū)管理等相關功能，并通過S1-lite接口與IOT核心網(wǎng)進行連接，將非接入層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給高層網(wǎng)元處理，NB-IoT可獨立組網(wǎng)，也可以與EUTRAN融合組網(wǎng)，但僅支持FDD融合組網(wǎng)；IOT核心網(wǎng)承擔與終端非接入層交互的功能，并將業(yè)務數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到IOT平臺進行處理，這一段網(wǎng)絡，NB-IoT可獨立組網(wǎng)，也可與LTE共用核心網(wǎng)；IOT平臺匯聚從各種接入網(wǎng)得到的IOT數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同類型轉(zhuǎn)發(fā)至對應的業(yè)務服務器進行處理；應用服務器是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的匯聚點，根據(jù)客戶的需求進行數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)處理等操作。

圖2NB-IoT網(wǎng)絡結構圖

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

    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(fā)信機，從而達到節(jié)電的目的，具體通過設計定時機制，保證終端與網(wǎng)絡具有嚴格的同步，防止工作節(jié)奏不一致，另外網(wǎng)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(tǒng)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(xiàn)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(fā)送，獲得時間分集增益，并采用低階調(diào)制方式，提高解調(diào)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(tǒng)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(tǒng)GSM信號增強大概20db。

3.3應用對比

    電梯物聯(lián)網(wǎng)應用有自身特點，由于電梯物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)終端安裝在較偏遠地區(qū)，無線信號若覆蓋不到，則無法實現(xiàn)電梯物聯(lián)網(wǎng)傳感層的數(shù)據(jù)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(nèi)，甚至機房外用鐵材料包圍，這些環(huán)境都會對無線信號的穿透能力和繞射能力提出挑戰(zhàn)。電梯物聯(lián)網(wǎng)的用戶主要是物業(yè)單位、維保單位、政府單位及整梯廠，一般都不具備部署規(guī)劃基站的能力，甚至連維護能力都不具備；電梯物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)終端需支持全球通用性。結合LoRa和NB-IoT各自特點，電梯物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)先選擇NB-IoT，理由如下：

    電梯屬于特種設備，電梯物聯(lián)網(wǎng)的基本要求需確保實現(xiàn)穩(wěn)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?shù)姆€(wěn)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(wǎng)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(zhì)量的穩(wěn)定可靠，類似Wi-Fi，2.4G的頻段不在法律保護之內(nèi)，同一信道內(nèi)若充斥多個終端搶占，勢必造成網(wǎng)絡堵塞和數(shù)據(jù)包延時，這不符合電梯物聯(lián)網(wǎng)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(zhì)量服務質(zhì)量和安全性優(yōu)勢明顯，而且針對目前的蜂窩網(wǎng)絡基站的建成更有利快速大規(guī)模應用。從使用端分析，電梯物聯(lián)網(wǎng)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(jīng)有若干基站的基礎，因此NB-IoT更適合電梯物聯(lián)網(wǎng)；

    電梯物聯(lián)網(wǎng)對終端無線信號的發(fā)射功率要求較高，考慮到電梯物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸?shù)龋琋B-IoT相比GSM發(fā)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(lián)網(wǎng)的發(fā)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(shù)據(jù)分析及音視頻對講，數(shù)據(jù)量不斷增大，通訊速率要求也不斷提高，從發(fā)展的趨勢分析，電梯物聯(lián)網(wǎng)采用的數(shù)據(jù)傳輸技術需支持較好的演進，LoRa作為某個公司的私有協(xié)議，基本不具備這一潛質(zhì)，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(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展的要求。

4結束語

    物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)技術百花齊放，電梯物聯(lián)網(wǎng)與人民生活息息相關，下到企業(yè)，上到政府，都在積極參與到電梯物聯(lián)網(wǎng)的建設中，從芯片、模組、終端、產(chǎn)品、運營商到系統(tǒng)集成，整個產(chǎn)業(yè)鏈都在健康發(fā)展。在眾多的物聯(lián)網(wǎng)技術中選擇合適的接入方式是電梯物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)實際應用場景出發(fā)，綜合比較了適合電梯物聯(lián)網(wǎng)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(yōu)點和缺點，最終選擇NB-IoT作為電梯物聯(lián)網(wǎng)傳輸層的技術方案，并將在后續(xù)的實驗室測試和現(xiàn)場測試中進一步驗證和對比。