一、引言

物联网应用需要考虑许多因素，例如节点成本，网络成本，电池寿命，数据传输速率(吞吐率)，延迟，移动性，网络覆盖范围以及部署类型等。可以说没有一种技术可以满足IoT所有的需求。NB-IoT和LoRa两种技术具有不同的技术和商业特性，所以在应用场景方面会有不同。这里会针对二者的区别进行阐述，并且对各自适合的应用场景进行说明。

二、频段，服务质量和成本

LoRa工作在1GHz以下的非授权频段，故在应用时不需要额外付费。NB-IoT和蜂窝通信使用1GHz以下的授权频段。处于500MHz和1GHz之间的频段对于远距离通信是最优的选择，因为天线的实际尺寸和效率是具有相当优势的。

LoRaWAN使用免费的非授权频段，并且是异步通信协议，对于电池供电和低成本是最佳的选择。LoRa 和LoRaWAN 协议，在处理干扰、网络重叠、可伸缩性等方面具有独特的特性，但却不能提供像蜂窝协议一样的服务质量(QoS)。据悉授权的Sub-GHz频段的竞拍，每MHz价格超过5亿美金。蜂窝网络和NB-IoT出于对服务质量(QoS)的考虑，并不能提供类似LoRa一样的电池寿命。由于QoS和高昂的频段使用费，需要确保QoS的应用场景推荐使用蜂窝网络和NB-IoT，而低成本和大量连接是首选项的话LoRa是不错的选择，如下图。

三、电池寿命和下行延迟

蜂窝网络设计的理念是最优的频段利用率，相应的就牺牲了节点成本和电池寿命。相反，LoRaWAN节点是为了低成本和长电池寿命而生，在频段利用率方面有一定的欠缺。

关于电池寿命方面有两个重要的因素需要考虑，节点的电流消耗(峰值电流和平均电流)以及协议内容。LoRaWAN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。例如，现在市面上的手机工作时每1.5s必须与网络进行同步。在NB-IoT中，这种同步变少但是仍然在定期进行，这样就额外的消耗了电池的电量。

在蜂窝网络中调制是充分利用频段的有效手段，但是从节点的角度这并不是有效的。蜂窝的调制(OFDM或者FDMA)需要一个线性的发射器来产生调制信号，而一个线性的发射器需要的峰值电流比非线性调制多几个数量级，越高的峰值电流会消耗电池更多的电量。

但同步的通信协议在较短的下行延迟方面具有优势，同时NB-IoT可以为需要大量数据吞吐量的应用提供快速的数据传输速率。而LoRaWAN的Class B 通过定期地(编程实现)唤醒终端以收取下行消息而缩短了下行通信的延迟。

所以对于需要频繁通信、较短的延迟或者较大数据量的应用来说NB-IoT或许是更好的选择，而对于需要较低的成本、较高的电池寿命和通信并不频繁的场景来说LoRa更好。

四、网络覆盖和部署时间表

节点工作的本质需求是网络的覆盖，对于NB-IoT来说一个明显的优势是可以通过升级现有的网络设施来提供网络部署，但是这种升级仅限于某些特定的4G/LTE基站，并且花费较高。并且这种升级仅适于已经具有4G/LTE覆盖的城区，对于偏远或者郊区等没有4G覆盖的来说并不合适。NB-IoT标准在16年6月公布，预计模块将于17年上半年量产发布。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，但是市场需求和机会是否会等待呢?

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。LoRa产业链一个突出优点是每个环节的成员都掌握着自主性，一些大公司正在计划创造一种混合型的商业模型来部署网络和应用。但NB-IoT产业链会受到频段、运营商等限制。

五、设备成本,网络成本和混合模型

对终端节点来说，LoRaWAN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。NB-IoT的调制机制和协议比较复杂，这就需要更复杂的电路和更多的花费，同时NB-IoT和3GPP一样是要收税的。现阶段对于一部手机的税费大概是5美元，但这对于物联网设备来说显得太昂贵了，而且如果贸然的降低税费会引起手机等移动通信市场的价格混乱。所以3GPP组织如何权衡IoT和移动通信两方面税费问题也个大问题。

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。LoRa联盟没有过多版权和税费的限制使得在LoRa产业链下模块低于4美元是十分可观的。现在市场上的LoRa模块价格一般在7-10美元，但是随着技术的成熟度提高4-5美元并不是大问题。而现在一个LTE模块的价格却很难低于20美元。

相对于传统的只依靠“铁塔”部网，对于IoT和LPWAN来说部署需要使用不同模型以降低支出和运营成本。LoRaWAN部署花费更少，因为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。现阶段一个塔式的基站价格大概是1000美元，工业基站价格低于500美元，而家庭式的网关只需要100美元左右。但是对于NB-IoT来说，升级现有的4G LTE基站的价格保守估计每个不少于15000美元。

六、应用举例

如之前提到的，没有一种技术可以同时满足IoT应用的所有需求。下面将通过几个具体的应用实例来分析NB-IoT 和LoRa 各自适合的应用场景。

A：智能电表

在智能电表领域相关的公司和部门需要高速率的数据传输、频繁的通信和低延迟。由于电表是由电源供电的，所以并没有超低功耗和长电池使用寿命的需求。并且还需要对线网进行实时监控以便发现隐患时及时处理。LoRaWAN的ClassC可以实现低延迟，但是对于高传输速率和频繁通信的需求NB-IoT是更适合于智能电表的选择。并且电表一般安装在人口密集的地区的固定位置，所以对于运营商部网也较为容易。

B：智慧农业

对农业来说，低功耗低成本的传感器是迫切需要的。温湿度、二氧化碳、盐碱度等传感器的应用对于农业提高产量、减少水资源的消耗等有重要的意义，这些传感器需要定期地上传数据。LoRa十分适用于这样的场景。而且很多偏远的农场或者耕地并没有覆盖蜂窝网络，更不用说4G/LTE了，所以NB-IoT并不如LoRa一样适合于智慧农业。

C：自动化制造

工厂机器的运行需要实时的监控，不仅可以保证生产效率而且通过远程监控可以提高人工效率。在工厂的自动化制造和生产中，有许多不同类型的传感器和设备。一些场景需要频繁的通信并且确保良好的服务质量(QoS)，这时NB-IoT是较为合适的选择。而一些场景需要低成本的传感器配以低功耗和长寿命的电池来追踪设备、监控状态，这时LoRa便是合理的选择。所以对于自动化生产制造的多样性来说，NB-IoT 和LoRa都有用武之地。

D：智能建筑

对于建筑的改造，加入温湿度、安全、有害气体、水流监测等传感器并且定时的将监测的信息上传，方便了管理者的监管同时更方便了用户。通常来说这些传感器的通信不需要特别频繁或者保证特别好的服务质量，同时便携式的家庭式网关便可以满足需要。所以该场景LoRa是比较合适的选择。

E：零售终端(POS)

零售终端(POS)系统往往需要较频繁和高质量的通信，而且这些设备通常有专门供电的设备，所以对于较长的电池使用寿命没有要求。同时对于通信的时效性和低延迟要求较高。所以出于以上考虑NB-IoT比较适合于本应用。

F：物流追踪

追踪或者定位市场的一个重要的需求就是终端的电池使用寿命。物流追踪可以作为混合型部署的实际案例。物流企业可以根据定位的需要在需要场所部网，可以是仓库或者运输车辆上，这时便携式的基站便派上了用场。LoRa可以提供这样的部署方案，而对于NB-IoT来说追踪范围过大基站的铺设是很大的问题。同时LoRa有一个特点，在高速移动时通信相对于NB-IoT更稳定。出于以上的考虑，LoRa更适合于物流追踪。

NB-IoT和LoRa

IoT领域并没有一个没有争议的选择，每一个应用场景都有自己独特的需求和考虑。本文阐述了NB-IoT和LoRa二者各自的特点和商业模式，相信二者在IoT市场上都将有一席之地。

物联网的快速发展对无线通信技术提出了更高的要求，专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计的LPWAN(low-power Wide-Area Network，低功耗广域网)也快速兴起。NB-IoT与LoRa是其中的典型代表，也是最有发展前景的两个低功耗广域网通信技术。

这两种LPWAN技术都有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗少等特点，都适合低功耗物联网应用，都在积极扩建自己的生态系统。可是，

这两者之间到底有什么区别和不同?

有什么重叠或不同的应用范围?

两者之间是你死我活的互相替代关系

还是你有我无的互补关系?

这也是笔者试图弄清楚的问题，接下来我们将会陆续推出广域物联网通信技术专题文章，介绍LoRa和NB-IoT和两种技术、各自生态以及对两者进行对比。

LoRa：易于建设和部署的低功耗广域物联技术

LoRa的诞生比NB-IoT要早些，2013年8月，Semtech公司向业界发布了一种新型的基于1GHz以下的超长距低功耗数据传输技术(Long Range，简称LoRa)的芯片。其接受灵敏度达到了惊人的-148dbm，与业界其他先进水平的sub-GHz芯片相比，最高的接收灵敏度改善了20db以上，这确保了网络连接可靠性。

它使用线性调频扩频调制技术，即保持了像FSK(频移键控)调制相同的低功耗特性，又明显地增加了通信距离，同时提高了网络效率并消除了干扰，即不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送也不会相互干扰，因此在此基础上研发的集中器/网关(Concentrator/Gateway)能够并行接收并处理多个节点的数据，大大扩展了系统容量。

图1：LoRa技术特点

线性扩频已在军事和空间通信领域使用了数十年，因为其可以实现长通信距离和干扰的鲁棒性，而LoRa是第一个用于商业用途的低成本实现。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。这一技术改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量、低成本的通讯系统。

LoRa主要在全球免费频段运行(即非授权频段)，包括433、868、915 MHz等。LoRa网络主要由终端(内置LoRa模块)、网关(或称基站)、服务器和云四部分组成，应用数据可双向传输。如图2所示。

图2：LoRa网络架构

LoRa的优势主要体现在以下几个方面：

1、大大的改善了接收的灵敏度，降低了功耗

高达157db的链路预算使其通信距离可达15公里(与环境有关)。其接收电流仅10mA，睡眠电流200nA，这大大延迟了电池的使用寿命。

2、基于该技术的网关/集中器支持多信道多数据速率的并行处理，系统容量大。

如图2所示，网关是节点与IP网络之间的桥梁(通过2G/3G/4G或者Ethernet)。每个网关每天可以处理500万次各节点之间的通信(假设每次发送10Bytes，网络占用率10%)。如果把网关安装在现有移动通信基站的位置，发射功率20dBm(100mW)，那么在建筑密集的城市环境可以覆盖2公里左右，而在密度较低的郊区，覆盖范围可达10公里。

3、基于终端和集中器/网关的系统可以支持测距和定位。

LoRa对距离的测量是基于信号的空中传输时间而非传统的RSSI(Received Signal Sterngth Ind-ication)，而定位则基于多点(网关)对一点(节点)的空中传输时间差的测量。其定位精度可达5m(假设10km的范围)。

这些关键特征使得LoRa技术非常适用于要求功耗低、距离远、大量连接以及定位跟踪等的物联网应用，如智能抄表、智能停车、车辆追踪、宠物跟踪、智慧农业、智慧工业、智慧城市、智慧社区等等应用和领域。

应用：国外如火如荼，国内略显冷清

一种通讯技术要实现大规模商业化，除技术本身要有特定的优势外，还需要背后阵营强力支持，其中产业联盟就是一股强大的推动力量，LoRa也不例外。

2015年3月LoRa联盟宣布成立，这是一个开放的、非盈利性组织，其目的在于将LoRa推向全球，实现LoRa技术的商用。该联盟由Semtech牵头，发起成员还有法国Actility，中国AUGTEK和荷兰皇家电信KPN等企业，到目前为止，联盟成员数量达330多家，其中不乏IBM、思科、法国Orange等重量级厂商。

LoRa的产业链中(包括终端硬件产商、芯片产商、模块网关产商、软件厂商、系统集成商、网络运营商)的每一环均有大量的企业，构成了LoRa的完整生态系统，促使了LoRa的快速发展与生态繁盛。

图3：LoRa产业链中的厂家

目前LoRa网络已经在世界多地进行试点或部署。据LoRa联盟年初的数据是有9个国家开始建网，56个国家开始进行试点;截至目前最新公布的数据，已经有17个国家公开宣布建网计划，120多个城市地区有正在运行的LoRa网络，如美国、法国、德国、澳大利亚、印度等等国家，荷兰、瑞士、韩国等更是部署或计划部署覆盖全国的LoRa网络。

图4：法国电信运营商Bouygues部署连接百万设备量的LoRa网络

LoRa技术在国外发展如火如荼。不过就国内来看，LoRa的应用似乎并不多，目前可看到的公开应用是国内AUGTEK公司在京杭大运河开展的LoRa网络建设，据悉目前已经完成江苏段的全线覆盖。

其实国内从事LoRa模块和方案开发的厂商并不少，除AUGTEK，还有洲斯物联、思创汇连、普天通达、八月科技、NPLink、门思科技、利尔达、通感微电子、上海雍敏、武汉拓宝、博大光通、纵行科技、唯传科技、三凡信息等等众多公司。

LoRa易于建设和部署，得到越来越多国内公司的关注和跟进。例如深圳通感微电子有限公司成立了专门的项目组从事LoRa模块、网关和整体方案的开发。据该公司副总经理刘文上介绍，通感微做了不少相关LoRa的项目，例如可实时显示停车位分布状况的停车场监控系统(图5)、实现无线土壤检测的智能农业系统(图6)、防止盗猎的南非Kruger国家公园犀牛保护项目(图7)等。

这些项目的部署时间都非常快，例如上述的停车监控系统，覆盖面积10km*10km，部署了6个LoRa网关，支持终端规模3000个，部署时间仅需两周。不过这些项目都是为国外而开发的，刘文上表示他们今年才在国内开展一些项目。

图5：成功案例-停车场监控

图6：成功案例-智能农业

图7：成功案例-犀牛保护项目

疑问：后起之秀NB-IoT将导致LoRa消亡?

随着今年6月份NB-IoT的标准冻结，近来备受瞩目的NB-IoT的规模化商用的基础终于落实。普遍认为2017年将是NB-IoT网络商用的元年。

作为华为和众多运营商力推的低功耗广域网技术，NB-IoT一经推出就受到了业内的广泛关注，LoRa和NB-IoT之争的话题不曾间断。Nb-iot联盟成员之一的沃达丰，其某位高管甚至公开表示了“NB-IoT将导致LoRa消亡”的观点。

面对这样一个有强劲后台的后起之秀，

LoRa真的会被其取代吗?

从技术上看，两者之间其实并没有太大的优劣式之分，从应用范围上来看，两者其实很多都是一样的。区别在于，NB-IOT采用的是运营商统一部署覆盖全国的网络进行收费运营的方式，而LoRa可以让企业搭建属于自己的网络实现业务运营。虽然NB-IoT受到了运营商的强力支持，不过并不代表LoRa就会被轻易取代。

LoRa相对NB-IoT的好处是已经有成熟的商用，而NB-IoT才刚刚开始。LoRa和NB-IoT的应用可能会有很多重叠，不过NB-IoT是由运营商来主导，要用到运营商的网络，因此数据是先上到运营商那里，许多企业或许不愿意把自己的数据给到别人，所以这些企业宁愿部署自己的私有物联网络，这时候用LoRa就很合适。

其实LoRa和NB-IoT两个都是目前最有发展前景的远距离通信技术，并且他们在技术上来说并不是说哪个更好，哪个差些，最终谁发展得好，主要看背后的阵营的推动力量以及国家的政策。

两者的应用范围其实也没有太大区别，都是智能电表、水表抄表、智能农业等低数据量的采集。说到智能电、水表的抄表，如果采用NB-IoT，需要用到电信运营商的基站，但是水电气的运营商(电力公司、水务公司)不会把数据通过电信运营商绕一圈在收回来，他们完全可以自己搭建网络，因为其中涉及到很多利益分配问题。

NB-IoT低成本

新空口协议栈，阉割芯片运算能力

我们来将传统的LTE和NB的协议栈进行一个对比，从中可以看到NB是如何下定决心进入抠逼模式的(简直是一个都不放过!)：

PHY物理层：信道重新设计，降低基本信道的运算开销。比如PHY层取消了PCFICH、PHICH等信道，上行取消了PUCCH和SRS。这个问题在上一章节已经有所提及，这里不再重复，请各位同学自觉复习《NB-IoT低成本之葵花宝典part2》.

MAC层：协议栈优化，减少芯片协议栈处理流程的开销。这里重点讲下，因为在吴老司看来，MAC在LTE中起的作用实在是太重要了!举个栗子来说，如果说物理层是房子的根基的话，那么MAC层就是房子的顶梁柱!

◢仅支持单进程HARQ(说明两点：一是NB中仍然有HARQ重传机制，二是相比于LTE原有的最多支持8个进程process，NB仅支持单个进程。什么意思?说明数据传输中，在没有得到NACK/ACK反馈之前终端都必须等着!亲，这就完全颠覆了LTE中多进程同时传输提升传输速率和效率的基本思想);

◢不支持MAC层上行SR、SRS、CQI上报。没了CQI，LTE中那么重要的AMC(自适应调制编码技术)功能岂不基本等于武功全废?

◢不支持非竞争性随机接入功能;

◢功控没有闭环功控了，只有开环功控(这也正常，如果采用闭环功控，算法会麻烦得多，调度信令开销也会很大)。

写到这里的时候，我不得不说NB你这个败家子!LTE的家都快让你败完了!

RLC层：不支持RLC UM(这意味着没法支持VoLTE类似的语音)、TM模式(这意味着原来在LTE中走TM的系统消息，在NB中也必须走AM);

PDCP：PDCP的功能被大面积简化，原LTE中赋予的安全模式、RoHC压缩等功能直接被阉割掉。被简化后，NB中PDCP的功能已经弱到不能呼吸，直呼不要不要的了;

在RRC层：没有了mobility管理(这意味啥?意味着NB将不支持切换);新设计CP、UP方案简化RRC信令开销(后续会单独成篇分析);增加了PSM、eDRX等功能减少耗电(请参考小功耗部分讲解)。

在对上图各层协议栈进行说明的时候，所列出各层的顺序，是遵循协议栈结构的，事实上这样的顺序是咱们理解协议栈的一个基本套路，也是咱们在学习任何一个通信协议栈的时候所建议的学习顺序。

不过需要特别提醒各位小同学的是，NB的协议栈是在LTE的协议栈上进行修改得来的，彼此之间还是存在一定的联系，这是因为当前LTE的发展形势一片大好，已经形成了完整的产业链，站在LTE这个巨人的肩膀上，对后续NB成本的降低是大有好处滴。

产业链及运营等影响成本的因素

关于成本问题，我认为还有另外两个成本因素需要重点考虑，一是运营商的建网成本，另外一个是产业链的成熟度。

◢对于运营商建网成本，与LoRa相比，NB-IoT无需重新建网，射频和天线基本上都是复用的。以中国移动为例，900MHZ里面有一个比较宽的频带，只需要清出来一部分2G的频段，就可以直接进行NB-IoT的同时部署，甚至是NB和LTE同时部署。

◢对于产业链来说，芯片在NB-IoT整个产业链中处于基础核心地位，现在几乎所有主流的芯片和模组厂商都有明确的NB-IoT支持计划，这将打造一个较好的生态链，对降低成本是大有好处的。比如华为收购公司Neul的芯片实现的比较早，已有测试样片;高通的芯片在2016年四季度阶段发布，而且高通的芯片是NB-IoT和eMTC双模的芯片; Intel的芯片今年四季度会提供第一批的芯片，商用芯片也是在明年年初发布;MTK的芯片也在研发当中，明年上半年会发布;中兴微、大唐的芯片也都在研发当中。

◢NB在物理层下行采用OFDMA，上行采用SC-FDMA，这点与LTE基本保持了一致。另外在帧结构中也有很多是“就LTE而取材”的。此外，再后续讲解NB的三种工作模式时，你会更清楚地看到NB是如何与LTE共呼吸同命运的。总而言之，NB从LTE而来，继承了很多LTE的实现，且NB比LTE又要简化得多，所以这对后续研发成本、量产成本带来非常多的好处。

芯片成本进展

最后关于成本问题，引用一些“名言警句”(网上的报道)：

沃达丰集团研发主管Luke Ibbetson认为：“如果产业链不能将单模块成本降到两三美元以下，实现大规模应用，NB-IoT市场就做不起来。我们需要从全局角度出发，以极低的成本将物联网模块嵌入设备中”。

华为总裁胡厚崑认为，要想刺激NB-IoT大规模发展，通信模块成本必须低于5美元。如果成本降到1美元以内，则会带来爆发式增长。

所以，尽管NB-IoT市场前景广阔，但火热背后也存在着价格战。NB-IoT成本极低，大规模应用下成本应降至1美元，目前单个连接模块还停留在5美元。而这种价格差距让企业思考NB-IoT时不得不考虑成本优势问题，虽然运营商正在积极推动，最终要真正实现技术的产品化还有很长的一段路要走。

正如伟大领袖毛主席所言：前途是光明的,道路是曲折的。

如果真的实现，小伙伴们就可以奔走相告：妈妈再也不同担心我的肾啦!