LoRa的发展可能更多与NB-IoT配合展开,组成混合式网络,从而应用于更多的场景。

物联网和无线通信等技术的快速普及和发展,无疑推动着半导体需求的增加,半导体制造商不再仅仅是组件供应商,他们必须理解整个物联网堆栈需求。

就实际应用而言,不同场景间的物物相连对网络速率、覆盖要求、连接数量等的敏感度差异巨大,受限于技术的局限性,没有一种技术可以从端到端、全方位地满足物联网不同应用场景之间的差异化需求。

同时,同一应用场景往往包含多种类型的连接需求,所以,物联网始终呈现出不同技术类型百花齐放、共生共存的局面。作为物联网和无线通信领域的“前辈技术”LoRa在这个万物互联、通信技术百家争鸣的时代又该何去何从。

LoRa发展史

LoRa是一个物理层的无线数字通信调制技术,称为扩频连续调频调制技术(Chirp Modulation)。常见的无线数字通信调制技术为FSK、ASK、PSK三种,运营商的NB-IoT、5G等以及Wi-Fi、蓝牙等几乎所有常见的数字无线通信技术的物理层都是采用这三种调制技术进行通信的。

与大部分通信技术不同的是,LoRa只是物理层的调制技术,现在市面上所有的LoRa芯片,也只是完成简单的物理层工作,而像NB-IoT等其他芯片,都是自带协议栈的,也就是OSI模型中的网络层+数据链路层+物理层。

LoRa技术发布

早在十几年前,一家名为Cycleo的法国公司研发了一套LoRa原型技术。2012年,该公司被美国Semtech公司收购,在技术原型的基础上继续研发。

2013年8月,Semtech向业界发布了一种新型的基于1GHz以下的基于超长距离低功耗数据传输技术的芯片,这就是LoRa芯片。

LoRa生态建设

出于对生态的敏感,Semtech、Actility和IBM Research在苏黎世共同制定了物联网的规范。2014年,这几家公司合作设计了LoRa MAC,在不改变发射功率的前提下,把功耗降到非常低,传输距离做到一般FSK的3~5倍,这种长距离、低功耗无线传输技术——LoRa就这样诞生了。

2015年2月,LoRa联盟(LoRa Alliance)成立于巴塞罗那移动大会,LoRa MAC被重命名为“LoRaWAN”,这也就是LoRa联盟成员的规范。在联盟的推动下,LoRa的产业链开始逐渐成熟,从底层的芯片、模组,到设备制造、系统集成,都有了相关厂商。

截至2021年12月,全球已经部署了270多万个基于LoRa的网关,基于LoRa的终端节点超过2.25亿个,LoRa或LoRa WAN的部署覆盖了171个国家和地区。同时,LoRaWAN被国际电联(ITU)正式认可为全球物联网标准。

LoRa产业链上下游布局企业发展空间不断增大,特别是生产核心元器件的企业拥有巨大发展潜力。目前全球有163个LoRaWAN运营商,LoRa联盟已经拥有400多个公司成员。据ABI Research机构预测,到2026年,50%的LPWAN物联网解决方案将会适合用LoRa方案,LoRa联盟正在与全球主要物联网生态圈合作一起推动扩大LoRa市场应用。

在早期LoRa应用场景上,主要集中在水表、燃气表、电表等抄表类应用,近些年,则是越来越多的应用到了智能楼宇、公共安全、电力和军事工业等行业,未来,LoRa技术会更致力于室内场景的应用,这将成为LoRa最值得期待的市场。

LoRa技术特点和主流芯片

了解LoRa技术,就不得不提及LoRaWAN,本质上讲,LoRa是LoRaWAN网络物理层中使用的调制技术,它基于源自CSS技术的扩频调制技术,保持了低功耗的特性,增加了通信距离,拥有超高的接收灵敏度和超强的信噪比;LoRaWAN是MAC层的组网协议,其网络结构通常部署为一个星型拓扑结构,现有的LoRaWAN组网基本上都使用LoRa作为物理层,整体方案可分为终端节点设备(End Nodes)、网关(Gateway)和服务器(Server)。

LoRa组网可以根据不同的应用和需求而选择不同方式,常见的组网方式有:点对点、星状(如LoRaWAN)、网状等,国外使用的组网方式通常为LoRaWAN,而国内多数是企业、机构或个人使用其他组网方式部署的私有/专有网络,这样的使用方式与Wi-Fi相同,因此又被称为“长Wi-Fi”。

LoRa无线射频芯片主要有网关、收发器、接收器和发送器组成。产品主要分为三大类,第一类是LoRa Core,该产品组合由sub-GHz收发器芯片、网关芯片和参考设计组成。LoRa终端射频芯片和LoRa基站/网关射频芯片两者的主要区别在于,终端芯片重在低功耗和单通道,LoRa网关是传感器终端将数据传输到云端的中介,所以基站/网关芯片重在支持多通道和大连接。

第二类是LoRa Edge超低功耗平台,它集成了面向GNSS资产管理应用的LoRa收发器、多星座扫描仪和无源Wi-Fi接入点MAC地址扫描仪,具有支持150-960MHz的全球ISM频段,+22dBm大功率发射机输出等功能,有平衡性能、位置、准确性和低功耗等优势

第三类是LoRa2.4GHz系列产品,在2.4GHz频段提供超长距离通信,具有最低功耗和最高可靠性的连接,有着-132dBm的高灵敏度,12.5dBm输出功率,144.5dB最大链路预算,且开源专有协议栈,系统成本低,适用于需要单一SKU、全球互操作性、高数据速率和无占空比限制的物联网市场。

LoRa芯片的发展走向SoC

LoRa芯片是整个LoRa产业链的起点和核心,而LoRa芯片底层技术的核心专利掌握在Semtech一家公司手里。

但在2018年,由于Semtech改变产品的营销模式,通过LoRa IP授权的方式给客户自己做LoRa芯片。此后,阿里云IoT得到了Semtech的授权,并由翱捷科技(ASR)进行LoRa芯片开发。合作初期,翱捷科技就公布了Sip级芯片ASR6501,这也是首款国产LoRa芯片,随后又相继推出了ASR6052、ASR6055芯片和ASR6500S系列系统集成方案。

由于低功耗物联网应用单品市场规模逐渐发展壮大、生命周期越来越长,与众多无线通信芯片类似,LPWAN芯片也逐渐走向SoC。

2020年,翱捷科技又推出了首颗国产支持LoRa的LPWAN低功耗广域网无线通信SoC芯片ASR6601,该款芯片集成了通用微控制器和射频单元,包括射频收发器,调制解调器和一个48MHz主频、采用Arm Cortex M4架构的32位MCU。

在此基础上,ASR6601支持多种调制模式和各类ISM频段,支持LoRaWAN和LinkWAN协议栈,同时支持FSK等传统调制方式,BPSK的发送和MSK的收发。因此,毫无疑问,ASR6601的无线应用更加灵活,它的诞生为加速推动中国物联网市场的蓬勃发展做出了贡献。

另外,如深圳华普、国民技术等通过获得LoRa圆晶的方式,也推出了Sip级芯片或模组。

LoRa与NB-IoT:共存还是竞争

无线通信技术可以划分为局域通信技术(WLAN)和低功耗广域通信技术(LPWAN)两类,后者因其实现了物联网可达性、可用性、移动性和规模性的要求,已成为物联网连接的首选技术。

而在LPWAN中,又有着LoRa、Sigfox、eMTC和NB-IoT等技术,其中LoRa和NB-IoT(窄带物联网)是非授权频谱和授权频谱下的两大主流代表技术,也是目前应用最广泛的两种技术。

所谓非授权频谱,就是国家开放给民众免费使用的频谱资源,只要符合占用带宽,发射功率限制等监管要求,大家都可以使用,比如人们最熟悉的Wi-Fi的频谱,包含433M,2.4GHz和5GHz等频段,有时甚至还包括一些授权给军方使用的雷达频谱。而授权频谱其实是指被通信运营商所拥有的授权频段,通信运营商需要为这些频段支付使用费用,如3G UMTS、4G LTE、5G NR通常都工作在授权频谱上。

LoRa技术工作于非授权频段下,更适用于专用网络的部署。对于一些不希望将自己的数据交给运营商的企业,选择使用LoRa自己部署网络,掌握了自主权,成本低且自主化程度高,管理更加方便和灵活。

在我国,LoRa的使用虽未被禁止但也在很大程度上受到了限制。

目前,LoRa在亚洲的主要工作频率是433MHz,但就在2019年,国家工信部发表的52号公告中明确表示,433MHz不属于中国的ISM频段,这就使LoRa在中国的使用受到了限制。

但同时,公告指出,“470-510MHz频段,限在建筑楼宇、住宅小区及村庄等小范围内组网使用,任意时刻限单个信道发射”,而除了433MHz外,470、868、915MHz频段也都是LoRa可使用的频段。

此外,与运营商的4G、5G、NB-IoT等移动通信技术标准不同的是,这些标准都是最具权威的移动通信标准化组织3GPP制定并由国际电信联盟ITU批准的国际标准,而LoRa则属于“私有”技术,是由各产业联盟共同推进的网络标准。

LoRa由美国公司Semtech独家私有垄断,终端和芯片IP专利由Semtech独家掌控。现如今,在智慧城市、智能楼宇等应用场景中LoRa部署的终端和网络数量不断增大的背景下,LoRa技术所带来的安全问题越多,风险挑战也越大。随着当前地缘政治摩擦,无论在国家和物联网产业链角度还是在公司利益角度来看,都存在着芯片被禁售、被迫支付高昂专利费用、数据被窃取、网络被控制等潜在风险,这也就导致了LoRa这些年的发展尤其是在我国的发展道路困难重重。

反观NB-IoT,一直以来就是我国主推的物联网技术标准,不仅有政府的产业政策支持,三大运营商的全力投入,更有华为的技术加持,一路的发展可谓顺风顺水。

NB-IoT属于3GPP开放标准体系,技术专利由多家公司提供,且芯片供应厂家众多,技术可天然演进到5G,工作于授权频段下,可直接接入公共网络。2020年7月,凭借着其安全系数和通讯质量较高、不存在被清频风险、可直接部署于GSM、LTE等网络、不限制传输讯息次数、所携带的数据量相对较高等优势,NB-IoT正式被写入5G标准。另外,现在我国已经自主掌握NB-IoT较为完整的专业技术链条,大概率不会出现被“卡脖子”的情况,自主可控,这让国家对大力支持NB-IoT更有底气。

在技术上来看,根据近几年的各种对比测试,大多数情况下,NB-IoT都具有比LoRa更优的连接质量,数据传输速率和服务质量(QoS),另外在延迟、可靠性和覆盖范围方面也更具优势;LoRa则在电池寿命,容量和成本方面更具优势。

综上,显然NB-IoT无论是在市场上还是在技术层面,都具有LoRa无法相比的优势,如果只是竞争关系,那么在两者谁会在未来主导我国的物联网发展的问题上,答案是毋庸置疑的。

而在物联网技术领域,往往不仅是你死我活的竞争关系,在日后的发展过程中,LoRa阵营对于二者的关系更倾向于互补与合作,LoRa以其开放生态、小而灵活的组网特点,决定了其仍有可占据优势的市场空间,这可以作为NB-IoT市场的补充。对此已有学者尝试将LoRa的更低成本、更低功耗和NB-IoT更高QoS、可接入外网的特点相结合,在工业厂区内采用LoRa技术进行数据的采集,然后通过NB-IoT将工业数据传输至云端,从而实现工业数据的无线传输。由此可见,LoRa与NB-IoT组合形成混合式网络部署是可行的,将二者优势互补,实现更佳的通信效果。

展望LoRa

正如前文所说,LoRa在物联网产业链发展受阻,受政策及市场的双重影响,国内的LoRa产业发展也经历了一些波折,发展推进相对困难。现在,LoRa的应用领域被定义为能源管理、智能家居、智慧农业、智慧城市等方面,随着理论研究的深入,LoRa技术必将在物联网更多领域得到充分应用。

另外,由于其对简单架构和对低功耗的要求,必然会造成数据加密算法的简单,这使得数据传输的安全性无法保证,因此在未来,对于LoRa技术的安全性研究也会是一个重点问题。

最后,在5G时代,NB-IoT相比于LoRa有着更显著的优势,日后LoRa的发展可能更多与NB-IoT配合展开,组成混合式网络,从而应用于更多的场景。