【物联网】NB

物联网必定是一个社会发展趋势，但是地球资源有限，资源的可重复利用不重视起来，再过几十年，就没有资源可用了......物联网是比较新兴的方向，我之前了解的最出名的、使用最多的就是ZigBee网络，好几年没有关注物联网行业了，也不知道什么时候出来了很多新技术，最突出的就是NB-IoT和Lora了，

引用百度百科的专业介绍 -- “窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。 NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说NB-IoT设备电池寿命可以提高至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。 ”

这么长的一段文字介绍，其中最重要的一段话就是“NB-IoT构建与蜂窝网络”，什么意思？就是NB-IoT使用的是现成的移动数据网络连入以太网，相比较以前使用ZigBee网络的时候需要一个网关，负责连入以太网络和服务器进行通讯，而NB-IoT则方便多了，每台NB-IoT设备都可以直接连入到蜂窝网络，可以直接和服务器进行连接，这种方式的好处就是简化了网络的搭建，不需要为了物联网设备群搭建一个网关。

当然，大家肯定会提出一个疑问，为什么不直接使用GPRS连入到蜂窝网络呢？已经有很多成熟的GPRS的方案，为什么发展一个NB-IoT呢？（参考文章：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1606378053703379484&wfr=spider&for=pc）

第一，覆盖广，相比传统GSM，一个基站可以提供10倍的面积覆盖。一个NB-IOT基站可以覆盖10km的范围，小县城一个基站就可以覆盖了。同时NB-IoT比LTE和GPRS基站提升了20dB的增益，能覆盖到地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方，在地下是不可能有信号打电话的，但NB-IOT仍然可以通信！

第二，海量连接，200KHz的频率可以提供10万个联接。提供的连接越多，那基站就建的少，基站建的少，那就省钱！一老师同时教200个学生，另外一个老师就能带20个学生，这样在同样带1000个学生的前提下，带200个学生的老师只雇佣5个就可以，后面那样的老师就要雇佣50个。

第三，低功耗，使用AA电池（5号电池）便可以工作十年，无需充电。10年不需充电！你不是在骗我吧？我的手机可是每天都要充电的！NB-IoT引入了eDRX省电技术和PSM省电模式，进一步降低了功耗，延长了电池使用时间。在PSM模式下，终端仍旧注册在网，但信令不可达，从而使终端更长时间驻留在深睡眠以达到省电的目的。eDRX省电技术进一步延长终端在空闲模式下的睡眠周期，减少接收单元不必要的启动，相对于PSM，大幅度提升了下行可达性。

那么NB-IoT有什么不足之处呢？首先，部署频率是授权的，必须由运营商来部署！想自己搭建一个？在目前看来还是不行。看来想一次性投资，后面不再交钱这条路行不通。其次，模块现在成本还是高（相对于成熟的GPRS模块，wifi模块），这个应该会随着使用量的增大而慢慢降低。

由于NB-IoT设备连入到移动运营商提供的基站，就像手机一样，那么很显然，不可能随便一个设备都能连入到NB-IoT基站，就像手机必须要有SIM卡才能连入网络一样，NB-IoT设备也必须有SIM卡才能连入基站，这就涉及到了流量费用，这点上相比ZigBee设备来说就不是很方便了，因为每个NB-IoT设备都需要SIM卡，而传统的ZigBee系统只需要网关上有一个SIM卡或者连入WIFI网络。

LoRa的介绍参考文章：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1606842460149901600&wfr=spider&for=pc，引用部分内容：“LoRa是semtech公司创建的低功耗局域网无线标准，低功耗一般很难覆盖远距离，远距离一般功耗高，要想马儿不吃草还要跑得远，好像难以办到。LoRa的名字就是远距离无线电（Long Range Radio），它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。

LoRa的特性：

传输距离：城镇可达2-5 Km ， 郊区可达15 Km 。

工作频率：ISM 频段 包括433、868、915 MH等。

标准：IEEE 802.15.4g。

调制方式：基于扩频技术，线性调制扩频（CSS）的一个变种，具有前向纠错（FEC）能力。

容量：一个LoRa网关可以连接上千上万个LoRa节点。

电池寿命：长达10年。

安全：AES128加密。

传输速率：几百到几十Kbps，速率越低传输距离越长，这很像一个人挑东西，挑的多走不太远，少了可以走远。”。

参考一片介绍NB-IoT、LoRa、ZigBee三种网络方案的对比文章：https://blog.csdn.net/robert_tina/article/details/78864790，引用文中的一张对比表：

其实LoRa网络和ZigBee网络是相似的，需要一个网关统筹所有设备连入以太网络，相比较ZigBee网络，Lora拥有更高的传输距离，但是通讯速率较低，因为ZigBee网络的工作频率为2.4Ghz，而LoRa工作在Sub 1Ghz频段，载波频率决定了Lora网络的通讯距离和低速率。而且LoRa先进的的调制模式使得数据传输的抗干扰性更好，可以将低功耗和长距离传输完美地结合在一起，是一个很有钱途的物联网网络。

其实LoRa表示的是物理层的一种射频调制技术，而ZigBee表示的是一种规范（标准），而与ZigBee对称的规范叫做LoRaWANLoRa Wide Area Network ），这是一个基于LoRa物理层的数据链路层（MAC）定义，LoRaWAN和LoRa的关系可以参考下图：（引自：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1607152697356852668&wfr=spider&for=pc）

其实LoRaWan并不是一个完整的通信协议，因为它只定义了物理层和链路层，网络层和传输层没有，功能也并不完善，没有漫游，没有组网管理等通信协议的主要功能。所以需要在LoRaWAN层之上进行开发。

参考文章：https://blog.csdn.net/HowieXue/article/details/78028881。

LoRa有三个最重要的参数：扩频调制带宽（BW）、扩频因子（SF）和纠错率（CR）。这三个参数衍生出来有编码率（CR）、符号速率（Rs）、数据速率（DR）等。

引自SX127X数据手册：LoRa扩频调制技术采用多个信息码片来代表有效负载信息的每个位。扩频信息的发送速度称为符号速率（Rs），而码片速率与标称符号速率之间的比值即为扩频因子，其表示每个信息位发送的符号数量。扩频因子取值范围如下表：

注意：因为不同扩频因子（SpreadingFactor）之间为正交关系，因此必须提前获知链路发送端和接收端的扩频因子。另外，还必须获知接收机输入端的信噪比。在负信噪比条件下信号也能正常接收，这改善了LoRa接收机的灵敏度、链路预算及覆盖范围。

TQ注：上表中有两个扩频因子栏，两者都是扩频因子，前者为后者的以2为底的对数，所以第二栏中的每个扩频因子都是正交的（例如 64 & 128 = 0 ?），第二个扩频因子是有单位的：码片每符号。下文中介绍的扩频因子按照第一个扩频因子来计算说明。

理解扩频因子的概念：通俗的说 扩频时你的数据每一位都和扩频因子相乘，例如有一个1 bit需要传送，当扩频因子为1时，传输的时候数据1就用一个1来表示，扩频因子为6时（有6位）111111，这111111就来表示1，这样乘出来每一位都由一个6位的数据来表示，也就是说需要传输总的数据量增大了6倍。这样扩频后传输可以降低误码率也就是信噪比，但是在同样数据量条件下却减少了可以传输的实际数据，所以，扩频因子越大，传输的数据数率（比特率）就越小。”

扩频调制带宽（BW）的解释引自参考文章：“信道带宽（BW）是限定允许通过该信道的信号下限频率和上限频率，可以理解为一个频率通带。比如一个信道允许的通带为1.5kHz至15kHz，则其带宽为13.5kHz。在LoRa中，增加BW，可以提高有效数据速率以缩短传输时间，但是 以牺牲部分接受灵敏度为代价。对于LoRa芯片SX127x，LoRa带宽为双边带宽（全信道带宽），而FSK调制方式的BW是指单边带宽。”

LoRa符号速率Rs可以通过以下公式计算：

Rs=BW/(2^SF)

每Hz每秒发送一个码片。。

LoRa数据速率DR可以通过以下公式计算：

DR= SF*( BW/2^SF)*CR

LoRaWAN主要使用了125kHz信号带宽设置，但其他专用协议可以利用其他的信号带宽（BW）设置。改变BW、SF和CR也就改变了链路预算和传输时间，需要在电池寿命和距离上做个权衡。

LoRa的具体实现原理好像没有太多资料介绍，我也不是学通讯的，感觉有点陌生。不过我之前学的计算机网络中有一些知识好像在这能看到影子，例如CSMA/CD、CDMA。尤其是CDMA码分多址（Code Division Multiple Access）技术，利用正交编码技术使得多台设备可以同通讯，在接收端可以通过运算分别提取出不同设备发出来的信号。

引自百度百科：“码分多址(CDMA)是在数字技术的分支--扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。”

可以看出来，CDMA也是基于扩频技术的，不知道LoRa技术和CDMA技术有没有共同性，例如LoRa也能像CDMA调制一样，多台设备同时发送数据可以互不干扰，在接收端能够将多台设备的信号区分出来？在SX127X芯片的数据手册中也有介绍：“ Another benefit of the spread modulation is that each spreading factor is orthogonal - thus multiple transmitted signals can occupy the same channel without interfering.”。中文翻译版：“扩频调制的另一优点就是，每个扩频因子均呈正交分布，因而多个传输信号可以占用同一信道而不互相干扰”。

看起来好像的确是和CDMA一样，但是到底是说不同扩频因子的传输信号能够同时占用同一信道互不干扰还是说同一扩频因子的多个传输信号可以占用同一信道互不干扰。

我猜测应该是同一扩频因子的多个传输信号可以占用同一信道互不干扰，因为LoRaWAN协议中规定CLASS A设备都是先发送数据之后再进入两个接收窗口，所以不同的终端设备可能在同一时间或者在有重合的时间段内发送数据，而且LoRa芯片SX127X的数据手册中并没有介绍芯片有类似于CSMA/CD（载波侦听冲突检测）的机制，所以如何避免不同设备同时发送数据产生的干扰是一个很严重的问题，没有在LoRa芯片的数据手册和LoRaWAN协议规范中看到有解决这个问题的说明，所以我认为，LoRa调制技术拥有和CDMA一样的特点：多个传输信号可以同时占用同一个信道而互不干扰。

基于上面的假设，我们在进一步假想。如果我没记错，CDMA中有一个参数就是“码分”（可能不是一个很正规的名字，我随便起的），假设“码分”为n，那么原始数据的速率为 S bps的话，使用CDMA调制得到的信号速率为 S * n bps，这时候同一个信道中最多可以允许 2 ^ n 个设备同时占用信道传输数据互不干扰，每个设备的“码”就是 0 到(2 ^ n - 1)之间值，相当于设备的唯一地址。换句话说，相同的信道速率，使用CDMA调制的比不使用CDMA调制的传输速率快 n 倍，所以说CDMA技术是牺牲了通讯速率换来的各个传输之间互不干扰。那么在LoRa中会不会也和CDMA技术中的“码分”类似的参数呢？

很显然有一个，就是上面说的扩频因子SF，那么我有理由猜测，当扩频因子为SF7的时候，同一个信道中可以有 2 ^ 7个设备同时占用信道传输数据而互不干扰。但是问题来了，LoRa中“码分”是怎么实现的呢？