聚合LoraWAN和NB-IoT等多无线电接入技术（Multi-RAT）在物联网中的应用

高军

摘要：物联网应用的多样性催生了多种通信技术，每种技术都针对特定的功能需求进行了优化。而将多种无线技术集成在一个设备中可以弥补任何单一无线技术的不足。本文我们分析了多无线接入技术方案的优势和劣势。为此，我们针对影响物联网的各个关键指标进行对比分析，包括能耗、覆盖范围、有效载荷大小、延迟性、服务质量和成本。我们对这些方面的评估和实验，验证了多无线接入技术方案的优势。

关键词：物联网、多无线电接入技术、Multi-RAT、LoRaWAN、NB-IoT

本文章基于宁夏慧玩网络公司于2022年申报的银川市重点重大项目

项目名称：基于多模态识别的垃圾智能回收平台研发

项目编号：2020-ZG-001

一、引言

物联网（IoT）已逐渐成为众多应用场景的核心关键技术。低功耗广域网（LPWAN）作为IoT连接解决方案之一，支持长距离的设备连接和数据传输。目前，远程广域网（LoRaWAN）和窄带物联网（NB-IoT）两种LPWAN技术应用最为广泛。本篇文章的研究成果基于我们在银川市重点重大项目（项目名称：基于多模态识别的垃圾智能回收平台研发，项目编号：2020-ZG-001）中进行的深入研究，本人在项目中主要负责研究物联网硬件选择何种无线传输技术能够达到最低功耗实现数据的完整无误传输。作为智慧城市的重要组成部分，智能垃圾桶需通过内置传感器、红外线传感器、温度传感器等设备，实时监测垃圾种类和垃圾桶状态，并通过物联网卡利用运营商网络将数据上传至平台。然而，智能垃圾桶在大多数情况下无法接入220V市电，只能依靠太阳能或风能为蓄电池充电，再为物联网设备供电。因此，如何在保证数据传输高效准确的同时，确保物联网设备最低耗电量，成为我们在研发过程中亟待解决的重要问题，多无线接入技术（Multi-RAT）也由此进入了我们的研究范围。

当我们设计物联网应用场景时，需要同时考虑技术和非技术因素（如图1所示）。传统的蜂窝标准（如3G、4G）旨在提供全球覆盖，但它们的能耗较高。LPWAN的出现使得开发人员可以选择低成本、低功耗且能实现远距离通信的连接技术。远程广域网（LoRaWAN）和窄带物联网（NB-IoT）是两种突出的LPWAN技术，分别在无许可和有许可频段中运行。

LoRa技术使用扩频技术，使得信号能够在较低的信噪比下被接收。LoRaWAN是在LoRa技术的基础上开发出来的一种物联网通信协议，主要目的是实现物联网设备之间的互联互通。具有低功耗、广覆盖、超低成本、网络容量大和抗干扰能力强等特点，LoRaWAN是一种星型拓扑结构，在保持低功耗并增加通信范围方面具有极大优势。

NB-IoT技术是一种低功耗、广覆盖的物联网技术，利用现有蜂窝网络基础设施，为低速率、低频率、低成本的物联网应用提供可靠的数据传输服务。它是3GPP在2016年发布的LTE标准的一部分，也是5G标准的重要组成部分。NB-IoT延长了电池寿命和覆盖范围，但带宽和下行链路容量减少。相比传统蜂窝传输，NB-IoT针对LPWAN通信进行了优化，提供相对较小的有效载荷和远距离通信。

许多物联网应用只需要单一的无线连接技术，但在某些特殊场景中，多无线接入技术（Multi-RAT）更适用。集成多种无线技术可以提高性能。以前已经用于短距离传输的IoT设备，例如同时整合Wi-Fi和蓝牙连接。然而，缺乏一种真正的多无线接入技术，可以在非许可技术和蜂窝技术之间动态切换。对于电池供电的物联网设备，无线传输是主要的能耗点。根据网络条件或数据传送需求，IoT设备可以动态切换到最合适的技术，同时优化能耗。

这项技术特别有利于在需要发送多种类型数据包且覆盖范围更广的复杂场景中应用。本文提出了一种改进LPWAN连接性能参数的多无线接入技术解决方案，特别能延长电池供电物联网设备的电池寿命。研究重点是物联网设备和网关之间的无线链路，针对典型要求和应用场景设计了Multi-RAT解决方案。对比绘制了LoRaWAN和NB-IoT的性能指标，可用于不同LPWAN标准的动态切换。尽管LoRaWAN和NB-IoT都适用于低功耗通信，但研究表明节点的能耗可能存在较大差别。作者在智慧城市应用中分析了LoRaWAN和NB-IoT的能耗对比，并发现多无线接入技术的优势。研究主要集中在两个方面：根据LPWAN规范确定多无线接入系统的理论边界，以及通过实验验证了集成LoRaWAN和NB-IoT的多无线接入技术的优势。研究指出，在具有动态有效载荷大小、链路质量或QoS要求的场景中，多无线接入技术解决方案在能耗和延迟方面优于任何单一技术解决方案。同时，也讨论了一些多无线接入技术可能存在的不足和限制。

本文的结构如下。首先，我们探讨了LoRaWAN和NB-IoT的规范，并确定了多无线接入技术系统的理论边界。然后，我们报告了我们的测量结果，评估了两种技术在实际环境中的能耗和延迟。最后，我们总结了我们的主要结论，并展示了如何根据不同的应用需求选择合适的无线技术。

图1：三种物联网无线连接技术的比较分析。

二、低功耗广域网（LPWAN）对多无线电接入（Multi-RAT）的技术要求

我们分析了LoRaWAN和NB-IoT的主要理论特性，如图1所示，从而评估了多无线接入技术的技术优势。

2.1能耗

LoRaWAN和NB-IoT都提供了最小化能源消耗的措施，以支持电池供电设备的使用寿命。使用多无线接入技术的设备需考虑各种因素后（例如传输速率、有效载荷、延迟容忍度），自动选择使用最节能的物联网技术。

LoRaWAN在设计上是低功耗的，采用简单的介质访问控制（MAC）和窄带宽信号传输有助于降低功耗。能耗主要由空中时间决定（ToA），取决于有效载荷大小和扩频因子。

LoRaWAN规范中实现自适应数据传输速率的优势之一是优化能耗。该算法根据无线信道条件改变终端设备的发射功率和数据传输速率。在不利情况下，发射功率或扩频因子会增加，以克服信噪比（SNR）降低。相反，当信噪比高于阈值时，器件将降低其发射功率或扩频因子。

为了满足LPWAN特定要求，NB-IoT引入了eDRX低功耗技术[2]，使开发人员能够设置并随时更改边缘设备在进入低功耗睡眠模式前保持的时间，然后再唤醒以侦听任何网络指示以获取待处理数据。使用eDRX技术，设备可以侦听待处理数据，同时最大限度地降低功耗。较长的eDRX周期允许NB-IoT设备休眠长达186分钟，之后节点在再次休眠之前检查寻呼。当节点不再需要保持活动连接时，它可以进入省电模式（PSM）。在此模式下，节点与网络完全断开连接。有关不同阶段能源消耗的详细概述，请参阅第III-B节。

2.2覆盖范围

在物联网设备部署过程中，不论是在城市还是偏远地区，良好的覆盖范围对于获得可靠的通信至关重要。LoRaWAN和NB-IoT都具备增强覆盖范围的能力和机制。相较于任何单一无线连接技术，Multi-RAT解决方案中的冗余性可以大大提高可靠性。

LoRaWAN的网络覆盖范围在很大程度上受其数据传输速率的影响。通过增大扩频因子，可以降低解调门限，从而实现覆盖范围的扩大。此外，可以通过增设更多的网关来进一步扩大LoRaWAN网络的覆盖范围。

在NB-IoT中，融入了三个覆盖增强（CE）级别，根据射频（RF）信道质量确定。在网络随机访问过程中，配置了两个RSRP阈值，从而可以配置三个CE级别：CE级别0（信号质量好）、1（信号质量一般）和2（信号质量差）。如果建立连接时网络接收不佳，CE级别将提高到1级或2级。高CE水平将导致较低的带宽和数据包丢失。

我们进行了一项测量活动，以研究现实生活中所需CE水平的分布。在93%的测量中，在室外无需实施覆盖范围扩展。对于地下位置，CE级别1使用了27%，而CE级别2使用了19%。

2.3有效载荷大小

典型的物联网（IoT）节点通常只需发送有限量的字节。然而，更大的有效负载将允许节点定期发送更大的数据包，特别适用于监控场景（上行链路）和无线（OTA）更新（下行链路）。实施Multi-RAT解决方案可以提供可用有效载荷大小的组合范围。

LoRaWAN的有效载荷大小取决于多个因素，包括扩频因子（SF）、编码率、带宽等。扩频因子越大，可用的有效载荷就越小，因为更大的扩频因子意味着更长的传输时间。反之，扩频因子越小，可用的有效载荷就越大。

在NB-IoT中，无论条件如何，每条上行链路和下行链路消息的最大有效负载大小都是1600B[3]。NB-IoT没有占空比限制，每天都可以发送无限量的消息。

2.4延迟

我们将讨论上行链路延迟和下行链路延迟两个延迟要求。上行链路延迟是指从设备发送消息到服务器接收消息的时间间隔。在现实中，这种延迟主要由物联网节点设备和网关之间的通信延迟引起。

在LoRaWAN中，下行链路消息的延迟受终端设备类别的选择所限制，而上行链路消息的延迟则受占空比和数据传输速率的限制。LoRaWAN设备必须遵守最大占空比为1%，这可能会增加上行链路消息的延迟。

LoRaWAN定义三类设备：A、B、C，它们在下行链路消息调度上有别。A类设备每个上行消息后开两个下行窗口。B类设备在上行消息间加时间同步接收窗口。C类设备接收窗口常开，除非发送数据。故低延迟下行消息应用宜用C类。上行延迟也受传输速率影响，此由扩频因子（SF）、带宽、编码速率（CR）决定。LoRaWAN广播时间从25ms（SF7，1B）至2.5s（SF12，51B）。

在NB-IoT中，尽管上行链路延迟最多限制为10秒，但下行链路延迟在很大程度上取决于设置的睡眠计时器的值eDRX和PSM。

上行链路延迟主要受路径损耗和基站部署方式的影响。设备通过发送随机访问（RA）请求进行接入预约，基站通过发送随机访问响应（RAR）回应，表示将为NB-IoT预留传输资源。eDRX定时器和PSM定时器控制节点接收数据的能力，从而影响下行延迟。

eDRX定时器和PSM定时器控制节点接收数据的能力，从而影响下行延迟。通过延长eDRX周期，将发生更多的周期性寻呼。在PSM模式中，在发送跟踪区域更新（TAU）消息之前，无法接收任何数据包。

根据文献报道，典型的延迟为0.3s至8.3s，具体取决于链路质量和部署类型。在单站部署场景中，NB-IoT可以使用完整的基站电源，改善延迟。在良好覆盖条件下，延迟主要由获取同步和等待访问机会的时间引起。在覆盖不佳情况下，延迟通常由异常报告的延迟引起。NB-IoT的下行链路数据传输速率最大为200kbps，上行链路为180kbps。

2.5服务质量

在基于IoT的监控场景中，QoS主要关注数据包的丢包率和传输速率。通过启用重传、增加发射功率等机制，可以实现技术层面对QoS的动态调节。

由于LoRaWAN可以使用免许可频段，存在较多的干扰，为了抵抗免许可频段中的干扰，采用了啁啾扩频（CSS）这种扩频技术。LoRaWAN不支持不同等级的QoS。但是可以启用确认机制，使消息在丢失时可以重新发送。

由于NB-IoT在受许可的频段中运行，因此它能够提供更高水平的QoS。此外，NB-IoT使用了与LTE相同的成熟的时隙同步协议：保证了端到端的QoS。

2.6成本

显然，基于Multi-RAT解决方案的物联网硬件成本会高于使用单一无线接入技术的物联网设备。在计算总成本时，需要考虑以下几点：频谱成本、网络部署成本、终端设备成本，以及电池相关的最终成本。

由于LoRaWAN在无需许可的频段中运行，因此不需要考虑频谱成本。并且，为了扩大范围和提高网络可管理性，可以部署专用网络。而NB-IoT在许可频谱中运行，所以频谱使用许可和基站建设费用，是NB-IoT网络建设成本的重要因素。

三、实验评价

LoRaWAN和NB-IoT相关实验参数已在相关文献中进行了比较和记录。但是，在能耗和延迟方面的实验数据比较缺乏。在下文中，我们主要进行能耗和延迟方面的测试。

3.1实验设置

为了全面评估LoRaWAN和NB-IoT的各项指标，我们为这两种物联网技术开发了定制硬件，采用商用电子元件（COTS）。为了在实际环境中评估这些技术，包括网络特定配置的影响，我们选择使用中国移动的网络作为基础网络。在LoRaWAN测试中，我们使用HappyGecko入门套件进行实验，该套件运行LoRaWAN网络堆栈，并连接到LoRa扩展模块。系统能耗分布通过HappyGecko的内置功率监视器测量。在NB-IoT测试中，我们使用上海移远通信的BG96模块，用于测量NB-IoT设备在各种运行状态下的能耗。

3.2能耗

图2a：LoRaWAN（在扩频因子（SF）为9的情况下）各阶段的功耗测量结果如图：

(1)发送阶段 (2)处理阶段 (3)第一个接收窗口 (4)处理阶段 (5)第二个接收窗口

需要注意的是，LoRaWAN网络注册不是LoRaWAN协议的必需步骤，因此在测量中没有包括该部分。

图2b:NB-IoT在CE级别为0时的各个阶段功耗测量结果如图：

(1)网络搜索和加入阶段 (2)数据包发送阶段 (3)连接模式DRX (4)扩展不连续接收模式 (5)节能模式

需要注意的是，网络注册是NB-IoT协议的强制步骤，只需在保持电源的情况下执行一次即可。

实验结果显示，LoRa和NB-IoT的功耗存在显著差异。需要注意的是，NB-IoT相对于LoRa具有更长的传输时间，这导致了更高的能量消耗。因此，从能量消耗的角度来看，LoRa相比NB-IoT更加节能。

为了比较LoRaWAN和NB-IoT的能耗，我们明确了传输一个有效载荷字节E所需的能耗。测量仅考虑物联网收发器使用的能耗。

在LoRaWAN系统中，有效负载5B和13B的头部（SF9）一同发送，其功率测量曲线如图2a所示。[4]通过结合实际功耗和理论传输时间，计算消息的总能耗。观察到的状态包括传输、处理和接收下行链路消息的窗口。图3展示了有效载荷大小变化对每字节能耗的影响，超出最大消息长度则需分多次发送。

在NB-IoT技术中，功耗测量反映了设备的多种工作状态，如网络搜索、联网、数据传输、DRX、eDRX和省电模式（PSM），如图2b所示。设备首先激活调制解调器进行网络搜索与连接，一旦联网，将协商CE级别等参数。成功联网后，设备发送数据包，例如5字节数据的UDP包，使NB-IoT有效载荷达到23B。数据发送完毕后，设备进入CDRX模式以便接收下行消息。若设备与网络均支持eDRX，调制解调器将定期激活以接收下行通信。为降低能耗，在eDRX周期间，设备休眠直至寻呼时间窗口（PTW）。经过若干eDRX周期，设备将转入最低功耗状态—PSM，在此状态下，设备休眠直到PSM定时器到期，然后重新激活以连接网络。

NB-IoT设备的CE级别提升将导致能耗增加[5]。节点会根据测量的RSRP与网络商定CE级别，影响功耗，如图4所示。较低RSRP通常意味着更高CE级别，能耗显著增长。例如，在CE级2传输相同数据包的能耗是CE级0的四倍。NB-IoT最大支持单次传输1600B数据。有效载荷大小也会影响功耗，但由于固定能量消耗（CDRX和eDRX）相同，较大的数据包每字节能耗更低（图3）。特别是当有效载荷不超240B时，NB-IoT（CE级2）的能效优于LoRaWAN（SF12）。但随着有效载荷增大，NB-IoT的能耗逐渐高于LoRaWAN。因此，在传输大量数据时，提高CE级别对能耗的影响相对减小。

图3：对LoRaWAN和NB-IoT的每字节能耗进行了比较。当发送小负载时，能耗差异最为显著。在超过240字节的情况下，相对于LoRaWAN（SF12），NB-IoT（CE级别2）的每字节能耗更加节能。

图4：NB-IoT调制解调器通过发送一个5字节的负载（18字节的开销）在不同接收功率（RSRP）下的能耗。

3.3延迟

在物联网领域，LoRaWAN和NB-IoT的上行链路延迟是一个重要的性能指标。以下是我们对这两种技术的实验测试结果：

LoRaWAN：上行链路延迟主要受到占空比限制的影响，1600字节有效负载的上行链路延迟的范围在42分钟到68小时之间。由于最大消息大小受扩频因子的限制，需要将有效负载拆分为多个消息才能发送完整的有效负载，这进一步增加了上行链路延迟。总体来说，占空比受网络支持的带宽限制。

NB-IoT：根据NB-IoT规范，延迟应保持在10秒以下。通过在不同信号条件下发送1236个包进行验证，结果表明CE级别0和1都将延迟保持在10秒的最大值内。在CE级别1中传输的数据包仅比在CE级别0中传输的数据包具有稍大的延迟。然而，在CE级别2上传输时，较差的信号条件会导致延迟达到20秒（图5）。值得注意的是，在NB-IoT中，延迟几乎不受有效载荷大小的影响。

图5：NB-IoT发送一个包含14字节有效载荷、CE级别为2时数据包时的延迟最大。

四、结语

针对LPWAN技术的主要参数要求，我们评估了LoRaWAN和NB-IoT技术的互补性和协同潜力。对于许多基础的物联网应用，这意味着有一种优选的技术，但在更复杂的场景中，采用多无线接入技术方案可以显著提升节点的性能并降低功耗。基于我们的研究和实验验证，我们从不同物联网应用场景展示了多无线接入技术（LoRaWAN/NB-IoT）解决方案的优势，同时关注最佳的功耗平衡。

4.1多无线接入技术的优势

4.1.1、针对有效载荷大小有变化的应用场景：对于有效载荷大小不同的物联网场景，多无线接入技术方法有利于节省能源。NB-IoT支持高达1600B消息，LoRaWAN适合小的有效载荷传输。例如，在智慧城市监控中，设备每小时通过LoRaWAN发送一次传感器数据，当数据超过阈值时，则通过NB-IoT发送详细数据。这种方法每周能耗约23J，远低于单一技术使用。理想状态下，设备可用电池运行30年。

4.1.2、保证消息及时传递的应用场景：根据网络覆盖范围和网络负载，可以通过在多种无线接入技术之间切换来优化延迟。当NB-IoT模组在PSM模式下，LoRaWAN能实现更快唤醒，NB-IoT则能更快发送数据。这对于医疗级监测设备很有意义（如心率或跌倒检测）。

4.1.3、扩大服务区域的应用场景：通过结合多种物联网无线接入技术，可以有效的扩大服务区域的覆盖范围。当一种技术覆盖不足时，另一种技术补充覆盖，如通过私有网关扩展LoRaWAN服务区域。

4.1.4、提高QoS的应用场景：通过使物联网设备能够在LoRaWAN和NB-IoT上运行，可以为任何消息选择最佳的QoS，提高鲁棒性和可靠性。周期性的“心跳”消息不需要高QoS，但包含敏感数据的重要消息（如定位应用）确实需要高QoS。LoRaWAN适用于周期性、低QoS的消息传送。重要消息可以通过NB-IoT网络发送，具有高QoS。

4.2多无线接入技术的潜在缺点

4.2.1、设备占用空间：通过在一台设备上集成多种无线接入模块，需要板载多个调制解调器。这增加了无线接口所需的空间，包括适用的调制解调器尺寸和合适的天线尺寸。通过有效利用印刷电路板（PCB）的两面，可以减少多个调制解调器占用的电路板空间。多个天线可以集成在多频段天线中。

4.2.2、设备成本：由于包含多个调制解调器，硬件成本将增加。然而，通过优化能源消耗，可以避免频繁更换电池，从而节省成本。

4.2.3、计算开销：物联网设备要在多种无线接入技术之间动态切换，需要在数据包中增加一些计算开销，以实现多无线接入技术的节能效果。

4.3结论

在许多情况下，严格的物联网（IoT）需求的优先级排序可能是一项具有挑战性的任务。例如，当一个应用需要传输小数据量和大数据量时，物联网设备的无线接入技术的选择将直接影响两种类型消息传输所需的能源消耗和延迟。本文介绍了一种多无线电接入技术（Multi-RAT）解决方案，该解决方案可以根据物联网需求的优先级和当前环境动态地调整无线接入技术。这种方法对于减少能源消耗特别有利，可以显著降低能源消耗。我们收集到的实验数据可以帮助设备选择最合适的无线连接解决方案，并有助于建立低延迟和低功耗的应用场景模型。这个模型可以用来为多无线电接入技术开发动态选择程序，以优化数据传输效率和效果。

参考文献：

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[2]李贵勇 舒强 李文彬.基于NB-IoT系统的eDRX的分析与研究. 《电子技术应用》. 2018年08期

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[4]G.Callebaut,G.Leenders,J.Van Mulders,G.Ottoy,L.De Strycker,and L.Van der Perre.“The art of designing remote iot devices—technologies and strategies for a long battery life”. Sensors. vol.21,no.3,[2021].

[5]乔志骏. LTE eMTC reRACH过程模式转换问题及解决机制探讨. 《信息与电脑》. [2021-20]