大规模物联网部署中的LPWAN技术比较研究外文翻译资料

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大规模物联网部署中的LPWAN技术比较研究

Kais Mekkia，Eddy Bajic 、Frederic Chaxela, Fernand Meyer

Research Centre for Automatic Control of Nancy, Campus Sciences, BP 70239, Vandoeuvre, 54506, France Nationale，Puttelange-aux-Lacs，34 Rue Nationale，57510，France

Received 21 September 2017; accepted 20 December 2017

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摘要

到2020年，将有500多亿台设备通过无线电通信连接起来。 随着物联网(IOT)市场的快速增长，低功耗广域网(LPWAN)已经成为一种流行的低速率远程无线通信技术。 Sigfox、Lora和NB-IOT是竞争大规模物联网部署的三种领先的LPWAN技术。 本文对这些技术进行了全面的比较研究，提出了有效的解决方案。 连接智能、自治和异构设备。 我们表明，Sigfox和Lora在电池寿命、容量和成本方面具有优势。 同时，NB-IOT在延迟和服务质量方面提供了优势。 此外，我们分析了这些LPWAN技术的物联网成功因素，并考虑了应用场景，解释了哪种技术最适合每种场景。

c 2018年韩国通信信息科学研究所。 Elsevier B.V。出版服务 这是CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-NC-ND/4.0/）。

关键词:物联网； lpwan；Lora； Sigfox； NB-IOT

1.导言

物联网（IoT）是指设备/传感器之间的数据交互。随着当代物联网技术的爆炸性增长，物联网应用于许多领域，包括安全性，资产跟踪，农业，智能计量，智能城市和智能体[1]。应用程序具有特定的要求，包括长距离，低数据，低能耗和成本效力。 广泛使用的短程无线电技术（例如，ZigBee，蓝牙）不适用于需要长距离传输的场景。 基于蜂窝通信（例如，2G，3G和4G）的解决方案可以提供更大的覆盖范围，但是它们消耗过多的设备能量。 因此，物联网应用的要求推动了新的无线通信技术的出现：低功率广域网（LPWAN）。

通信作者。

电子邮件地址: 电子邮件:kais.mekki@univ-lorraine.fr（K。Mekki）。 韩国通信研究所负责的同行审议-

信息科学。

https:/doi.org/10.1016/j.icte.2017.12.005

LPWAN以其低功耗、远距离、低成本的通信特性，在工业界和研究界日益受到青睐。 它在农村地区提供长达10-40公里的远距离通信，在城市地区提供1-5公里的远距离通信[2]。此外，它的能源效率很高（即电池寿命超过10年[3])，而且价格低廉，无线电芯片组的成本低于2E，每台设备每年的运营成本为1E[4]。LPWAN的这些有前途的方面促使最近对LPWAN在室外和室内环境中的性能进行了实验研究。[5- 7]。总之，LPWAN非常适合物联网应用，只需要传输远程数据，如图1 。就在2013年初，“LPWAN”一词甚至还不存在[8]。许多LPWAN技术出现在许可和未许可的带宽中。其中，Sigfox、Lora和NB-IOT是当今领先的新兴技术，涉及许多技术差异。

Sigfox技术是由创业公司Sigfox（位于法国图卢兹）于

2405-9595/C 2018韩国通信与信息科学研究所。 Elsevier B.V。出版服务 这是CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-NC-ND/4.0/）。

请在报刊上引用这篇文章:K。Mekki，et al。，A comparative study of lpwan technologies for large-scale iot deployment，ICT Express(2018)，https:/doi.org/10.1016/j.icte.2017.12.005。

2 K。Mekki等人 /ICT快递 （ ） -

图 1无线电通信技术所需的数据速率与距离容量:LPWAN定位。

2010年开发的，该公司既是公司又是LPWAN网络运营商。Sigfox在31个国家运营和商业化自己的物联网解决方案，并且由于与各种网络运营商的合作，目前仍在全球范围内推广[9] .LoRawasfirst于2009年（法国格勒诺布尔）开发了Cycleo，并于3年后被Semtech（美国）收购。2015年 ，LoRawas标准化LoRa-Alliance并部署在42个国家，由于各种移动运营商（例如法国的Bouygues和Orange，荷兰的KPN和南非的Fastnet）的投资，其他国家仍在推出[10]。

NB-IOT是一种基于窄带无线技术的LPWAN技术，由第三代合作伙伴计划(3GPP)标准化。 其规格已于2016年6月在3GPP第13版中公布。 NB-IOT仍在欧洲接受测试。 2016年12月，沃达丰和华为将NB-IOT集成到西班牙沃达丰网络中，并向安装在水表中的设备发送了符合NB-IOT标准的第一条消息。 目前，华为正在扩大合作伙伴关系，以部署这项技术在全世界范围内（2018年宣布将在许多国家部署）。 2017年5月，中国工业和信息化部宣布决定加快NB-IOT在公用事业和智能城市应用中的商业应用。

本文介绍了Sigfox、Lora和NB-IOT在物理/通信特性方面的技术差异，并进行了比较。 此外，这些技术在物联网成功因素方面进行了比较，例如服务质量（QoS）、覆盖范围、范围、延迟、电池寿命、可伸缩性、有效载荷长度、部署和成本。 此外，我们还考虑了应用场景，并解释了哪种技术最适合。

本论文的其余部分组织如下:第一部分，绪论。第二部分描述Sigfox、Lora和NB-IOT的技术特性。 第三部分从物联网因素的角度对它们进行了比较。第四部分解释哪种技术最适合不同的应用程序场景。 最后，第五部分对论文进行了讨论和总结。

2.技术差异:Sigfox、Lora和NB-IOT

在本节中，我们将重点介绍新出现的专有技术以及Sigfox、Lora和NB-IOT的技术方面，如 表1。

2.1. Sigfox

Sigfox是一个LPWAN网络运营商，提供基于其专利技术的端到端物联网连接解决方案。 Sigfox部署了配备认知软件定义无线电的专有基站，并使用基于IP的网络将它们连接到后端服务器。 终端设备在超窄带(100Hz)亚GHz ISM频带载波中使用二进制相移键控(BPSK)调制连接到这些基站。 Sigfox使用未经许可的ISM频段，例如欧洲为868 MHz，北美洲为915 MHz，亚洲为433 MHz。 通过采用超窄带，Sigfox有效地利用了带宽，并经历了极低的噪声水平，从而实现了极低的功耗、高接收器灵敏度和低成本天线设计，而最大吞吐量仅为100bps。 Sigfox最初只支持上行链路通信，但后来发展为具有显著链路不对称性的双向技术。 下行链路通信，即DAT 从基站到终端设备的A只能在上行链路通信之后发生。 上行链路上的消息数量限制为每天140个MES-SAGE。 每个上行链路消息的最大有效载荷长度为12字节。 然而，下行链路上的消息数量被限制为每天4个消息，这意味着不支持对每个上行链路消息的确认。 每个下行链路消息的最大有效载荷长度为8个字节。 没有hellip;的充分支持 确认后，使用时间和频率分集以及传输复制来确保上行链路通信可靠性。 每个终端设备消息在不同的频率信道上传输多次（默认为三次）。 为此目的，例如在欧洲，868.180 MHz和868.220 MHz之间的频带被分成400个正交的100 MHz信道（其中40个信道被保留而不使用）[4由于基站可以在所有信道上同时接收消息，所以终端设备可以随机选择一个频率信道来发送它们的消息，这简化了终端设备的设计并降低了其成本。

2.2.LORA

LORA是一种物理层技术，使用专有扩频技术在亚GHz ISM频段调制信号。[11与Sigfox一样，Lora使用未经许可的ISM频段，即欧洲为868 MHz，北美为915 MHz，亚洲为433 MHz。双向通信由线性调频扩频(CSS)调制提供，该调制将窄带信号扩展到更宽的信道带宽上。由此产生的信号具有低噪声水平，能够实现高抗干扰性，并且难以检测或干扰。[12]。

Lora使用六个扩展因子(SF7至SF12)来调整数据速率和范围的权衡。 较高的扩展因子允许以较低的数据速率为代价的较长范围，反之亦然。 LORA数据速率介于300 bps和50 kbps之间，具体取决于扩展系数和通道带宽。 此外，使用不同扩展因子发送的消息可以由Lora基站同时接收[13].最大值

请在报刊上引用这篇文章:K。Mekki，et al。，A comparative study of lpwan technologies for large-scale iot deployment，ICT Express(2018)，https:/doi.org/10.1016/j.icte.2017.12.005。