电信运营商基于LoRaWAN的城域物联网组网方案

王佳庆

（中国移动通信集团设计院有限公司上海分公司，上海 200060）

1 引言

随着物联网、大数据、人工智能技术及其产业的成熟，以物联为基础、数据为纽带、人工智能为驱动的新型智慧城市成为提升城市管理和社会治理精细化、智能化、专业化水平的战略选择，新型城域物联专网成为新型智慧城市架构中新一代关键基础设施。LoRaWAN以其覆盖能力强、使用成本低、产业成熟度高、易于部署等特点，成为当前普遍应用的物联网专用网络通信技术。国外的电信运营诸如法国电信子公司Orange、韩国SKTelecom等都通过部署LoRaWAN来实现物联领域的城域覆盖。国内电信运营商普遍倾向于采用NB-IoT进行城域物联网覆盖，但是考虑到智慧城市应用中的路灯、垃圾桶、井盖等基础设施的海量特征和低速率低频次联网需求，LoRaWAN以其建设运营成本低、深度覆盖能力强、使用非授权频段等特性吸引了众多互联网企业和东方明珠等广电企业的纷纷参与。考虑到国内电信运营商在站址资源的先天优势和智慧城市各类ICT业务的发展以及未来智慧城市物联网产生的数据价值，电信运营商有必要重视LoRaWAN技术，研究基于利用现有站址进行LoRaWAN快速部署。

2 LoRaWAN技术介绍

2.1 LoRaWAN的概念

LoRaWAN是低功耗广域领域（LPWA）的通信协议和系统架构标准，该标准由LoRa联盟推出，主要定位于一些低功耗、低速率、可移动、需要双向通信的应用场景，例如智慧城市、工业应用等领域。根据该联盟的技术白皮书介绍，该架构体系的设计考虑了包括耗电水平、网络容量、QoS、安全性以及应用的支持能力等因素， 建立了三层架构的LoRaWAN的协议栈，如表1所示。

表1 LoRaWAN的协议栈

其中LoRa物理层就是我们常说的LoRa技术，该技术实质上是物理层的调制技术，通过CSS扩频来实现低功耗与超远距离传输的有效平衡。目前，LoRa的射频使用非授权频谱，各区域有所不同，但主要都是433 MHz、868 MHz、915 MHz等黄金频段。为实现大型城域网络的组网，LoRaWAN在LoRa点对点组网的基础上，定义了媒体访问控制层，并定义了三种工作模式以适应不同的应用场景。

2.2 LoRaWAN网络架构和组成

LoRaWAN的网络结构包含4个部分，分别是LoRa终端（例如智能垃圾桶）、LoRa网关（例如LoRa基站）、LoRa网络服务器以及应用服务器。其中LoRa网关与LoRa网络服务器之间通过公众互联网或者专业IP网络进行连接，LoRa网关与LoRa终端则采用星型拓扑组网，终端采用单跳方式连接到网关。由于采用扩频技术，多个终端可同时与网关通信。终端随机进行数据上报时，通过不同速率和不同频点的组合，网关可以接收多路数据，有效降低了大量终端同时发送时的碰撞概率。此外，LoRa终端可同时连接多个网关，实现了信号的分集接收。LoRaWAN网络架构如图1所示。

LoRa终端有三种工作模式：Class A、Class B和Class C。

Class A采用异步模式。这种工作模式下节点主动上报数据，采用 ALOHA 协议。下行方面必须等待终端上报数据后才能执行下行数据传输。上行数据传输结束后会分别间隔1 s后会有两个下行接收窗口，其中接收窗口RX1一般是在上行传输接收后1 s开始，接收窗口RX2是在上行传输结束后2 s开始。由于终端可能连接多个网关，一般在信号最强的网关按上行相同的频率和速率下发数据分组。如果终端在第一个接收窗口接收成功，它不再打开第二个接收窗口，否则它将打开第二个接收窗口。这种模式功耗极低，比非LoRaWAN的LoRa节点功耗更低，因为除了窗口发送接收之外，其他时间都是休眠，例如垃圾桶监测、烟雾报警器、气体监测等间隔周期长、无需主动发送下行数据的场景可以采用这种工作模式。

图1 LoRaWAN网络架构示意图

图2 电信运营商基于LoRaWAN的物联网组网架构

Class B采用同步模式。这种工作模式下，终端除了Class A的随机接收窗口，还可以在固定周期内接收网关下行数据，通过接收网关广播的信标来校准自身的时候，每隔128 s接收一个信标。在2个信标之间，终端会开启一些接收窗口，如果在窗口期接收到网关的前导码，那么它将接收完整的下行数据分组。Class B模式兼顾实时性和低功耗，但是对时间同步要求很高，可用于周期性上报监控数据的场景，例如阀控水气电表等。

Class C是常发常收模式。终端基本是一直打开着接收窗口，只在发送时短暂关闭。由于终端处于持续接收状态，可在任意时间对终端下发数据，实时性最好，但是更加耗电，适合不考虑功耗或需要大量下行数据控制的应用，比如智能路灯控制。

3 基于LoRaWAN的城域物联网组网方案

组网架构方面LoRa网关既可以独立部署并通过无线方式或有线方式进行回传，也可以与现有的LTE基站共址部署，如图2所示。

对电信运营商而言，由于LoRaWAN的广域覆盖能力，与现有基站共址部署将极大地节省部署成本和部署时间，运营商可将LoRaWAN网关和天线部署在现有基站天面，并通过有线方式进行业务回传。天面设置形式如图3所示。

图3 电信运营商基于LoRaWAN的基站天面示意图

此外，考虑到部分应用场景位于地下室等信号覆盖难度极大的区域，可以通过增加LoRa中继的方式实现终端设备与基站的通信。中国地区有2个ISM（非授权）频段，如表2所示。

显然为了提供广域覆盖，470～510 MHz频段为最佳频段，共可提供96个上行信道和48个下行信道。在上行的96个通道中，从第6通道到第38通道以及第45通道到第77通道分配为由国家电网使用，因此这部分频率在城域专网建设中将不能使用。

表2 LoRaWAN中国地区使用参数

站址部署方面，按照国外电信运营的典型实践，在设备上行发射功率10 dBm的情况下，考虑到室内业务可用的情况，LoRaWAN在不同场景下的覆盖能力如表3所示。

表3 分场景下的LoRaWAN基站覆盖能力

4 结束语

本文在研究LoRaWAN技术架构和特点的基础上，探讨了电信运营商基于LoRaWAN的组网架构和方案，特别适用于市政管网、路灯、垃圾站点等公用设施这类数据传输频次不高、数量规模巨大需要低成本建设和运营的场景，电信运营商应重视LoRaWAN技术，并充分考虑利用现有站址进行LoRaWAN低成本和快速部署。