基于窄带技术LoRa和宽带技术5G的智能网关产品研究

叶顺林

（厦门四信通信科技有限公司，福建 厦门 361022）

0 引言

近年来，随着5G网络建设的不断深入，基于5G的无线网络已经成为人们日常生活中必不可少的一部分。在5G通信系统中带宽资源是非常有限的，为了满足不同的业务场景，满足大速率和低速率应用场景需求，本文提出了一种新的窄带技术LoRa和宽带技术5G结合产品。Lo-Ra具有远距离、低带宽、低功耗、低成本及抗干扰能力强等特性，其通过将多个基站进行组网并利用不同频段来实现全覆盖，从而达到提升频谱效率的目的。目前，该项技术已经应用于工业物联网行业中，如工业互联网、智慧工厂、智慧园区、智慧消防及智慧电力等。

本文所述的窄带技术主要指基于窄带技术的“Lo-Ra+宽带”“LoRa+5G”混合组网技术，其具有较强的灵活性，可以根据不同场景需求来选择合适带宽部署方案。而宽带技术则需要将带宽资源进行优化配置以满足实际业务需求。目前，我国已经有多家企业开始研究窄带技术的融合应用，其中包括中电科、阿里、联通、腾讯及华为等公司。未来，随着网络通信产业的不断发展以及相关标准规范体系的完善，窄带技术将越来越广泛地应用于各行各业中[1]。

1 行业背景

随着5G网络建设的快速发展，移动通信网已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分。而5G网络在未来将是一个重要的基础设施之一，其应用将会更加广泛和深入。目前，我国正在大力发展5G网络，很多企业也开始着手研发基于5G网络的新业务及新系统，为了满足用户对高质量网络服务的需求，需要从以下几方面入手。①提升用户体验。5G时代下，5G大带宽、低延时、高可靠、稳定等特性在工业物联网应用过程中可以大大提供用户体验，保证生产效率、数据安全等，但是它并非可接入所有物联网产品，如一些低数据、低功耗场景产品直接用5G显得资源浪费和功耗不满足，这个时候需要结合应用窄带技术LoRa。②优化资源配置。5G网络能够让物联网应用享受到更好的通信环境，提供更多的连接性与可靠性。另外，5G网络在智慧全连接工厂应用中可以快速进行数据传输、远程控制、远程告警、远程监控等，都会极大程度上减少人工操作所造成的时间浪费现象，这样不仅能够节省人力物力，还能保证网络传输数据的准确度与安全系数。在实际工作中，我们发现带宽量是制约5G网络发展速度的关键因素，如果带宽量过大会导致用户体验不佳，而带宽量不足又无法为用户提供足够的服务质量。对此，我们需要合理规划网络资源，将其分配给最有可能使用该项功能的用户群体，从而达到节约成本、提升网络性能的目的。③提升网络性能。在5G时代背景下，为了满足用户对数据传输速度及稳定性的要求，需要不断提升网络传输速度。

2 窄带LoRa技术概述

2.1 窄带LoRa的技术要点

①窄带LoRa网络架构设计。窄带LoRa是一种低功耗无线网络，它通过使用低功率的无线电波来实现数据传输、设备控制等功能，其主要由基站（BSS）、中继站（MSCS）、用户终端设备（MEC3）组成。其中，基站与中继站分别位于两个不同的区域内，当移动用户在同一个位置上时，就可以利用这两个基站之间的信道通信。②带宽要求高，功耗小，抗干扰性强，可同时支持多种业务类型。③低功耗，大容量电池供电，适用于各种恶劣环境，使用年限较长。④采用多跳传输方式，能够有效加大传输距离。⑤覆盖频段范围150～960 MHz，国内主要应用频段为470～510 MHz。

2.2 LoRa中国的标准规范内容

中国的LoRaWAN频率有过多次尝试，最终确定为470～510 MHz。中国的LoRaWAN信道频段根据2019年的调整，分为20MHz天线方案和26MHz天线方案，每种方案都有A、B两类。所有的频率规划和类别中上、下行信道都为125kHz的SF=7～12调制方式，前向纠错编码都选择4/5编码，并且相邻信道频率间隔均为200kHz。

3 基于“5G+”技术的智能网关技术

3.1 技术特点

“5G+”技术，是指将5G网络与通信技术相结合而产生的一种新型无线通信方式。它具有以下优点：一是能够实现更加高速度的数据传输；二是在传输过程中可以减少不必要的能量消耗；三是提高了信号质量、可靠性等性能指标；四是降低了成本。目前已经有很多研究机构对其展开深入研究并且取得一定成果[2]。

“5G+”技术主要包括3个部分内容：一是通过基站完成信息传递，二是利用5G网络进行数据通信，三是终端设备的应用。其中，基站主要用于承载语音通话及数据通信功能，同时也可作为移动电话或者其他移动终端的天线使用。终端设备则主要用于接收数据、处理数据、发送数据等[3]。该技术的核心为“5G+”技术，即5G+LoRa无线网络。这种技术不仅可以使得用户体验得到极大的提升，而且还可以有效地改善传统有线通信技术存在的不足，从而进一步推动我国经济发展与进步。在具体实施中，首先，要对现有的窄带部署方案加以完善优化；其次，要将带宽需求量较大的区域划分出来，并根据实际情况合理规划带宽资源；再次，要做好相应的硬件设施建设工作，确保整个系统运行稳定可靠；最后，要加强相关人员的专业培训，提高他们的综合素质能力。这样才能够更好地发挥出“5G+”技术的优势作用，进而实现全方位覆盖[4]。

5G+LoRa是一种宽带技术和窄带技术相互结合的技术，是一种授权频段和非授权频段结合的产品，工业物联网碎片化的市场使得很多应用场景对大带宽和窄带结合产品有强烈的需求，一个产品可以解决客户一个完整应用场景，大大降低客户的应用成本，同时对后期客户增加设备非常友好，实现应用场景快速接入和复制，目前已经应用于智慧城市、智慧园区、智慧工厂、智慧楼宇等。在实际应用过程中，客户可以有效利用授权和非授权频段传输数据，有效提升传输速率和频段利用率，满足不同用户对无线通信的需求，保证数据的安全性。

3.2 技术优劣势

（1）5G+LoRa技术优势。在应用场景中，可以将对带宽、对速率、对延迟有要求的数据比如高清摄像头、PLC设备、AGV车等，直接接入网关产品的千兆网口，通过5G网络实现对用户数据信息的采集、处理及传输，从而达到低延时、大带宽、高可靠、稳定需求。应用场景中有些设备是带电池，对电池寿命要求极高，数据量很少，传输延时没有要求，这个时候接入LoRa技术可以很好地解决电池寿命问题并降低客户成本。

（2）5G+LoRa优劣势分析。5G网络具有更高带宽，其传输速率也得到了提升，但是这种速度提升并不意味着网络质量有所改善，还会增加网络建设成本。由于5G频段比较高，传输距离比较近，信号衰减比较严重，容易受到外界因素干扰比较大，因此产品配件投入价格高，性能要求高，运营商投入基站多。LoRa劣势是由于带宽有限，正常默认是125K，理论速率约5.5kbps，所以针对多个节点设备并发，容易碰撞丢包，同时网关产品也并非无限加入终端产品，终端到一定数量就需要叠加网关，否则信号容易受到环境影响，导致传输距离变短，比如雨衰[6]。

4 智能网关产品介绍

4.1 网关产品功能

①支持互联网协议第6版（IPv6协议），可实现对互联网协议第4版（IPv4协议）地址的动态分配。②支持虚拟数据专用网（APN/VPDN专网），同时设备具有IPSEC、PPTP、L2TP、GRE、OPENVPN多种VPN连接，具有VPN客户端、服务端等功能，在专网的基础上再增加一层加密方式传输，充分保障交易数据、管理数据的安全性、准确性。③采用基于用户身份识别的MAC-SSL加密技术，有效防止非法入侵、数据窃听等问题；同时，通过在网络层中引入基于以太网的点对点通信协议（PPPoE）机制提高系统可靠性与稳定性，保证数据传输的可靠性及安全性。④提供多个安全策略。例如，针对ARP攻击、DNS欺骗攻击、UDP包捕获攻击，以及其他恶意软件行为进行防御。⑤具有灵活的配置管理能力。可以根据需要随时调整策略，以适应不同场景下的需求。如对流量监控、QOS管理、日志管理、异常检测、流量统计分析等。⑥Lo-RaWAN支持协议版本为1.0.2和1.0.3，协议支持Class A、Class B、Class C。⑦支持Semtech UDP GWMP Protocol模式、支持内嵌NetWork Server模式，节省运维和NS部署成本，管理简单易用、支持Basicstation模式，多种数据加密方式，保证数据传输安全。⑧支持连接平台：LinkWAN、ChirpStack、腾讯云、TTN、AWS等。⑨对外提供HTTP推送、MQTT订阅与发布、TCP连接方式。⑩提供了有线以太网、5G、Wi-Fi等数据连接方式。该系列产品还支持各种带宽接入，能够为各类终端设备提供高带宽服务，并且其性能指标均优，是一种高性价比的解决方案之一。

4.2 硬件拓扑和原理介绍

本系统采用的是基于ARM架构设计的Cortex A7处理器作为主控芯片，该处理器具有高性能、丰富硬件接口等特点，在软件方面支持多种应用软件接口，可以满足用户多样化的需求，并且具备强大的存储能力，拓扑结构如图1所示。

图1 硬件系统拓扑结构图

4.3 硬件接口介绍

①电源接口：默认支持AC85～265V，DC100～265V，POE+输入出厂默认带，电源模组在高低温下满足设备稳定工作的要求，EMC（静电4级，电快速瞬变4级，浪涌3级，工频抗扰度5级，脉冲磁场抗扰度5级）。②以太网接口：1GbpsWAN/LAN口可配置以太网接口，自适应MDI/MDIX，内置1.5 kV电磁隔离保护；2～4个GbpLAN口根据客户需求搭配网口数量，自适应MDI/MDIX，内置1.5 kV电磁隔离保护。③内置8GeMMC方便客户二次开发和数据存储。④内置M.2接口，可兼容多个5G硬件方案的5G模组，比如展锐、高通、MTK等方案模组。⑤内置多个5G天线、Wi-Fi 6天线、LoRa天线和GPS定位天线。⑥内置标准PCIe接口可接入多种LoRa模组，LoRa模组支持全球多个频段，LoRa有多个上下行通道可选。⑦支持三大运营商3FF卡、3切卡、预留内置eSIM卡等。⑧外置Type-CUSB，方便客户调试和日志跟踪。⑨Reset复位按钮，通过此按钮，可将Router的参数配置恢复为出厂值。⑩外围多个指示灯，方便客户对设备运行状态进行查看和判断。

4.4 智能网关实际应用案例

以某智慧园区为例，该园区智慧传感终端、智慧井盖、智慧垃圾桶、智能水表、智能燃气表、烟感、声光手报等终端采用的无线技术为标准LoRaWAN，产线内部各种PLC设备、机床、高清摄像头接入的是千兆网口；以前传统解决办法是找A厂家购买5G网关产品、找B厂家或者更多厂家购买LoRaWAN终端产品和LoRaWAN网关，这样面临项目投入成本上升、技术兼容不佳、服务不统一、产品稳定性不足等问题。若采用5G+LoRa网关产品，可以很好地解决这个问题，首先成本降低、厂家统一、服务统一、产品性能稳定，LoRaWAN终端产品把采集到的数据通过LoRa网络传输给LoRaWAN网关，LoRaWAN模组把收集到的数据通过SPI接口给到内嵌NS服务器，服务器进行解密，将数据通过5G网络传输到客户应用平台；同时，客户应用平台可下发数据控制LoRaWAN终端。应用场景中对速率、低延迟有要求的设备可直接接入千兆RJ45网口，通过5G网络实现数据采集传输和控制等，保证对5GSLA要求，应用拓扑如图2所示。

图2 智能网关应用实例系统模块图

5 结语

综上所述，通过对窄带技术LoRa和宽带技术5G的分析研究发现，窄带技术LoRa与宽带技术5G结合，能够有效地解决场景低延时、高可靠、峰值速率、覆盖性能、低成本、电池寿命等关键参数问题，灵活应用于多场景，很好地解决用户需求和痛点。