基于窄帶技術LoRa和寬帶技術5G的智能網關產品研究

葉順林

（廈門四信通信科技有限公司，福建 廈門 361022）

0 引言

近年來，隨著5G網絡建設的不斷深入，基于5G的無線網絡已經成為人們日常生活中必不可少的一部分。在5G通信系統中帶寬資源是非常有限的，為了滿足不同的業務場景，滿足大速率和低速率應用場景需求，本文提出了一種新的窄帶技術LoRa和寬帶技術5G結合產品。Lo-Ra具有遠距離、低帶寬、低功耗、低成本及抗干擾能力強等特性，其通過將多個基站進行組網并利用不同頻段來實現全覆蓋，從而達到提升頻譜效率的目的。目前，該項技術已經應用于工業物聯網行業中，如工業互聯網、智慧工廠、智慧園區、智慧消防及智慧電力等。

本文所述的窄帶技術主要指基于窄帶技術的“Lo-Ra+寬帶”“LoRa+5G”混合組網技術，其具有較強的靈活性，可以根據不同場景需求來選擇合適帶寬部署方案。而寬帶技術則需要將帶寬資源進行優化配置以滿足實際業務需求。目前，我國已經有多家企業開始研究窄帶技術的融合應用，其中包括中電科、阿里、聯通、騰訊及華為等公司。未來，隨著網絡通信產業的不斷發展以及相關標準規范體系的完善，窄帶技術將越來越廣泛地應用于各行各業中[1]。

1 行業背景

隨著5G網絡建設的快速發展，移動通信網已經成為人們日常生活中不可或缺的一部分。而5G網絡在未來將是一個重要的基礎設施之一，其應用將會更加廣泛和深入。目前，我國正在大力發展5G網絡，很多企業也開始著手研發基于5G網絡的新業務及新系統，為了滿足用戶對高質量網絡服務的需求，需要從以下幾方面入手。①提升用戶體驗。5G時代下，5G大帶寬、低延時、高可靠、穩定等特性在工業物聯網應用過程中可以大大提供用戶體驗，保證生產效率、數據安全等，但是它并非可接入所有物聯網產品，如一些低數據、低功耗場景產品直接用5G顯得資源浪費和功耗不滿足，這個時候需要結合應用窄帶技術LoRa。②優化資源配置。5G網絡能夠讓物聯網應用享受到更好的通信環境，提供更多的連接性與可靠性。另外，5G網絡在智慧全連接工廠應用中可以快速進行數據傳輸、遠程控制、遠程告警、遠程監控等，都會極大程度上減少人工操作所造成的時間浪費現象，這樣不僅能夠節省人力物力，還能保證網絡傳輸數據的準確度與安全系數。在實際工作中，我們發現帶寬量是制約5G網絡發展速度的關鍵因素，如果帶寬量過大會導致用戶體驗不佳，而帶寬量不足又無法為用戶提供足夠的服務質量。對此，我們需要合理規劃網絡資源，將其分配給最有可能使用該項功能的用戶群體，從而達到節約成本、提升網絡性能的目的。③提升網絡性能。在5G時代背景下，為了滿足用戶對數據傳輸速度及穩定性的要求，需要不斷提升網絡傳輸速度。

2 窄帶LoRa技術概述

2.1 窄帶LoRa的技術要點

①窄帶LoRa網絡架構設計。窄帶LoRa是一種低功耗無線網絡，它通過使用低功率的無線電波來實現數據傳輸、設備控制等功能，其主要由基站（BSS）、中繼站（MSCS）、用戶終端設備（MEC3）組成。其中，基站與中繼站分別位于兩個不同的區域內，當移動用戶在同一個位置上時，就可以利用這兩個基站之間的信道通信。②帶寬要求高，功耗小，抗干擾性強，可同時支持多種業務類型。③低功耗，大容量電池供電，適用于各種惡劣環境，使用年限較長。④采用多跳傳輸方式，能夠有效加大傳輸距離。⑤覆蓋頻段范圍150～960 MHz，國內主要應用頻段為470～510 MHz。

2.2 LoRa中國的標準規范內容

中國的LoRaWAN頻率有過多次嘗試，最終確定為470～510 MHz。中國的LoRaWAN信道頻段根據2019年的調整，分為20MHz天線方案和26MHz天線方案，每種方案都有A、B兩類。所有的頻率規劃和類別中上、下行信道都為125kHz的SF=7～12調制方式，前向糾錯編碼都選擇4/5編碼，并且相鄰信道頻率間隔均為200kHz。

3 基于“5G+”技術的智能網關技術

3.1 技術特點

“5G+”技術，是指將5G網絡與通信技術相結合而產生的一種新型無線通信方式。它具有以下優點：一是能夠實現更加高速度的數據傳輸；二是在傳輸過程中可以減少不必要的能量消耗；三是提高了信號質量、可靠性等性能指標；四是降低了成本。目前已經有很多研究機構對其展開深入研究并且取得一定成果[2]。

“5G+”技術主要包括3個部分內容：一是通過基站完成信息傳遞，二是利用5G網絡進行數據通信，三是終端設備的應用。其中，基站主要用于承載語音通話及數據通信功能，同時也可作為移動電話或者其他移動終端的天線使用。終端設備則主要用于接收數據、處理數據、發送數據等[3]。該技術的核心為“5G+”技術，即5G+LoRa無線網絡。這種技術不僅可以使得用戶體驗得到極大的提升，而且還可以有效地改善傳統有線通信技術存在的不足，從而進一步推動我國經濟發展與進步。在具體實施中，首先，要對現有的窄帶部署方案加以完善優化；其次，要將帶寬需求量較大的區域劃分出來，并根據實際情況合理規劃帶寬資源；再次，要做好相應的硬件設施建設工作，確保整個系統運行穩定可靠；最后，要加強相關人員的專業培訓，提高他們的綜合素質能力。這樣才能夠更好地發揮出“5G+”技術的優勢作用，進而實現全方位覆蓋[4]。

5G+LoRa是一種寬帶技術和窄帶技術相互結合的技術，是一種授權頻段和非授權頻段結合的產品，工業物聯網碎片化的市場使得很多應用場景對大帶寬和窄帶結合產品有強烈的需求，一個產品可以解決客戶一個完整應用場景，大大降低客戶的應用成本，同時對后期客戶增加設備非常友好，實現應用場景快速接入和復制，目前已經應用于智慧城市、智慧園區、智慧工廠、智慧樓宇等。在實際應用過程中，客戶可以有效利用授權和非授權頻段傳輸數據，有效提升傳輸速率和頻段利用率，滿足不同用戶對無線通信的需求，保證數據的安全性。

3.2 技術優劣勢

（1）5G+LoRa技術優勢。在應用場景中，可以將對帶寬、對速率、對延遲有要求的數據比如高清攝像頭、PLC設備、AGV車等，直接接入網關產品的千兆網口，通過5G網絡實現對用戶數據信息的采集、處理及傳輸，從而達到低延時、大帶寬、高可靠、穩定需求。應用場景中有些設備是帶電池，對電池壽命要求極高，數據量很少，傳輸延時沒有要求，這個時候接入LoRa技術可以很好地解決電池壽命問題并降低客戶成本。

（2）5G+LoRa優劣勢分析。5G網絡具有更高帶寬，其傳輸速率也得到了提升，但是這種速度提升并不意味著網絡質量有所改善，還會增加網絡建設成本。由于5G頻段比較高，傳輸距離比較近，信號衰減比較嚴重，容易受到外界因素干擾比較大，因此產品配件投入價格高，性能要求高，運營商投入基站多。LoRa劣勢是由于帶寬有限，正常默認是125K，理論速率約5.5kbps，所以針對多個節點設備并發，容易碰撞丟包，同時網關產品也并非無限加入終端產品，終端到一定數量就需要疊加網關，否則信號容易受到環境影響，導致傳輸距離變短，比如雨衰[6]。

4 智能網關產品介紹

4.1 網關產品功能

①支持互聯網協議第6版（IPv6協議），可實現對互聯網協議第4版（IPv4協議）地址的動態分配。②支持虛擬數據專用網（APN/VPDN專網），同時設備具有IPSEC、PPTP、L2TP、GRE、OPENVPN多種VPN連接，具有VPN客戶端、服務端等功能，在專網的基礎上再增加一層加密方式傳輸，充分保障交易數據、管理數據的安全性、準確性。③采用基于用戶身份識別的MAC-SSL加密技術，有效防止非法入侵、數據竊聽等問題；同時，通過在網絡層中引入基于以太網的點對點通信協議（PPPoE）機制提高系統可靠性與穩定性，保證數據傳輸的可靠性及安全性。④提供多個安全策略。例如，針對ARP攻擊、DNS欺騙攻擊、UDP包捕獲攻擊，以及其他惡意軟件行為進行防御。⑤具有靈活的配置管理能力。可以根據需要隨時調整策略，以適應不同場景下的需求。如對流量監控、QOS管理、日志管理、異常檢測、流量統計分析等。⑥Lo-RaWAN支持協議版本為1.0.2和1.0.3，協議支持Class A、Class B、Class C。⑦支持Semtech UDP GWMP Protocol模式、支持內嵌NetWork Server模式，節省運維和NS部署成本，管理簡單易用、支持Basicstation模式，多種數據加密方式，保證數據傳輸安全。⑧支持連接平臺：LinkWAN、ChirpStack、騰訊云、TTN、AWS等。⑨對外提供HTTP推送、MQTT訂閱與發布、TCP連接方式。⑩提供了有線以太網、5G、Wi-Fi等數據連接方式。該系列產品還支持各種帶寬接入，能夠為各類終端設備提供高帶寬服務，并且其性能指標均優，是一種高性價比的解決方案之一。

4.2 硬件拓撲和原理介紹

本系統采用的是基于ARM架構設計的Cortex A7處理器作為主控芯片，該處理器具有高性能、豐富硬件接口等特點，在軟件方面支持多種應用軟件接口，可以滿足用戶多樣化的需求，并且具備強大的存儲能力，拓撲結構如圖1所示。

圖1 硬件系統拓撲結構圖

4.3 硬件接口介紹

①電源接口：默認支持AC85～265V，DC100～265V，POE+輸入出廠默認帶，電源模組在高低溫下滿足設備穩定工作的要求，EMC（靜電4級，電快速瞬變4級，浪涌3級，工頻抗擾度5級，脈沖磁場抗擾度5級）。②以太網接口：1GbpsWAN/LAN口可配置以太網接口，自適應MDI/MDIX，內置1.5 kV電磁隔離保護；2～4個GbpLAN口根據客戶需求搭配網口數量，自適應MDI/MDIX，內置1.5 kV電磁隔離保護。③內置8GeMMC方便客戶二次開發和數據存儲。④內置M.2接口，可兼容多個5G硬件方案的5G模組，比如展銳、高通、MTK等方案模組。⑤內置多個5G天線、Wi-Fi 6天線、LoRa天線和GPS定位天線。⑥內置標準PCIe接口可接入多種LoRa模組，LoRa模組支持全球多個頻段，LoRa有多個上下行通道可選。⑦支持三大運營商3FF卡、3切卡、預留內置eSIM卡等。⑧外置Type-CUSB，方便客戶調試和日志跟蹤。⑨Reset復位按鈕，通過此按鈕，可將Router的參數配置恢復為出廠值。⑩外圍多個指示燈，方便客戶對設備運行狀態進行查看和判斷。

4.4 智能網關實際應用案例

以某智慧園區為例，該園區智慧傳感終端、智慧井蓋、智慧垃圾桶、智能水表、智能燃氣表、煙感、聲光手報等終端采用的無線技術為標準LoRaWAN，產線內部各種PLC設備、機床、高清攝像頭接入的是千兆網口；以前傳統解決辦法是找A廠家購買5G網關產品、找B廠家或者更多廠家購買LoRaWAN終端產品和LoRaWAN網關，這樣面臨項目投入成本上升、技術兼容不佳、服務不統一、產品穩定性不足等問題。若采用5G+LoRa網關產品，可以很好地解決這個問題，首先成本降低、廠家統一、服務統一、產品性能穩定，LoRaWAN終端產品把采集到的數據通過LoRa網絡傳輸給LoRaWAN網關，LoRaWAN模組把收集到的數據通過SPI接口給到內嵌NS服務器，服務器進行解密，將數據通過5G網絡傳輸到客戶應用平臺；同時，客戶應用平臺可下發數據控制LoRaWAN終端。應用場景中對速率、低延遲有要求的設備可直接接入千兆RJ45網口，通過5G網絡實現數據采集傳輸和控制等，保證對5GSLA要求，應用拓撲如圖2所示。

圖2 智能網關應用實例系統模塊圖

5 結語

綜上所述，通過對窄帶技術LoRa和寬帶技術5G的分析研究發現，窄帶技術LoRa與寬帶技術5G結合，能夠有效地解決場景低延時、高可靠、峰值速率、覆蓋性能、低成本、電池壽命等關鍵參數問題，靈活應用于多場景，很好地解決用戶需求和痛點。