为何NB-IoT和LoRa无法同时做到低功耗和实时通信而LaKi却可以？

对于目前市场上比较火热的低功耗广域网（Low Power Wide Area Network, LPWAN）来说，现在的状况谈不上让人乐观， 例如NB-IoT被运营商和设备商大力推广两年多了， 市场反响却不温不火，销量惨淡。随着相关的研究和应用越来越多，他们逐渐褪去了神秘的面纱，人们发现以前可能对他们的期望值过高了，而他们承载不了人们对他们的期望。 他们的宣传虽然不能说不实，但却充满了市场营销的技巧， 可是这实在是无助于物联网市场打破现状。

我们从本站博客《物联网爆发需要解决的关键问题》中可以知道， 对于物联网通讯技术来说， 长覆盖距离、双向实时通讯（低时延）和低功耗一个都不能少。 但低功耗广域网中被寄予厚望的NB-IoT和LoRa却只能在低功耗和双向实时通讯中选一个， 而LaKi却不需要在这两个特性中痛苦抉择，在双向实时/准实时通讯模式下， LaKi的功耗比NB-IoT和LoRa 要低1000倍以上！ 这是怎么做到的呢？ 我们来看看这是怎么回事。

1. NB-IoT

NB-IoT是基于蜂窝的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things)的技术。只消耗大约200KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，降低部署成本、实现平滑升级。它的部署方式有三种，分别为独立部署（stand-alone）、保护带部署（Guard-band）和带内部署（In-band）。

NB-IoT源自蜂窝技术，为了获得低功耗和更广泛的覆盖，大大简化了通讯协议，与GSM、Cat-M等标准蜂窝技术相比， 其增加了两个模式， 即PSM（Power saving mode）和eDRX，网上资料有很多，就不展开叙述了，其主要的省电思路是多数时间处于休眠状态，只在设定的时间醒来工作一小段时间。 而在休眠阶段，终端和网关是无法通信的。 

NB-IoT也宣称有四大优势， 分别是：

1. 海量链接的能力，50K或者100K

2. 网络增益提升了20dB，提升100 倍的覆盖面积

3. NB-IoT借助PSM和eDRX实现更低功耗

4. 可和现有蜂窝网络共享基础设施和频谱

看看其优势1， 不同的宣传资料有不同的说法，但这些说法不能说是错的， 因为这里的海量链接的能力是指静态用户容量， 即注册用户的容量， 看起来这样的容量算的上很大了。 可是，实际用起来会发现，这个容量是大量终端处于不工作（实际上也是离线的）的休眠状态，而只有少量的终端处于工作状态； 而这个同时工作的终端一旦超过某个数量， 一般也就200-300左右， 网络拥塞就会非常严重， 严重影响终端和网关（基站）的连接和数据传输。 而这个同时工作的这个容量我们称之为并发用户容量。 可见，注册用户容量没有多大意义， 而实际有效的是并发用户容量，NB-IoT的并发用户容量其实和GSM等蜂窝网络是差不多的。 因此，优势1的表述是很有问题的。

其他几个优势的表述没有多大的问题， 但优势3的低功耗前提是PSM和eDRX模式， 这两个模式以为着终端大部分时间会处于睡眠状态（离线状态），而只会按照设定的时间醒来工作一小段时间。这就意味着要想获得低功耗， 就必须放弃实时性。 而实际上，如果需要实时性，那么就不能获得低功耗特性，和GSM等蜂窝技术没有实质的区别。 NB-IoT和GSM网络一样，采用DRX模式最高可获得1.28秒的近实时双向通信的能力，其功耗模型图为：

横轴为时间， 纵轴为电流， 其功耗可简单用电流*时长来表示。 蓝色条块表示终端数据接受时候（监听状态）的功耗， 红色部分为处于发送状态时的功耗， 而灰色条块属于休眠功耗。NB-IoT的监听电流大概约50mA， 发射电流为260mA， 休眠功耗为1mA。 一般物联网数据的发射时长并不长， 功耗主要消耗在睡眠和监听状态。

2. LoRa

LoRa，取名于“Long Range”（长距），顾名思义，是一种长距离无线通讯技术。最初由一个法国公司Cycleo研发出来，后来美国的Semtech公司收购了它。为了更好地推广LoRa，2015年3月，LoRa联盟成立了，囊括了包括IBM、TI等巨头。

LoRa一般包括两个层面：一是使用线性扩频（Chirp Spread Spectrum，CSS）和GMSK的无线调制技术的物理层；二是MAC协议层LoRaWAN。当然，LoRa通讯系统还明确了其特别的接入网络结构。LoRa采用的是Aloha的网络模型，这种模型使终端在有数据时启动数据传输，但在数据传输有冲突发送不成功时，终端会一直处于工作状态且会在稍后的随机时间重传，这就大大降低了信道利用率，Aloha模型的信道利用率最多为18%。

LoRa物理层芯片由Semtech公司独家开发并拥有完全的知识产权，适合长距离、低功耗、低数据量的通讯。主要工作频段为433MHz、868MHz和915MHz，2018年还新推出了2.4GHz的芯片，可根据地区的不同选用合适的芯片。有效载荷从2字节到255字节不等，数据速率最高达50kbps。

LoRaWAN是MAC层协议，提供了一个访问控制机制，使大量终端可用LoRa的调制方式与网关通讯。LoRa物理层使Semtech公司的私有资产，只有部分开放。LoRaWAN是一个开放的标准，由LoRa联盟负责开发和管理。

LoRa网络拓扑为星形，一般包含三个部分，即终端设备、网关（基站）和LoRa网络服务器。终端设备通过LoRa协议与网关通讯，网关把未经处理的LoRaWAN帧通过网络传递给LoRa网络服务器。网关一般担当的是传输中继或者协议转换的作用，LoRa网络服务器则负责处理终端发送过来的数据包，并生成发送给终端的数据包。

LoRaWAN有三种工作模式，分别是Class A、Class B和Class C。Class A的终端采用Aloha协议按需上传数据。在每次上行后都会紧跟两个短暂的下行接收窗口，以此实现双向传输，这是三个模式中最省电方式。Class B在Class A的基础上，终端会在指定时间打开接受窗口，接受网关下发的数据，这种模式需要网关和终端的时间同步，因此，要比Class A耗电一些。Class C则是终端的接收窗口则基本是一直打开，等待网关的信号，只是在接受数据时短暂关闭。Class C比其他两个模式都要耗电，需要高容量电池或电源才可以工作。下面是LoRa处于Class C时的功耗示意图：

可见其在Class C模式时并没有休眠，而是会处于连续的接受状态，由于每天数据发送次数不多， 因此其功耗主要在于接受功耗， 一般为12mA左右，耗电量非常高。 某公司在这个模式下， 采用20000mAh的电池供电，基本而个多月就需要充电一次。 

3. LaKi

LaKi是千米团队自2015年就潜心研发的广域无线通讯技术，和LoRa一样， 也包含物理层（PHY）和协议层（MAC）层， 是少见的完整的无线通讯技术。 LaKI在研发之初，就是为了解决在广域覆盖下， 同时实现双向实时通讯和超低功耗。 

LaKi的覆盖距离可以和4G蜂窝网络媲美，功耗比蓝牙还低，响应时长可在数微秒到1000秒之间调整。一般来说，对物联网来说， 1秒响应既可成为实时响应了（NB-IoT最短做到1.28秒），我们就以1秒响应为例， 可以画出LaKi的功耗示意图：

LaKi的双向实时通讯模式下的功耗组成和NB-IoT类似， 但其监听功耗比较低， 为4.5mA， 休眠功耗小于2微安，发射功耗大概为4.4mA@0dbm，且监听时长很短， 仅为数十微秒级别， 经测算， 在这样的一个通讯模型下， 500mA时的电量（一颗纽扣电池）可以支持LaKi模组连续工作二十年以上！ 

因此 毫不夸张地说， LaKi的功耗表现，在双向实时或者准实时通讯模式下，功耗要比LoRa和NB-IoT低1000倍以上！