北斗的下一個機遇
——基于星基LPWAN的物聯(lián)網(wǎng)體系

● 文 |中國航天工業(yè)科學(xué)技術(shù)咨詢有限公司 藺陸洲

武漢艾斯迪信息技術(shù)有限公司 闞志峰

北斗的下一個機遇
——基于星基LPWAN的物聯(lián)網(wǎng)體系

● 文 |中國航天工業(yè)科學(xué)技術(shù)咨詢有限公司 藺陸洲

武漢艾斯迪信息技術(shù)有限公司 闞志峰

低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（Low Power Wide Area Network， LPWAN）的出現(xiàn)成為滿足物聯(lián)網(wǎng)遠距離和大數(shù)量無線通信的關(guān)鍵性技術(shù)。與當(dāng)初設(shè)計移動蜂窩通信技術(shù)主要是用于人與人的通信不同，LPWAN技術(shù)是一種革命性的物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)，具有遠距離、低功耗、低運維成本、大接入量等特點，與現(xiàn)有的WiFi、藍牙、ZigBee等短距離無線通信技術(shù)和3G、4G、5G等蜂窩網(wǎng)絡(luò)遠距無線通信技術(shù)相比，LPWAN真正實現(xiàn)了大區(qū)域物聯(lián)網(wǎng)的低成本和全覆蓋[1]。LPWAN的數(shù)據(jù)傳輸距離，在復(fù)雜的城市環(huán)境中達到3km以上，空曠地域高達15km以上，穿透性較強，很多惡劣環(huán)境下也能保證信號的穩(wěn)定；它還支持窄帶數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)通信成本極低；此外，由于低數(shù)據(jù)傳輸速率，基于LPWAN的設(shè)備功耗極低，一個普通電池便可支撐數(shù)年甚至十多年之久[2]。雖然3G、4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的快速部署和5G的研發(fā)在一定程度上推進了物聯(lián)網(wǎng)的落地，但是當(dāng)前移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)的承載能力并不足以支撐物與物的連接，最終實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的將是LPWAN。由于物聯(lián)網(wǎng)碎片化需求的典型特征，一張廣域覆蓋的LPWAN網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)不同行業(yè)、不同用戶隨時隨地的設(shè)備接入，成為單個用戶、行業(yè)應(yīng)用乃至智慧城市發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

物聯(lián)網(wǎng)是通過通信技術(shù)在人與物、物與物之間進行連接的網(wǎng)絡(luò)。目前的發(fā)展方興未艾，但在目前成熟的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成技術(shù)中，信息通信無法在較大范圍內(nèi)接入大量終端設(shè)備，同時終端能量供應(yīng)的持續(xù)性也存在很大問題。當(dāng)前，新興的LPWAN作為一種低功率遠距離的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，解決了制約物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的這一瓶頸，特別是在通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋困難的應(yīng)用場景中，如果能利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的短報文通信功能，可實現(xiàn)LPWAN的網(wǎng)絡(luò)無障礙全覆蓋，從而建立星基LPWAN的物聯(lián)網(wǎng)體系。星基LPWAN的建立，將補充物聯(lián)網(wǎng)在信息通信方面的短板，這一突破性技術(shù)的應(yīng)用，不僅是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的重要機遇，也是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在其應(yīng)用發(fā)展中不可錯過的機遇。

一、LPWAN在物聯(lián)網(wǎng)體系中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)為世界信息產(chǎn)業(yè)帶來了繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)之后的又一次發(fā)展浪潮，給IT和通信業(yè)帶來了廣闊的新市場[3]。物聯(lián)網(wǎng)作為一個全新的技術(shù)領(lǐng)域，在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)連接中，短距離的連接可以通過WiFi、藍牙、Zigbee等局域網(wǎng)的通信連接方式進行連接，但是對于范圍廣、距離遠的情況，則缺乏有效的遠距離通信技術(shù)。目前，在物聯(lián)網(wǎng)的廣域連接方面，一般是借助電信運營商提供的GPRS、3G、4G、5G等蜂窩網(wǎng)絡(luò)進行連接，實現(xiàn)不同地域之間物聯(lián)網(wǎng)終端之間的互聯(lián)互通。

雖然在交通、物流、制造、科研等各個行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用終端目前可以廣泛采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)進行連接，但是蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在廣域和復(fù)雜環(huán)境下存在網(wǎng)絡(luò)覆蓋和信號強度不足的問題，無法保障數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，而且對接入數(shù)量的限制也使得大量設(shè)備接入的需求無法得到滿足。實際上，現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)中的大量終端設(shè)備分布在廣闊的領(lǐng)域[4]。這類設(shè)備需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量少且傳輸頻率不高，例如市政網(wǎng)絡(luò)中的水、燃氣等計量表，路燈，井蓋與戶外的氣象、水文、山體數(shù)據(jù)采集設(shè)備等，這些設(shè)備如果采用當(dāng)前電信運營商提供的為高寬帶而設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)，則不僅占用網(wǎng)絡(luò)、號碼等資源，浪費帶寬，而且還會產(chǎn)生不小的費用。此外，高耗電量帶來的對持續(xù)電力供應(yīng)需求的壓力，也將成為一個難以解決的問題。

看到LPWAN技術(shù)的優(yōu)勢，不少公司已經(jīng)開始行動，并推動了SigFox和LoRa等多種LPWAN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)化，另外也有不少其他的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)正處在不斷的研發(fā)和商業(yè)化的過程中[5]。然而，目前將數(shù)據(jù)進行互聯(lián)的LPWAN技術(shù)重點在于解決終端設(shè)備接入網(wǎng)關(guān)的問題，如何將數(shù)據(jù)從網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)綇V域網(wǎng)并為用戶所用這一問題，尚未得到有效的解決。

當(dāng)前解決數(shù)據(jù)從網(wǎng)關(guān)（即LPWAN到廣域網(wǎng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換器）傳輸?shù)綇V域網(wǎng)的方式，主要依靠2G、3G、4G等蜂窩通信技術(shù)進行數(shù)據(jù)的匯集傳輸?？紤]一些特殊應(yīng)用場景中沒有主干通信網(wǎng)絡(luò)的情況，使用衛(wèi)星通信成為了一個很好的選擇。特別是世界范圍內(nèi)，大范圍分布的設(shè)備由于所在地難以接入主干通信網(wǎng)絡(luò)，嚴(yán)重地限制了LPWAN網(wǎng)絡(luò)的架設(shè)。例如，分布在一個偏遠地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)采集傳感器就存在這樣的困難。同時，考慮到很多發(fā)展中國家缺少主干通信網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)實情況，使用衛(wèi)星通信的LPWAN網(wǎng)絡(luò)為這些地區(qū)建立物聯(lián)網(wǎng)提供了可能，見圖1。

圖1 星基LPWAN物聯(lián)網(wǎng)體系示意圖

二、北斗與LPWAN的結(jié)合

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主建設(shè)、獨立運行，并與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容共用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)從最初的設(shè)計開始，就實現(xiàn)了導(dǎo)航通信的一體化，而這正是北斗系統(tǒng)的后發(fā)優(yōu)勢所在。北斗系統(tǒng)的主任務(wù)是衛(wèi)星導(dǎo)航，提供定位、測速、單雙向授時的服務(wù)，同時還具備短報文的通信功能。從技術(shù)特性上看，短報文已經(jīng)屬于衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)。北斗系統(tǒng)的短報文通信功能，使用的頻率包括S頻段（2491.75±4.08）MHz和L頻段（1615.68±4.08）MHz[6]。北斗系統(tǒng)短報文通信具有用戶機與用戶機、用戶機與地面控制中心之間雙向數(shù)字報文通信功能，一般的用戶機一次可傳輸36個漢字或72個字節(jié)，申請核準(zhǔn)的用戶可以一次傳送120個漢字或240個字節(jié)。短報文不僅可進行點對點的雙向通信，而且可進行一點對多點的廣播傳輸，為各種平臺應(yīng)用提供了極大便利。

短報文通信作為北斗的特色優(yōu)勢，從目前來看尚未得到充分的挖掘和運用，不論在海洋、漁業(yè)領(lǐng)域的短消息應(yīng)用還是應(yīng)急通信領(lǐng)域中的應(yīng)用，均是基于傳統(tǒng)的信息通信模式，尚無顛覆性的技術(shù)和模式能夠發(fā)揮北斗短報文通信所具有的特殊優(yōu)勢。在物聯(lián)網(wǎng)如火如荼的發(fā)展中，LPWAN技術(shù)的發(fā)展為北斗應(yīng)用的發(fā)展帶來了前所未有的機遇。LPWAN傳輸?shù)男畔⒕鶠閭鬏斄可偾彝ㄐ蓬l率不高的數(shù)據(jù)，完全符合北斗短報文通信的要求。只需要在LPWAN技術(shù)中進行簡單的改造，即可實現(xiàn)基于星基的LPWAN技術(shù)，從而解決在特定場景中LPWAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)從網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)綇V域網(wǎng)困難的問題，使得分布廣泛且連接形式多樣、數(shù)量眾多的終端設(shè)備，可以在缺少主干通信網(wǎng)絡(luò)的情況下接入廣域網(wǎng)，進而形成物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。具體而言，在一般的LPWAN網(wǎng)關(guān)中加入北斗短報文模塊即可實現(xiàn)這一功能（見圖2）。物聯(lián)網(wǎng)中各終端設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，通過LPWAN進入網(wǎng)關(guān)，由處理器對數(shù)據(jù)進行處理后，向北斗短報文模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，最后由北斗短報文模塊將其發(fā)出。

LPWAN的網(wǎng)絡(luò)運營商可以通過星基LPWAN技術(shù)解決特定場景下與主干通信網(wǎng)絡(luò)難以連接的問題，從而大大提高了LPWAN的連接效率，這不僅對LPWAN技術(shù)的發(fā)展有著革命性的推動，同時也對北斗的應(yīng)用有極大的促進作用，將對北斗RDSS的應(yīng)用產(chǎn)生顛覆性影響。原有的北斗短報文應(yīng)用模式要求每個終端都配備一個北斗RDSS的模塊，較高的花費、高耗電量等問題嚴(yán)重的限制了北斗短報文通信功能的應(yīng)用。在應(yīng)用終端加入了LPWAN技術(shù)后，可以在5～40km的范圍內(nèi)布設(shè)LPWAN網(wǎng)絡(luò)，然后在LPWAN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)內(nèi)加入北斗RDSS終端，由北斗終端進行收集、編輯和傳輸，不僅解決了物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸?shù)膯栴}，同時也有效地推動了北斗短報文的廣泛應(yīng)用。LPWAN與北斗的結(jié)合，拓展了北斗短報文通信功能在新領(lǐng)域的應(yīng)用，北斗系統(tǒng)可以為數(shù)據(jù)傳輸量小且傳輸頻率低的終端系統(tǒng)提供服務(wù)，星基LPWAN技術(shù)的創(chuàng)新服務(wù)應(yīng)用，將成為北斗產(chǎn)業(yè)發(fā)展新的增長點。

圖2 星基LPWAN網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

三、構(gòu)建基于星基LPWAN技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)體系

物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和拓展的網(wǎng)絡(luò)，其用戶端延伸和拓展到了任何物品與物品之間，進行信息的交換和通信。物聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)需要依靠可靠的傳遞，只有通過各種網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，才能將物品的信息實時準(zhǔn)確地傳遞出去。物聯(lián)網(wǎng)信息的傳遞需要依靠各種專用網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計算平臺等，通信技術(shù)是傳遞和處理各種傳感器信息的基礎(chǔ)。星基LPWAN物聯(lián)網(wǎng)體系的構(gòu)建，對于物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)進步、產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展、國家戰(zhàn)略的實施和國際合作的開展具有重要的意義。

首先，在技術(shù)進步的層面上，星基LPWAN物聯(lián)網(wǎng)體系的建立可以推動相關(guān)技術(shù)的進步?；谛腔鵏PWAN技術(shù)可以解決物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)有蜂窩技術(shù)下不能大規(guī)模應(yīng)用的問題，特別是滿足了大量設(shè)備之間聯(lián)網(wǎng)的需求。通過利用北斗短報文的功能，不僅可以節(jié)省大量電信運營商的高寬帶網(wǎng)絡(luò)資源，降低物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)成本，同時可以提高北斗短報文通信業(yè)務(wù)的使用效率，進而刺激相關(guān)技術(shù)的研究和發(fā)展，在各個應(yīng)用行業(yè)內(nèi)開發(fā)出基于LPWAN技術(shù)的其它突破性技術(shù)，并形成新的商業(yè)模式。作為一種高回報的投入領(lǐng)域，星基LPWAN必將引領(lǐng)相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展。作為高回報的投入模式，星基LPWAN的物聯(lián)網(wǎng)體系建設(shè)是通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和北斗系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)發(fā)展中一個不可錯過的機遇。

其次，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展的層面上，星基LPWAN物聯(lián)網(wǎng)體系的建立可以形成新的產(chǎn)業(yè)鏈，帶動導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)和通信產(chǎn)業(yè)的新一輪發(fā)展，是衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的下一個熱點。與任何通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)相伴的，是整個產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展和成熟，這對于星基LPWAN網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也同樣重要，廣域覆蓋的基于星基的運營商級LPWAN網(wǎng)絡(luò)，需要標(biāo)準(zhǔn)、硬件、軟件、運營、服務(wù)等產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)企業(yè)和相關(guān)主管部門的共同努力。LPWAN家族中LoRa技術(shù)的發(fā)展，就始于研發(fā)廠商SemTech發(fā)起成立的LoRa聯(lián)盟，聯(lián)盟帶動了產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的重點企業(yè)開展標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)和應(yīng)用推廣[7]。相對于單個用戶或行業(yè)自建的網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)廣域覆蓋的星基LPWAN運營商級網(wǎng)絡(luò)難度更大，其中網(wǎng)關(guān)與導(dǎo)航衛(wèi)星短報文通信的結(jié)合就是難點之一。在傳統(tǒng)的短報文通信中，信息可以進行簡單的傳輸，而在運營商級網(wǎng)絡(luò)中，大量不同行業(yè)、不同用戶接入的設(shè)備會有很多并發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸需求，網(wǎng)關(guān)需要將所有信息進行整理和分類并排列優(yōu)先級，相關(guān)技術(shù)的研究需要投入大量的人力、物力和財力。圍繞網(wǎng)關(guān)設(shè)備推出通信轉(zhuǎn)換模組、數(shù)據(jù)交換中心等融合的一體化方案，才可能支撐星基LPWAN運營商級網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。相關(guān)企業(yè)在模組、軟件、應(yīng)用等方面的研發(fā)也同樣重要。作為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的全新應(yīng)用領(lǐng)域，接下來還需要更多合作方的共同參與，才能將該產(chǎn)業(yè)鏈推向成熟。當(dāng)然，在經(jīng)濟進入新常態(tài)后，星基LPWAN產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將是經(jīng)濟增長的新引擎，其帶動作用使得阻礙產(chǎn)業(yè)鏈形成的困難基本都可以被有效的克服。

再次，在國家戰(zhàn)略的層面上，星基LPWAN物聯(lián)網(wǎng)體系的建設(shè)是落實國家戰(zhàn)略的有力抓手。國家大力支持北斗衛(wèi)星導(dǎo)航和物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，在2016年6月發(fā)布的《中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)》白皮書中提出了“構(gòu)建產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新體系”的要求，其中特別指出“促進產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展?！七M衛(wèi)星導(dǎo)航與物聯(lián)網(wǎng)、地理信息、衛(wèi)星遙感/通信、移動互聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，推動大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新，大力提升產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力?！毙腔鵏PWAN物聯(lián)網(wǎng)體系的建設(shè)將成為國家落實衛(wèi)星導(dǎo)航和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要項目，在國家發(fā)展的層面上具有重要意義。

最后，在國際合作的層面上，星基LPWAN物聯(lián)網(wǎng)體系的建設(shè)是推進國際合作的強勁動力。隨著北斗系統(tǒng)全球建設(shè)的逐步開展，如果短報文通信的業(yè)務(wù)區(qū)由現(xiàn)在的區(qū)域擴展到全球，那么星基LPWAN的服務(wù)也將覆蓋全球。當(dāng)然，如果北斗短報文通信服務(wù)未能在全球開展，其技術(shù)驗證的結(jié)果，也可以為基于其它衛(wèi)星通信手段的星基LPWAN提供重要而有益的參考?？紤]到目前一些發(fā)展中國家沒有主干通信網(wǎng)絡(luò)，同時建設(shè)主干通信網(wǎng)絡(luò)存在各類困難，建設(shè)星基LPWAN的網(wǎng)絡(luò)為這些發(fā)展中國家提供了使用物聯(lián)網(wǎng)的可能，特別是針對“一帶一路”沿線國家，受制于自然地理條件、資金、技術(shù)、國家體制等多方面的困難，星基LPWAN的物聯(lián)網(wǎng)體系為這些國家的發(fā)展注入了全新的動力，而星基LPWAN物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)與北斗系統(tǒng)“服務(wù)全球、造福人類”的理念是完全一致的，發(fā)展中國家和絲路國家的星基LPWAN網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，將是推動中國開展各類國際合作的有效手段。

物聯(lián)網(wǎng)需求的碎片化決定了設(shè)備連接形式的多樣性和分布的廣泛性，就低功耗設(shè)備來說，基于安全、便捷接入、成本收益等方面考慮，基于星基LPWAN網(wǎng)絡(luò)為物聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)提供了可能。物聯(lián)網(wǎng)需要一個全新的專用網(wǎng)絡(luò)和通信方式，這個專用網(wǎng)絡(luò)就是由運營商搭建的星基LPWAN網(wǎng)絡(luò)。在政府、企業(yè)、行業(yè)協(xié)會、媒體的推動下，相信不久的將來就可以建成星基LPWAN的物聯(lián)網(wǎng)體系，這一革命性和突破性的技術(shù)發(fā)展，不僅是物聯(lián)網(wǎng)在全球發(fā)展的重要機遇，也是北斗系統(tǒng)不可錯過的下一個機遇。

[1]ReportsnReports： The LPWA (Low Power Wide Area) Networks Ecosystem： 2015 - 2030 - Opportunities, Challenges, Strategies, lndustry Verticals & Forecasts, November 2015, http：//www.reportsnreports.com/reports/435673-the-lpwalow-power-wide-area-networks-ecosystem-2015-2030-opportunities-challenges-strategies-industry-verticalsforecasts.html.

[2]趙小飛.物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要瞄準(zhǔn)彌補短板[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2016(4).

[3]郭信平,曹洪杰.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用大全[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011：374.

[4][美]塞繆爾·格林加德.物聯(lián)網(wǎng)[M].北京：中信出版社，劉林德譯，2016：151.

[5]魯義軒.中興通訊基于LoRa通訊技術(shù)開創(chuàng)智能電表新模式[J].通信世界，2016(3).

[6]李輝.功在當(dāng)代利在百年“北斗”短報文系統(tǒng)頻率問題簡析[J].國際太空，2016(4).

[7]About the LoRa? Alliance： The LoRa? Alliance Wide Area networks for lnternet of Things https：//www.loraalliance.org/The-Alliance/About-the-Alliance.