專網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究

孫鵬飛，宋振蘇，于洋

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)通信技術(shù)研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.公安部科技信息化局，北京 100741；3.哈爾濱海能達科技有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028）

1 引言

移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進步不但實現(xiàn)了人與人的連接，而且逐漸向人與物、物與物連接的方向演進。萬物互聯(lián)是時代發(fā)展的必然趨勢，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正越來越迅速而深刻地改變著人們的生活與工作方式。LPWAN（Low Power Wide Area Network，低功耗廣域網(wǎng)）技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的遠距無線接入技術(shù)，具有低功耗、廣覆蓋、海量連接等特點，廣泛應(yīng)用于智慧城市、智能交通等領(lǐng)域。當(dāng)前主流的LPWAN技術(shù)包括LoRa、Sigfox、NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）等。LoRa是美國Semtech公司主推的工作在免授權(quán)頻段，基于擴頻體制的遠距無線接入技術(shù)[1]。法國Sigfox公司通過采用私有的超窄帶技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)覆蓋性能的提高[2]。NB-IoT是由3GPP制定的基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的LPWAN技術(shù)，可直接部署于公用蜂窩網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本，實現(xiàn)平滑升級[3]。但在傳統(tǒng)的專網(wǎng)移動通信VHF（Very High Frequency，甚高頻）和UHF（Ultra High Frequency，特高頻）授權(quán)頻段，目前并沒有相應(yīng)的LPWAN技術(shù)來滿足行業(yè)用戶對物聯(lián)網(wǎng)的需求。因此，本文聚焦行業(yè)用戶對物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求，提出一種基于窄帶授權(quán)頻譜，具備遠、中、近多種數(shù)據(jù)傳輸能力的低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)：P-IoT（Private-Internet of Things，專網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)），并探討其技術(shù)的必要性、可行性與產(chǎn)品技術(shù)路線。

2 P-IoT技術(shù)的必要性

專網(wǎng)通信與公網(wǎng)通信并存的局面已經(jīng)維持多年，技術(shù)更先進、網(wǎng)絡(luò)覆蓋更好的公網(wǎng)之所以一直沒能完全取代專網(wǎng)，其根本原因在于行業(yè)用戶與普通大眾的通信需求存在較大差異。公網(wǎng)不能滿足行業(yè)用戶的全部需求，盡管近年來隨著公網(wǎng)的快速發(fā)展已經(jīng)實現(xiàn)了部分需求，并成功滲透到某些行業(yè)（如公網(wǎng)對講業(yè)務(wù)），但在關(guān)鍵業(yè)務(wù)方面還不能完全取代專網(wǎng)。因此，目前公共安全等行業(yè)用戶仍在使用專用數(shù)字集群系統(tǒng)以開展指揮調(diào)度業(yè)務(wù)。

未來，專網(wǎng)行業(yè)用戶對物聯(lián)網(wǎng)的需求迫切。近幾年，專網(wǎng)指揮調(diào)度技術(shù)飛速發(fā)展。融合語音、視頻、大量傳感器數(shù)據(jù)，并結(jié)合大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能實現(xiàn)高效預(yù)判和決策，成為第三代指揮調(diào)度的典型特征。行業(yè)用戶的非關(guān)鍵物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)可以租用公網(wǎng)NBIoT傳輸，也可以新建LPWAN專網(wǎng)傳輸。但如果行業(yè)用戶已依托授權(quán)頻譜建設(shè)了語音通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，在原語音通信基礎(chǔ)上疊加物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則是最經(jīng)濟快捷的方法，這比租用及時性得不到保證的公網(wǎng)NBIoT、使用免授權(quán)頻段新建安全性、可靠性得不到保證的LoRa等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更具優(yōu)勢。

在安全性方面，現(xiàn)有LPWAN技術(shù)對數(shù)據(jù)安全的保護不足。這表現(xiàn)在以下幾方面：一是防竊聽能力弱，對關(guān)鍵數(shù)據(jù)、用戶隱私及終端位置等信息保護不足；二是防偽造能力弱，對非法感知設(shè)備和偽造的數(shù)據(jù)鑒別能力不強；三是防攻擊能力弱，對非法設(shè)備利用竊取到的歷史數(shù)據(jù)發(fā)起攻擊的抵御能力較差；四是訪問控制能力弱，防止設(shè)備與數(shù)據(jù)被非法使用或訪問的措施不足等。

在可靠性方面，現(xiàn)有LPWAN技術(shù)無法滿足行業(yè)用戶對網(wǎng)絡(luò)的高可靠性需求。NB-IoT因其自身的公網(wǎng)特點，無法做到網(wǎng)絡(luò)自主可控，如在公共安全領(lǐng)域，當(dāng)暴恐事件發(fā)生時，因無法對專網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)在禁用與使用狀態(tài)間自主切換，使NB-IoT無法滿足公安用戶反恐處突的實戰(zhàn)需求。而LoRa等技術(shù)又由于工作在共用的非授權(quán)頻段，因此極易產(chǎn)生相互干擾，關(guān)鍵數(shù)據(jù)在較惡劣的信道條件下傳輸，數(shù)據(jù)可靠性得不到任何保證[4]。

在服務(wù)質(zhì)量方面，現(xiàn)有LPWAN技術(shù)無法提供高及時性的QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）保障。公網(wǎng)特征決定了NB-IoT更側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)的公平性，它不會將關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸設(shè)成高優(yōu)先級業(yè)務(wù)等級并提供專用的業(yè)務(wù)信道等保障措施，因此數(shù)據(jù)的及時性很難保證。即使未來隨著技術(shù)的不斷改進，NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)時延能夠達到秒級，其與關(guān)鍵業(yè)務(wù)往往要求時延小于1 s（甚至小于300 ms）的及時性要求仍然相距甚遠。為了節(jié)省終端能耗，LoRa等技術(shù)采用不連續(xù)傳輸體制，只有當(dāng)終端被喚醒時才會繼續(xù)傳輸上行數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)時延不可控。另外，在海量設(shè)備連接的場景下，上行LoRa數(shù)據(jù)幀之間難免會發(fā)生相互碰撞，此時終端通過退避重傳的機制往往需要重傳幾十次才能發(fā)送成功，網(wǎng)絡(luò)時延極大。表1給出了各種技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)時延性能。由表1可知，滿足關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸時延小于秒級要求的僅有P-IoT技術(shù)。

表1 網(wǎng)絡(luò)時延性能對比表

根據(jù)上述分析，未來行業(yè)用戶的專網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)需求應(yīng)由多種技術(shù)共同來滿足，可能包括NB-IoT、LoRa等技術(shù)，但采用低功耗、廣覆蓋、低時延、安全可靠的專網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)P-IoT技術(shù)，利用已有頻譜、自建專網(wǎng)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸非常必要。與公網(wǎng)、專網(wǎng)通信并存現(xiàn)狀類似，P-IoT技術(shù)也將長期與公網(wǎng)NB-IoT技術(shù)并存。

3 P-IoT技術(shù)的可行性

物聯(lián)網(wǎng)上下行業(yè)務(wù)不對稱，往往以上行為主、下行為輔。限于篇幅，本文僅對P-IoT上行鏈路做技術(shù)可行性分析。對下行鏈路分析，與上行方法類似，在此不再贅述。

為使多種技術(shù)的性能對比更為公平合理，本文設(shè)定的統(tǒng)一業(yè)務(wù)場景為：終端工作在室外環(huán)境，終端與基站間可存在遮擋；使用UHF頻段；終端采用兩節(jié)5號堿性電池供電，電池總?cè)萘繛? 400 mAh；終端固定且獨立放置，忽略移動性及人體損耗對系統(tǒng)性能的影響；終端感知數(shù)據(jù)上報周期T0為1 h，時隙長度Tslot為30 ms，一個T0內(nèi)總數(shù)據(jù)量Ntotal為28.8 kbit。

3.1 技術(shù)特點

為兼容現(xiàn)有專網(wǎng)技術(shù)體制，如PDT（Private Digital Trunking，專用數(shù)字集群）專網(wǎng)，P-IoT目前采用4FSK（Frequency Shift Keying，頻移鍵控）調(diào)制技術(shù)。4FSK是一種成熟技術(shù)，其覆蓋能力等優(yōu)勢在專網(wǎng)語音通信的多年實踐中已得到充分驗證。通過定制芯片、輕量級協(xié)議棧設(shè)計等方式，P-IoT可實現(xiàn)低功耗的目標(biāo)。同時，為滿足節(jié)點設(shè)備的海量接入，實現(xiàn)“無限互聯(lián)”，P-IoT技術(shù)采用周期上報與突發(fā)競爭接入相結(jié)合的接入機制。此外，P-IoT正嘗試采用多調(diào)制模式，如通過BPSK（Binary Phase Shift Keying，二進制相移鍵控）調(diào)制以進一步提高覆蓋能力，通過QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅調(diào)制）調(diào)制技術(shù)以提高系統(tǒng)傳輸能力等，以更好地適配專網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的多業(yè)務(wù)應(yīng)用場景。

3.2 覆蓋能力

MAPL（Maximum Allowable Path Loss，最大允許路徑損耗）是衡量系統(tǒng)覆蓋能力的一個重要指標(biāo)。MAPL對數(shù)形式的表達式為[5]：

其中Ptxmax、Gtx、Ltx、Prx、Grx、Lrx、LFM、Gmd、Lpl分別表示最大發(fā)射功率、發(fā)射端增益、發(fā)射端損耗、接收機靈敏度、接收天線增益、接收饋線損耗、衰落余量、分集增益與穿墻損耗。考慮室外應(yīng)用場景時式，式(1)中最后一項穿墻損耗Lpl為0。

在遠距離模式下，P-IoT的最大發(fā)射功率Ptxmax為33 dBm，接收機靈敏度Prx為-132.5 dB，接收天線增益Grx為10 dBi、分集增益Gmd為3 dB等[6]，將前述參數(shù)代入到式(1)可得P-IoT的MAPL為178.5 dB。LoRa、Sigfox、NB-IoT的最大允許路徑損耗MAPL分別為168 dB[7]、164 dB[8]、162 dB[9]。因此， P-IoT在鏈路預(yù)算上較其他三種技術(shù)有大于10 dB的提升，具有極強的覆蓋能力。而覆蓋能力是衡量物聯(lián)網(wǎng)LPWAN技術(shù)的核心指標(biāo)之一。室外場景下，覆蓋能力強意味著P-IoT可用較少數(shù)量的基站覆蓋相同區(qū)域，建網(wǎng)與運維成本較低；室內(nèi)場景下，覆蓋能力強意味著P-IoT可克服穿墻損耗等不利因素，實現(xiàn)室內(nèi)的深度覆蓋，滿足行業(yè)用戶的室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求。

3.3 終端功耗

一個上報周期T0內(nèi)的總能耗Wtotal可表示為：

并發(fā)癥情況：A組出現(xiàn)10例（33.33%）并發(fā)癥，其中7例為切口愈合不良，2例為神經(jīng)根損傷，1例為椎板關(guān)節(jié)突螺釘完全進入椎管致馬尾神經(jīng)損傷；B組出現(xiàn)2例（6.67%）并發(fā)癥，其中1例為硬膜囊破裂，1例為椎弓根骨折；C組出現(xiàn)1例（3.33%）并發(fā)癥，為硬膜囊破裂；D組出現(xiàn)3例（2.94%）并發(fā)癥，1例為發(fā)生遲發(fā)性椎管內(nèi)血腫，1例為遲發(fā)性切口感染，1例為終板損傷。置釘失敗例數(shù)A組為6.66%，B組、C組均為3.33%，D組為0.98%。

其中Iwork、Isleep分別表示節(jié)點設(shè)備的發(fā)射電流與休眠電流，Twork、Tsleep分別表示節(jié)點設(shè)備在一個上報周期T0內(nèi)的工作時間與休眠時間。

按照前述設(shè)定的業(yè)務(wù)場景，感知數(shù)據(jù)的上報周期T0為1 h，一個上報周期T0內(nèi)的總數(shù)據(jù)量Ntotal為28.8 kbit，P-IoT節(jié)點設(shè)備傳輸速率為9.6 kbit·s-1，發(fā)射電流為57 mA，休眠電流為1 μA，由式(2)可計算出P-IoT節(jié)點設(shè)備1小時內(nèi)的總能耗為 4.85×10-2mAh。若電池總?cè)萘繛? 400 mAh，則P-IoT的電池使用壽命為12.7年。類似地，可計算出LoRa、Sigfox、NB-IoT相應(yīng)的電池使用壽命，如表2所示。需說明的是表2中計算電池使用壽命時未將重傳機制考慮在內(nèi)，若考慮重傳，這一指標(biāo)將會相應(yīng)降低。

表2 電池使用壽命對比表

由表2可知，P-IoT的電池使用壽命最長，后面依次是NB-IoT、LoRa、Sigfox。電池使用壽命的計算結(jié)果表明：P-IoT技術(shù)較其他技術(shù)的省電能力更強。這得益于P-IoT的輕量級協(xié)議設(shè)計，包括在控制面與信令面均進行了優(yōu)化設(shè)計，最大限度地減少了信令開銷。此外，P-IoT還設(shè)計了休眠模式，在不發(fā)送數(shù)據(jù)時，無需時刻監(jiān)聽下行信道，節(jié)點設(shè)備進入休眠模式后幾乎不耗電；只有當(dāng)定時器超時后，節(jié)點設(shè)備被喚醒，才會重新與系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互。綜合利用前述多種省電方案，P-IoT的功耗處于較低水平，這極大降低了專網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)在運營中因頻繁更換電池產(chǎn)生的人力運維成本。

3.4 系統(tǒng)容量

系統(tǒng)最大容量Nmax的表達式為：

其中，ω表示周期上報時間占總時間的權(quán)重系數(shù)，ωT0表示周期上報時間；Tslot表示時隙長度；N1表示突發(fā)競爭接入的終端數(shù)，在突發(fā)競爭接入時間內(nèi)，系統(tǒng)遵循時隙ALOHA協(xié)議。因考察的是系統(tǒng)容量上限，故假定周期上報的終端不進行突發(fā)競爭接入，反之亦然。

按照前述的業(yè)務(wù)場景，上報周期T0為1 h，時隙長度Tslot為3 ms，ω取0.8，經(jīng)計算，周期上報時間內(nèi)系統(tǒng)可容納9.6萬節(jié)點設(shè)備。通過系統(tǒng)仿真，得到突發(fā)競爭接入時間內(nèi)系統(tǒng)歸一化吞吐量隨競爭接入終端數(shù)變化的曲線，如圖1所示。由圖1可知，為使系統(tǒng)吞吐量最大，競爭接入終端數(shù)為2.4萬。據(jù)此，由式(3)可求得P-IoT單站的系統(tǒng)容量為12萬。LoRa單網(wǎng)關(guān)最大可接入6.3萬節(jié)點設(shè)備[7]，NB-IoT單小區(qū)可支持5萬的接入量[9]、Sigfox單基站最大連接數(shù)為100萬[8]。由此可見，從系統(tǒng)容量的維度比較，Sigfox的性能最優(yōu)，P-IoT次優(yōu)，但明顯勝過LoRa與NB-IoT。

綜上分析，在覆蓋能力、終端功耗與系統(tǒng)容量的綜合指標(biāo)對比中，P-IoT性能優(yōu)勢顯著，表明其在技術(shù)上是可行的，是專網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)遠距無線接入技術(shù)的首選。

圖1 系統(tǒng)歸一化吞吐量曲線

4 技術(shù)路線

4.1 自主可控

4.2 平滑擴展

目前，部分行業(yè)用戶已在全國范圍內(nèi)建設(shè)了通信專網(wǎng)，如PDT專網(wǎng)[10]，具備了直接在原有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上構(gòu)建專網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的條件。為此，P-IoT可以利用現(xiàn)有專網(wǎng)通信系統(tǒng)的頻譜和基礎(chǔ)設(shè)施資源，通過“共用硬件、升級軟件”的方式，建設(shè)行業(yè)專網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)。這將極大地節(jié)約網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，最大限度地保護已有投資。

當(dāng)前，窄帶專網(wǎng)通信系統(tǒng)正在不斷引進寬帶硬件平臺，以支持寬窄帶融合業(yè)務(wù)。預(yù)計未來幾年內(nèi)，將會出現(xiàn)大量的具備寬帶數(shù)據(jù)傳輸能力的專網(wǎng)通信系統(tǒng)。一旦窄帶語音通信系統(tǒng)在硬件上具備寬帶傳輸能力，也就預(yù)示著該系統(tǒng)具備了傳輸更高速率數(shù)據(jù)的能力。這也將為P-IoT實現(xiàn)更高傳輸速率、更省電的通信手段提供基礎(chǔ)條件?；趯拵＞W(wǎng)平臺，P-IoT可采用更為靈活的技術(shù)手段（如頻譜效率更高的QAM調(diào)制、OFDM技術(shù)等），實現(xiàn)高、中、低多速率可選模式，以更好地適配專網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的多業(yè)務(wù)應(yīng)用場景。

4.3 業(yè)務(wù)兼容

基于冗余、可靠性考慮，專網(wǎng)通信系統(tǒng)往往為輕載設(shè)計。據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)前專網(wǎng)通信系統(tǒng)的信道利用率通常不超過30%，以公共安全使用5 MHz帶寬的頻譜資源為例，在頻譜不做空間復(fù)用的前提下，單個系統(tǒng)70%的空閑態(tài)就潛藏著1.2 GB/小時的巨大傳輸能力。專網(wǎng)系統(tǒng)自主可控的特點，使新增業(yè)務(wù)和已有業(yè)務(wù)彼此兼容、有效協(xié)調(diào)成為可能。為此，需要P-IoT在不影響語音業(yè)務(wù)的前提下，通過復(fù)用空閑信道資源的方式提供物聯(lián)網(wǎng)增值服務(wù)，以提高頻譜利用率和系統(tǒng)使用價值。

4.4 標(biāo)準(zhǔn)國際化

目前，基于窄帶授權(quán)頻譜的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)無論在國內(nèi)還是國際均是空白。隨著行業(yè)用戶對專網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求的提升，起草并發(fā)布相關(guān)的國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)十分必要。這不僅可以確保技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)一致性，維護良好電磁環(huán)境，且有利于將分散的投資集中起來，形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，促進專網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展，甚至可推進有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)上升為國際標(biāo)準(zhǔn)，占領(lǐng)國際制高點。

5 結(jié)束語

P-IoT技術(shù)在國家高度重視總體安全觀，行業(yè)用戶對專網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)需求迫切的背景下應(yīng)運而生。該技術(shù)是一種自主可控、為行業(yè)專網(wǎng)定制、滿足行業(yè)用戶對安全性、實時性等特殊需求的LPWAN技術(shù)。本文在對P-IoT技術(shù)必要性分析的基礎(chǔ)上，重點研究了P-IoT的技術(shù)可行性，特別是在覆蓋能力、終端功耗、系統(tǒng)容量等關(guān)鍵指標(biāo)方面，經(jīng)與LoRa、Sigfox、NB-IoT的性能對比，證明了P-IoT在多項關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上極具競爭力，能為行業(yè)用戶提供海量連接、低功耗、廣覆蓋、高安全、低時延的專網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)能力。最后對專網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)路線進行了探討，為今后專網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展提供參考。