無線遠程抄表網(wǎng)絡(luò)解決方案研究

王玉靜

近年來，作為物聯(lián)網(wǎng)重要分支的無線遠程抄表網(wǎng)絡(luò)（WRMRN）受到業(yè)界的廣泛關(guān)注并發(fā)展迅速。WRMRN打破了以往人工抄表技術(shù)的種種弊端并開始應(yīng)用在越來越多的行業(yè)當中，可以實現(xiàn)人、機器、環(huán)境等各方面信息參數(shù)的遠程化精確實時收集，從而提高工業(yè)、農(nóng)業(yè)、公共服務(wù)、醫(yī)療保健等領(lǐng)域信息收集的廣度和效率，從而使各行業(yè)信息自動化水平得到跨越式的提升，為物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。

遠程抄表;物聯(lián)網(wǎng);Zigbee;GPRS;窄帶物聯(lián)網(wǎng);LoRa

1.WRMRN的主要特性和要求

1.1低功耗性

無線遠程抄表網(wǎng)絡(luò)通常工作在長期無人執(zhí)守的偏遠偏僻地區(qū)，無法進行電池的頻繁替換。同時，在許多場合中需要保證抄表的全天運行和實時監(jiān)測狀態(tài)。這就要求網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點都要盡可能降低功耗，以保較長的工作壽命。

1.2高可靠性

由于涉及到費用和安全等因素，無線遠程抄表網(wǎng)絡(luò)往往要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有很高的可靠性，如某些節(jié)點需要進行替換或者調(diào)整時，其他節(jié)點仍然可以工作，以避免因個別節(jié)點故障而影響整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的正常運行。

2.WRMRN解決方案分析比較

2.1WRMRN解決方案

當前較為常見的WRMRN技術(shù)主要有ZigBee、LoRa、GPRS和NB-IoT等技術(shù)。本文將針對這些WRMRN解決方案進行介紹與分析。第一，ZigBee，是由ZigBee聯(lián)盟發(fā)展起來的低傳輸速率、短距離應(yīng)用的一種成熟無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，曾用名還包括“HomeRFLite”、“RF-EasyLink”、“FireFly”等，目前統(tǒng)一稱為ZigBee技術(shù)。ZigBee中物理層（PHY）和數(shù)據(jù)鏈路控制層（MAC）協(xié)議棧采用IEEE802.15.4標準進行定義。但國內(nèi)主要使用2.4GHz免授權(quán)頻段，因此下文中主要針對其2.4GHz模式進行說明。ZigBee以半雙工模式工作，采用偏置正交相移鍵控調(diào)制（O-QPSK），并結(jié)合直接序列擴頻（DSSS），可實現(xiàn)250kbps的數(shù)據(jù)傳輸率。ZigBee的MAC層采用了帶有碰撞避免（CA）的載波偵聽多址接入（CSMA）機制，包括了信標模式（Beacon-Enabled）和無信標模式（Beaconless）兩種信道接入模式，并允許使用確定應(yīng)答（ACKs）進行單播傳輸。ZigBee可將裝置定義為三種角色：路由器、協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點，支持樹狀、網(wǎng)狀的拓撲尋址和路由。在網(wǎng)狀拓撲中，采用了基于自組網(wǎng)按需平面距離向量（AODC）的路由協(xié)議設(shè)定和維護路由，可用于任意點對點通信，也提供多點對單點路由，用于多點裝置節(jié)點與中央收集節(jié)點或者接收節(jié)點之間的通信;第二，LoRa。LoRa（LongRang）技術(shù)是由Semtech公司發(fā)布的一種面向無線傳感網(wǎng)絡(luò)與控制應(yīng)用的通信技術(shù)，屬于低功耗物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)中的一員。LoRa物理層上主要在433MHz/868MHz/915MHz等Sub-GHz授權(quán)頻段中運行，信道帶寬125kHz并采用半雙工模式，可實現(xiàn)0.3kbps～50kbps的傳輸速率，能夠?qū)崿F(xiàn)-148dBm的接收靈敏度;結(jié)合線性調(diào)頻擴頻調(diào)制技術(shù)和前向糾錯編碼技術(shù)，以實現(xiàn)更強的抗干擾性和安全性。目前，基于LoRa技術(shù)研發(fā)的MAC協(xié)議只有LoRaWAN協(xié)議，它是由LoRa聯(lián)盟發(fā)布的，針對集中式的星型拓撲結(jié)構(gòu)而設(shè)計的。根據(jù)LoRa通信過程中終端設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間的上行下行信息需求，LoRaWAN協(xié)議特定將LoRa終端設(shè)備定義了三種不同的工作模式，分別為ClassA、ClassB和ClassC。終端在一個時間內(nèi)只能允許工作于一種模式，以實現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)模型和省電模式。當前ClassA工作模式因能夠滿足抄表應(yīng)用的省電需求而被廣泛應(yīng)用。在ClassA模式下不主動進行終端設(shè)備的下行鏈路發(fā)送，而在上行鏈路傳輸后存在兩次很短的下行鏈路接收窗口。終端設(shè)備可根據(jù)LoRaWAN協(xié)議并結(jié)合自身的通訊需求對傳輸時隙進行隨機微調(diào)從而實現(xiàn)省電。根據(jù)LoRaWAN協(xié)議，LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由四部分構(gòu)成：終端節(jié)點（包含傳感器）、網(wǎng)關(guān)/中繼、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器。LoRa技術(shù)采用透明傳輸?shù)闹欣^作為網(wǎng)關(guān)，連接LoRa終端設(shè)備和后端網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器;LoRa網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器間通過標準IP連接。第三，GPRS。通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）是全球移動通信系統(tǒng)（GSM）向第三代移動通信（3G）演變的過渡技術(shù)，所以亦稱為“2.5G”。GPRS網(wǎng)絡(luò)是在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)中增加GGSN（網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點）和SGSN（GPRS服務(wù)支持節(jié)點）來實現(xiàn)的，使得用戶能夠在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。GPRS的協(xié)議較為復(fù)雜，包括了物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層等在內(nèi)的5級層次。其繼承了GSM的無線調(diào)制技術(shù)、頻段、頻帶寬度、突發(fā)結(jié)構(gòu)、跳頻規(guī)則以及TDMA幀結(jié)構(gòu)，采用FDMA/TDMA方式將運營商的上/下行授權(quán)900MHz/1800MHz頻段分成200kHz帶寬的多個載頻;同時在時域上，將每個TDMA幀分成8個時隙而實現(xiàn)單載頻，其最多同時承載8個移動客戶。

2.2WRMRN解決方案的性能分析比較

首先，從頻段來看，除了ZigBee外，其他3種技術(shù)主要工作在Sub-GHz頻段，因而具有較好的電波繞射能力，適合工作在城市樓宇環(huán)境;LoRa和ZigBee采用非授權(quán)頻段且網(wǎng)絡(luò)部署成本低;而NB-IoT和GPRS則在授權(quán)頻段上運行，因而更加穩(wěn)定安全。在調(diào)制技術(shù)方面，LoRa、GPRS分別使用GFSK和GMSK調(diào)制方式，收發(fā)電路較為簡單并且發(fā)射功耗更低;相比之下，ZigBee和NB-IoT都采用PSK調(diào)制而需使用相對復(fù)雜的電路，并且發(fā)射功耗較高[1]。在傳輸速率方面，ZigBee速率固定為250kbps，LoRa（0.3kbps～50kbps）、GPRS（9.05kbps～171.2kbps）和NB-IoT（<100kbps）則可根據(jù)通信質(zhì)量靈活調(diào)整速率。在鏈路預(yù)算方面，ZigBee只有100dB的鏈路預(yù)算，這決定了其只適合于小范圍的網(wǎng)絡(luò)布置。相比較而言，GPRS的144dB、NB-IoT的154dB、LoRa的162dB鏈路預(yù)算，將使它們在面對復(fù)雜通信環(huán)境時更加游刃有余。另外LoRa和ZigBee網(wǎng)絡(luò)一般采用簡單的星狀（STAR）結(jié)構(gòu)，以降低網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和能量損耗，但ZigBee保留了樹狀（TREE）、網(wǎng)狀（MESH）組網(wǎng)方式。GPRS和NB-IoT則基于蜂窩網(wǎng)實現(xiàn)終端的網(wǎng)絡(luò)接入，具有很高的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。在網(wǎng)絡(luò)容量上，ZigBee網(wǎng)絡(luò)理論上允許65536個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接入;LoRa則宣稱其單網(wǎng)容量可達62500個;GPRS和NB-IoT全網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)容量非常大，但單基站可允許終端接入數(shù)分別在1000和5萬左右。在覆蓋范圍方面，星狀組網(wǎng)和較低鏈路預(yù)算極大地限制了ZigBee網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力，一般只能提供幾百米范圍的覆蓋;LoRa則依靠其162dB鏈路預(yù)算能夠提供公里級網(wǎng)絡(luò)覆蓋;GPRS與NB-IoT憑借蜂窩網(wǎng)技術(shù)能夠提供跨區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)接入能力。在移動性方面，由于GPRS和NB-IoT本身屬于移動網(wǎng)絡(luò)分支技術(shù)，因此基本上沒有移動性方面的問題;相對而言，ZigBee和LoRa則移動性欠佳[2]。

結(jié)論：

文章針對無線遠程抄表網(wǎng)絡(luò)解決方案方面進行了詳細的闡述，希望能給相關(guān)人士提供參考建議。

參考文獻

[1]劉穎.基于ZigBee和GPRS的遠程無線抄表系統(tǒng)設(shè)計[D].西安科技大學(xué)，2016.

[2]李小玲.心電參數(shù)的檢測與短距離無線傳輸[D].重慶郵電大學(xué)，2017.源技術(shù)，2018，35（03）：178-179.

[2]許茂森.關(guān)于網(wǎng)絡(luò)安全分析的大數(shù)據(jù)技術(shù)實踐解析[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2018（08）：61+72.