基于低功耗廣域網(wǎng)構(gòu)建新型水聯(lián)網(wǎng)的探討

何小梅, 龍振華, 何姣云

(湖北省水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430072)

1 水聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展背景

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的概念及其應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，英文名：Internet of things(IOT)。其有兩層意思：其一，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)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；其二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信。

物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)智能感知、識(shí)別技術(shù)、普適計(jì)算等通信感知技術(shù)，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的融合中，也因此被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。從根本上看，物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中的新的延展。與其說(shuō)物聯(lián)網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)，不如說(shuō)物聯(lián)網(wǎng)是業(yè)務(wù)和應(yīng)用。因此，應(yīng)用創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心，以用戶體驗(yàn)為核心的創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的靈魂。作為中國(guó)五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一的物聯(lián)網(wǎng)，在互聯(lián)網(wǎng)+的浪潮下，正在應(yīng)用到各行各業(yè)，包括汽車行業(yè)、電力行業(yè)、智慧城市等領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)在水利行業(yè)的應(yīng)用，可稱為水聯(lián)網(wǎng)。

1.2 水聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀、階段及作用

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，各種大大小小的水利工程遍布全國(guó)，而且隨著科技的進(jìn)步，這些水利工程實(shí)行了操作的自動(dòng)化，同時(shí)部分工程還進(jìn)行了本地信息化的改造，極大提升了水利工程的運(yùn)行效率。隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，在過(guò)去水利信息化發(fā)展的基礎(chǔ)上，水聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，有學(xué)者稱之為水利行業(yè)4.0。

早期的水利信息化建設(shè)主要是自動(dòng)化，即信息自動(dòng)采集、設(shè)備自動(dòng)化控制為主要特征；后來(lái)逐步發(fā)展到通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)孤立系統(tǒng)的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域跨部門的協(xié)助，以信息化為主要特征，包括互聯(lián)互通、信息系統(tǒng)集成、信息綜合展示等；在新的時(shí)代下，水利信息化又圍繞著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、智能決策等方向構(gòu)建全新的智慧水利。而水聯(lián)網(wǎng)就是智慧水利最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)。

1.3 水聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集與特征

水利行業(yè)涉及面較廣，涉及到水工結(jié)構(gòu)專業(yè)、水文水資源專業(yè)、農(nóng)田水利專業(yè)等，構(gòu)成水利行業(yè)的數(shù)據(jù)較多。同時(shí)水利行業(yè)在數(shù)據(jù)采集與傳輸方面有如下特征：①所在區(qū)域的基礎(chǔ)設(shè)施條件整體弱于城市，特別是電力基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施；②除去水利工程的設(shè)備房，大多數(shù)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)分散，涉及到采集面積較廣；③信息采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)相對(duì)低頻，即間斷性傳輸即可；④偶發(fā)性事件較多，臨時(shí)性數(shù)據(jù)采集是常態(tài)，需要快速布設(shè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，同時(shí)也需要快速取消。這就意味著水聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建，要考慮如下因素：①功耗要低，才能解決電源損耗問(wèn)題；②網(wǎng)絡(luò)布設(shè)成本要低，才能高效構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)；③傳輸距離要遠(yuǎn)，同時(shí)穿透性要強(qiáng)，才能適合水利工程的各類場(chǎng)景；④相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸對(duì)帶寬要求不高，同時(shí)能夠快速布置。

以上特征，從物聯(lián)網(wǎng)的角度看，水利行業(yè)的數(shù)據(jù)更多的是小數(shù)據(jù)，小數(shù)據(jù)具有顯著的自身特性：①業(yè)務(wù)相關(guān)性強(qiáng)，系統(tǒng)運(yùn)維中對(duì)此類數(shù)據(jù)需求強(qiáng)烈；②海量數(shù)據(jù)，分布廣，分散性強(qiáng)，部分不易供電，連接難；③單數(shù)據(jù)價(jià)值密度低，集合后成大數(shù)據(jù)特征，蘊(yùn)含價(jià)值高；④狀態(tài)變化緩慢穩(wěn)定，呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)特性，采集頻次需求低；⑤日常關(guān)注度低，影響較大。因此，水聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)就有了全新的需求。

2 低功耗廣域網(wǎng)的發(fā)展背景

2.1 物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的巨大差異

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，使得終端設(shè)備日益劇增，傳統(tǒng)的解決思路是進(jìn)一步拓展網(wǎng)絡(luò)地址空間容量(例如IPv6技術(shù))，然而這種在20世紀(jì)70年代形成的主機(jī)到主機(jī)互聯(lián)協(xié)議從根本上限制了物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。一般而言，支持IP協(xié)議設(shè)備由六個(gè)部分組成，即MAC/物理層(射頻等)、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、存儲(chǔ)器、操作系統(tǒng)、處理器及輸出輸入接口，而物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議設(shè)備由四個(gè)部分組成，包括物理層(射頻等)、發(fā)送機(jī)或者接收機(jī)、調(diào)制器和探測(cè)器等。很顯然，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在海量的小數(shù)據(jù)面前，成本支出和效率是極大的浪費(fèi)。因此物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)應(yīng)該只提供最小的必要開銷，切中要害，實(shí)現(xiàn)效率最大化和成本最小化。

2.2 新型物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的核心理念

新的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的核心理念在于對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行三層功能劃分，從而容許網(wǎng)絡(luò)在必要的時(shí)間和必要的地點(diǎn)進(jìn)行必要的組網(wǎng)能力部署。這三層架構(gòu)主要包括：①終端設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)邊緣的海量終端設(shè)備；②轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，提供傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸及網(wǎng)關(guān)功能；③匯聚單位，提供數(shù)據(jù)分析、控制以及物聯(lián)網(wǎng)人機(jī)接口(圖1)。

2.3 低功耗廣域網(wǎng)的特征及與與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的性能對(duì)比

基于新的物聯(lián)網(wǎng)的核心理念，為滿足各行各業(yè)的小數(shù)據(jù)連接需求，低功耗廣域網(wǎng)(Low-Power Wide-Area Network，簡(jiǎn)稱LPWAN)應(yīng)運(yùn)而生。LPWAN的核心本質(zhì)就是解決三層新型物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中網(wǎng)狀轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題，構(gòu)建一個(gè)低成本、高效率的轉(zhuǎn)發(fā)方式。目前，LPWAN 是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域研究和應(yīng)用開發(fā)的新熱點(diǎn)，特別適合小數(shù)據(jù)連接，與現(xiàn)有通信專網(wǎng)融合，將成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要支撐。LPWAN 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具備自身優(yōu)勢(shì)：低成本，網(wǎng)絡(luò)基站僅在萬(wàn)元級(jí)或以下，終端芯片不到2美元；超低功耗，傳感終端休眠功耗低至微安甚至納安級(jí)，0.5 AH電量電池可支持傳感終端多達(dá)10 年工作(需要長(zhǎng)壽命電池)；廣覆蓋，相比傳統(tǒng)蜂窩無(wú)線網(wǎng)和小無(wú)線技術(shù)，具備更強(qiáng)的穿透能力和覆蓋能力；低速率，根據(jù)使用條件和業(yè)務(wù)模型，從10 bit/s到100 kbit/s不等；靈活部署，授權(quán)頻段的LPWAN 技術(shù)可采用獨(dú)立部署、保護(hù)帶部署、帶內(nèi)部署等；海量接入，LPWAN 是可支持億級(jí)海量接入的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。LPWAN與其他主流的傳輸方式的功能對(duì)比如表1所示。

圖1 三層新型物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

表1 LPWAN與其他傳輸方式的性能對(duì)比表

3 基于LPWAN構(gòu)建混合型的新型水聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

基于LPWAN的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)如圖2所示。

圖2 基于LPWAN的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

4 LPWAN在水聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用前景展望

2018年我國(guó)低功耗廣域網(wǎng)(Low Power Wide Area Network，LPWAN)市場(chǎng)成長(zhǎng)顯著，逐漸成為推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)快速增長(zhǎng)的重要推動(dòng)力。2019年，NB-IoT與LoRa將繼續(xù)領(lǐng)跑全球LPWAN市場(chǎng)、NB-IoT產(chǎn)業(yè)鏈和價(jià)值鏈將進(jìn)一步完善、LoRa將迎來(lái)重大發(fā)展機(jī)遇、LPWAN應(yīng)用深度和廣度將進(jìn)一步拓展。與此同時(shí)需關(guān)注以下問(wèn)題：市場(chǎng)碎片化程度較高、產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)薄弱、物聯(lián)網(wǎng)安全問(wèn)題凸顯、垂直行業(yè)應(yīng)用尚未普及?；诖私ㄗh，一是統(tǒng)籌不同制式低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同發(fā)展，二是加強(qiáng)低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)攻關(guān)，三是推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)安全保障體系建設(shè)，四是加快低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)商業(yè)化進(jìn)程。

2018年全球物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步加速發(fā)展，尤其是低功耗廣域網(wǎng)領(lǐng)域，以NB-IoT為代表的蜂窩LPWAN和以LoRa為代表的非蜂窩LPWAN都取得了不俗的成績(jī)。2019年NB-IoT與LoRa將繼續(xù)領(lǐng)跑全球LPWAN市場(chǎng)、NB-IoT產(chǎn)業(yè)鏈和價(jià)值鏈將進(jìn)一步完善、LoRa將迎來(lái)重大發(fā)展機(jī)遇、LPWAN應(yīng)用深度和廣度將進(jìn)一步拓展。但與此同時(shí)，我國(guó)LPWAN發(fā)展還存在市場(chǎng)碎片化程度較高、產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)薄弱、物聯(lián)網(wǎng)安全問(wèn)題凸顯以及垂直行業(yè)應(yīng)用尚未普及等問(wèn)題，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。