基于窄帶技術(shù)LoRa和寬帶技術(shù)5G的智能網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品研究

葉順林

（廈門(mén)四信通信科技有限公司，福建 廈門(mén) 361022）

0 引言

近年來(lái)，隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的不斷深入，基于5G的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊徊糠?。?G通信系統(tǒng)中帶寬資源是非常有限的，為了滿(mǎn)足不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，滿(mǎn)足大速率和低速率應(yīng)用場(chǎng)景需求，本文提出了一種新的窄帶技術(shù)LoRa和寬帶技術(shù)5G結(jié)合產(chǎn)品。Lo-Ra具有遠(yuǎn)距離、低帶寬、低功耗、低成本及抗干擾能力強(qiáng)等特性，其通過(guò)將多個(gè)基站進(jìn)行組網(wǎng)并利用不同頻段來(lái)實(shí)現(xiàn)全覆蓋，從而達(dá)到提升頻譜效率的目的。目前，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中，如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧工廠(chǎng)、智慧園區(qū)、智慧消防及智慧電力等。

本文所述的窄帶技術(shù)主要指基于窄帶技術(shù)的“Lo-Ra+寬帶”“LoRa+5G”混合組網(wǎng)技術(shù)，其具有較強(qiáng)的靈活性，可以根據(jù)不同場(chǎng)景需求來(lái)選擇合適帶寬部署方案。而寬帶技術(shù)則需要將帶寬資源進(jìn)行優(yōu)化配置以滿(mǎn)足實(shí)際業(yè)務(wù)需求。目前，我國(guó)已經(jīng)有多家企業(yè)開(kāi)始研究窄帶技術(shù)的融合應(yīng)用，其中包括中電科、阿里、聯(lián)通、騰訊及華為等公司。未來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系的完善，窄帶技術(shù)將越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)中[1]。

1 行業(yè)背景

隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的快速發(fā)展，移動(dòng)通信網(wǎng)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠帧６?G網(wǎng)絡(luò)在未來(lái)將是一個(gè)重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，其應(yīng)用將會(huì)更加廣泛和深入。目前，我國(guó)正在大力發(fā)展5G網(wǎng)絡(luò)，很多企業(yè)也開(kāi)始著手研發(fā)基于5G網(wǎng)絡(luò)的新業(yè)務(wù)及新系統(tǒng)，為了滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求，需要從以下幾方面入手。①提升用戶(hù)體驗(yàn)。5G時(shí)代下，5G大帶寬、低延時(shí)、高可靠、穩(wěn)定等特性在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用過(guò)程中可以大大提供用戶(hù)體驗(yàn)，保證生產(chǎn)效率、數(shù)據(jù)安全等，但是它并非可接入所有物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，如一些低數(shù)據(jù)、低功耗場(chǎng)景產(chǎn)品直接用5G顯得資源浪費(fèi)和功耗不滿(mǎn)足，這個(gè)時(shí)候需要結(jié)合應(yīng)用窄帶技術(shù)LoRa。②優(yōu)化資源配置。5G網(wǎng)絡(luò)能夠讓物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用享受到更好的通信環(huán)境，提供更多的連接性與可靠性。另外，5G網(wǎng)絡(luò)在智慧全連接工廠(chǎng)應(yīng)用中可以快速進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程告警、遠(yuǎn)程監(jiān)控等，都會(huì)極大程度上減少人工操作所造成的時(shí)間浪費(fèi)現(xiàn)象，這樣不僅能夠節(jié)省人力物力，還能保證網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度與安全系數(shù)。在實(shí)際工作中，我們發(fā)現(xiàn)帶寬量是制約5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展速度的關(guān)鍵因素，如果帶寬量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致用戶(hù)體驗(yàn)不佳，而帶寬量不足又無(wú)法為用戶(hù)提供足夠的服務(wù)質(zhì)量。對(duì)此，我們需要合理規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)資源，將其分配給最有可能使用該項(xiàng)功能的用戶(hù)群體，從而達(dá)到節(jié)約成本、提升網(wǎng)絡(luò)性能的目的。③提升網(wǎng)絡(luò)性能。在5G時(shí)代背景下，為了滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度及穩(wěn)定性的要求，需要不斷提升網(wǎng)絡(luò)傳輸速度。

2 窄帶LoRa技術(shù)概述

2.1 窄帶LoRa的技術(shù)要點(diǎn)

①窄帶LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)。窄帶LoRa是一種低功耗無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，它通過(guò)使用低功率的無(wú)線(xiàn)電波來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備控制等功能，其主要由基站（BSS）、中繼站（MSCS）、用戶(hù)終端設(shè)備（MEC3）組成。其中，基站與中繼站分別位于兩個(gè)不同的區(qū)域內(nèi)，當(dāng)移動(dòng)用戶(hù)在同一個(gè)位置上時(shí)，就可以利用這兩個(gè)基站之間的信道通信。②帶寬要求高，功耗小，抗干擾性強(qiáng)，可同時(shí)支持多種業(yè)務(wù)類(lèi)型。③低功耗，大容量電池供電，適用于各種惡劣環(huán)境，使用年限較長(zhǎng)。④采用多跳傳輸方式，能夠有效加大傳輸距離。⑤覆蓋頻段范圍150～960 MHz，國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用頻段為470～510 MHz。

2.2 LoRa中國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范內(nèi)容

中國(guó)的LoRaWAN頻率有過(guò)多次嘗試，最終確定為470～510 MHz。中國(guó)的LoRaWAN信道頻段根據(jù)2019年的調(diào)整，分為20MHz天線(xiàn)方案和26MHz天線(xiàn)方案，每種方案都有A、B兩類(lèi)。所有的頻率規(guī)劃和類(lèi)別中上、下行信道都為125kHz的SF=7～12調(diào)制方式，前向糾錯(cuò)編碼都選擇4/5編碼，并且相鄰信道頻率間隔均為200kHz。

3 基于“5G+”技術(shù)的智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)

3.1 技術(shù)特點(diǎn)

“5G+”技術(shù)，是指將5G網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新型無(wú)線(xiàn)通信方式。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是能夠?qū)崿F(xiàn)更加高速度的數(shù)據(jù)傳輸；二是在傳輸過(guò)程中可以減少不必要的能量消耗；三是提高了信號(hào)質(zhì)量、可靠性等性能指標(biāo)；四是降低了成本。目前已經(jīng)有很多研究機(jī)構(gòu)對(duì)其展開(kāi)深入研究并且取得一定成果[2]。

“5G+”技術(shù)主要包括3個(gè)部分內(nèi)容：一是通過(guò)基站完成信息傳遞，二是利用5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，三是終端設(shè)備的應(yīng)用。其中，基站主要用于承載語(yǔ)音通話(huà)及數(shù)據(jù)通信功能，同時(shí)也可作為移動(dòng)電話(huà)或者其他移動(dòng)終端的天線(xiàn)使用。終端設(shè)備則主要用于接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)等[3]。該技術(shù)的核心為“5G+”技術(shù)，即5G+LoRa無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。這種技術(shù)不僅可以使得用戶(hù)體驗(yàn)得到極大的提升，而且還可以有效地改善傳統(tǒng)有線(xiàn)通信技術(shù)存在的不足，從而進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與進(jìn)步。在具體實(shí)施中，首先，要對(duì)現(xiàn)有的窄帶部署方案加以完善優(yōu)化；其次，要將帶寬需求量較大的區(qū)域劃分出來(lái)，并根據(jù)實(shí)際情況合理規(guī)劃帶寬資源；再次，要做好相應(yīng)的硬件設(shè)施建設(shè)工作，確保整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠；最后，要加強(qiáng)相關(guān)人員的專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)，提高他們的綜合素質(zhì)能力。這樣才能夠更好地發(fā)揮出“5G+”技術(shù)的優(yōu)勢(shì)作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全方位覆蓋[4]。

5G+LoRa是一種寬帶技術(shù)和窄帶技術(shù)相互結(jié)合的技術(shù)，是一種授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段結(jié)合的產(chǎn)品，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)碎片化的市場(chǎng)使得很多應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)大帶寬和窄帶結(jié)合產(chǎn)品有強(qiáng)烈的需求，一個(gè)產(chǎn)品可以解決客戶(hù)一個(gè)完整應(yīng)用場(chǎng)景，大大降低客戶(hù)的應(yīng)用成本，同時(shí)對(duì)后期客戶(hù)增加設(shè)備非常友好，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用場(chǎng)景快速接入和復(fù)制，目前已經(jīng)應(yīng)用于智慧城市、智慧園區(qū)、智慧工廠(chǎng)、智慧樓宇等。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，客戶(hù)可以有效利用授權(quán)和非授權(quán)頻段傳輸數(shù)據(jù)，有效提升傳輸速率和頻段利用率，滿(mǎn)足不同用戶(hù)對(duì)無(wú)線(xiàn)通信的需求，保證數(shù)據(jù)的安全性。

3.2 技術(shù)優(yōu)劣勢(shì)

（1）5G+LoRa技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在應(yīng)用場(chǎng)景中，可以將對(duì)帶寬、對(duì)速率、對(duì)延遲有要求的數(shù)據(jù)比如高清攝像頭、PLC設(shè)備、AGV車(chē)等，直接接入網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品的千兆網(wǎng)口，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)數(shù)據(jù)信息的采集、處理及傳輸，從而達(dá)到低延時(shí)、大帶寬、高可靠、穩(wěn)定需求。應(yīng)用場(chǎng)景中有些設(shè)備是帶電池，對(duì)電池壽命要求極高，數(shù)據(jù)量很少，傳輸延時(shí)沒(méi)有要求，這個(gè)時(shí)候接入LoRa技術(shù)可以很好地解決電池壽命問(wèn)題并降低客戶(hù)成本。

（2）5G+LoRa優(yōu)劣勢(shì)分析。5G網(wǎng)絡(luò)具有更高帶寬，其傳輸速率也得到了提升，但是這種速度提升并不意味著網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量有所改善，還會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。由于5G頻段比較高，傳輸距離比較近，信號(hào)衰減比較嚴(yán)重，容易受到外界因素干擾比較大，因此產(chǎn)品配件投入價(jià)格高，性能要求高，運(yùn)營(yíng)商投入基站多。LoRa劣勢(shì)是由于帶寬有限，正常默認(rèn)是125K，理論速率約5.5kbps，所以針對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備并發(fā)，容易碰撞丟包，同時(shí)網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品也并非無(wú)限加入終端產(chǎn)品，終端到一定數(shù)量就需要疊加網(wǎng)關(guān)，否則信號(hào)容易受到環(huán)境影響，導(dǎo)致傳輸距離變短，比如雨衰[6]。

4 智能網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品介紹

4.1 網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品功能

①支持互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6版（IPv6協(xié)議），可實(shí)現(xiàn)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第4版（IPv4協(xié)議）地址的動(dòng)態(tài)分配。②支持虛擬數(shù)據(jù)專(zhuān)用網(wǎng)（APN/VPDN專(zhuān)網(wǎng)），同時(shí)設(shè)備具有IPSEC、PPTP、L2TP、GRE、OPENVPN多種VPN連接，具有VPN客戶(hù)端、服務(wù)端等功能，在專(zhuān)網(wǎng)的基礎(chǔ)上再增加一層加密方式傳輸，充分保障交易數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)的安全性、準(zhǔn)確性。③采用基于用戶(hù)身份識(shí)別的MAC-SSL加密技術(shù)，有效防止非法入侵、數(shù)據(jù)竊聽(tīng)等問(wèn)題；同時(shí)，通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)層中引入基于以太網(wǎng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議（PPPoE）機(jī)制提高系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约鞍踩浴＂芴峁┒鄠€(gè)安全策略。例如，針對(duì)ARP攻擊、DNS欺騙攻擊、UDP包捕獲攻擊，以及其他惡意軟件行為進(jìn)行防御。⑤具有靈活的配置管理能力?？梢愿鶕?jù)需要隨時(shí)調(diào)整策略，以適應(yīng)不同場(chǎng)景下的需求。如對(duì)流量監(jiān)控、QOS管理、日志管理、異常檢測(cè)、流量統(tǒng)計(jì)分析等。⑥Lo-RaWAN支持協(xié)議版本為1.0.2和1.0.3，協(xié)議支持Class A、Class B、Class C。⑦支持Semtech UDP GWMP Protocol模式、支持內(nèi)嵌NetWork Server模式，節(jié)省運(yùn)維和NS部署成本，管理簡(jiǎn)單易用、支持Basicstation模式，多種數(shù)據(jù)加密方式，保證數(shù)據(jù)傳輸安全。⑧支持連接平臺(tái)：LinkWAN、ChirpStack、騰訊云、TTN、AWS等。⑨對(duì)外提供HTTP推送、MQTT訂閱與發(fā)布、TCP連接方式。⑩提供了有線(xiàn)以太網(wǎng)、5G、Wi-Fi等數(shù)據(jù)連接方式。該系列產(chǎn)品還支持各種帶寬接入，能夠?yàn)楦黝?lèi)終端設(shè)備提供高帶寬服務(wù)，并且其性能指標(biāo)均優(yōu)，是一種高性?xún)r(jià)比的解決方案之一。

4.2 硬件拓?fù)浜驮斫榻B

本系統(tǒng)采用的是基于ARM架構(gòu)設(shè)計(jì)的Cortex A7處理器作為主控芯片，該處理器具有高性能、豐富硬件接口等特點(diǎn)，在軟件方面支持多種應(yīng)用軟件接口，可以滿(mǎn)足用戶(hù)多樣化的需求，并且具備強(qiáng)大的存儲(chǔ)能力，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

4.3 硬件接口介紹

①電源接口：默認(rèn)支持AC85～265V，DC100～265V，POE+輸入出廠(chǎng)默認(rèn)帶，電源模組在高低溫下滿(mǎn)足設(shè)備穩(wěn)定工作的要求，EMC（靜電4級(jí)，電快速瞬變4級(jí)，浪涌3級(jí)，工頻抗擾度5級(jí)，脈沖磁場(chǎng)抗擾度5級(jí)）。②以太網(wǎng)接口：1GbpsWAN/LAN口可配置以太網(wǎng)接口，自適應(yīng)MDI/MDIX，內(nèi)置1.5 kV電磁隔離保護(hù)；2～4個(gè)GbpLAN口根據(jù)客戶(hù)需求搭配網(wǎng)口數(shù)量，自適應(yīng)MDI/MDIX，內(nèi)置1.5 kV電磁隔離保護(hù)。③內(nèi)置8GeMMC方便客戶(hù)二次開(kāi)發(fā)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。④內(nèi)置M.2接口，可兼容多個(gè)5G硬件方案的5G模組，比如展銳、高通、MTK等方案模組。⑤內(nèi)置多個(gè)5G天線(xiàn)、Wi-Fi 6天線(xiàn)、LoRa天線(xiàn)和GPS定位天線(xiàn)。⑥內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)PCIe接口可接入多種LoRa模組，LoRa模組支持全球多個(gè)頻段，LoRa有多個(gè)上下行通道可選。⑦支持三大運(yùn)營(yíng)商3FF卡、3切卡、預(yù)留內(nèi)置eSIM卡等。⑧外置Type-CUSB，方便客戶(hù)調(diào)試和日志跟蹤。⑨Reset復(fù)位按鈕，通過(guò)此按鈕，可將Router的參數(shù)配置恢復(fù)為出廠(chǎng)值。⑩外圍多個(gè)指示燈，方便客戶(hù)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行查看和判斷。

4.4 智能網(wǎng)關(guān)實(shí)際應(yīng)用案例

以某智慧園區(qū)為例，該園區(qū)智慧傳感終端、智慧井蓋、智慧垃圾桶、智能水表、智能燃?xì)獗怼煾?、聲光手?bào)等終端采用的無(wú)線(xiàn)技術(shù)為標(biāo)準(zhǔn)LoRaWAN，產(chǎn)線(xiàn)內(nèi)部各種PLC設(shè)備、機(jī)床、高清攝像頭接入的是千兆網(wǎng)口；以前傳統(tǒng)解決辦法是找A廠(chǎng)家購(gòu)買(mǎi)5G網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品、找B廠(chǎng)家或者更多廠(chǎng)家購(gòu)買(mǎi)LoRaWAN終端產(chǎn)品和LoRaWAN網(wǎng)關(guān)，這樣面臨項(xiàng)目投入成本上升、技術(shù)兼容不佳、服務(wù)不統(tǒng)一、產(chǎn)品穩(wěn)定性不足等問(wèn)題。若采用5G+LoRa網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題，首先成本降低、廠(chǎng)家統(tǒng)一、服務(wù)統(tǒng)一、產(chǎn)品性能穩(wěn)定，LoRaWAN終端產(chǎn)品把采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa網(wǎng)絡(luò)傳輸給LoRaWAN網(wǎng)關(guān)，LoRaWAN模組把收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口給到內(nèi)嵌NS服務(wù)器，服務(wù)器進(jìn)行解密，將數(shù)據(jù)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇蛻?hù)應(yīng)用平臺(tái)；同時(shí)，客戶(hù)應(yīng)用平臺(tái)可下發(fā)數(shù)據(jù)控制LoRaWAN終端。應(yīng)用場(chǎng)景中對(duì)速率、低延遲有要求的設(shè)備可直接接入千兆R(shí)J45網(wǎng)口，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集傳輸和控制等，保證對(duì)5GSLA要求，應(yīng)用拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用實(shí)例系統(tǒng)模塊圖

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)窄帶技術(shù)LoRa和寬帶技術(shù)5G的分析研究發(fā)現(xiàn)，窄帶技術(shù)LoRa與寬帶技術(shù)5G結(jié)合，能夠有效地解決場(chǎng)景低延時(shí)、高可靠、峰值速率、覆蓋性能、低成本、電池壽命等關(guān)鍵參數(shù)問(wèn)題，靈活應(yīng)用于多場(chǎng)景，很好地解決用戶(hù)需求和痛點(diǎn)。