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      專網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究

      2018-07-30 08:47:40孫鵬飛宋振蘇于洋
      移動通信 2018年7期
      關(guān)鍵詞:公網(wǎng)專網(wǎng)時延

      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。

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