淺析通信網(wǎng)絡技術(shù)與智慧工地網(wǎng)絡層建設(shè)

范俊杰

摘要：通信網(wǎng)絡技術(shù)的進步為智慧工地網(wǎng)絡層建設(shè)提供了多種方式，本文在介紹常用的通信網(wǎng)絡技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合智慧工地信息的特點分析了目前不同場景下的通信網(wǎng)絡組網(wǎng)模式及未來趨勢，為智慧工地網(wǎng)絡層建設(shè)提供了參考。

關(guān)鍵詞：通信網(wǎng)絡技術(shù);智慧工地;網(wǎng)絡層

中圖分類號：TU71-39 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）04-0030-02

0 引言

近年來，針對建筑業(yè)生產(chǎn)效率較低、管理形式粗放、安全生產(chǎn)隱患多、安全生產(chǎn)事故頻發(fā)等問題，許多行業(yè)專家都將“智慧工地”作為一種系統(tǒng)化的創(chuàng)新解決方案加以研究和探索。同時，《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中提出：“‘十三五時期，全面提高建筑業(yè)信息化水平，著力增強BIM、大數(shù)據(jù)、智能化、移動通訊、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)集成應用能力。”[1]雖然各地實施的程度進展有所不同，但建設(shè)智慧工地已逐漸成為建筑施工中的必選項，成為行業(yè)發(fā)展的趨勢。

智慧工地作為智慧城市的一部分，在功能架構(gòu)上與智慧城市相同，也分為感知層、網(wǎng)絡層和應用層，對工地進行更透徹的感知、更廣泛的互聯(lián)互通、更深入的智能化。網(wǎng)絡層主要構(gòu)建各種形式的高速帶寬通信網(wǎng)絡，將感知層收集、儲存的工地分散信息及數(shù)據(jù)與應用層互聯(lián)互通，實現(xiàn)不同終端、子系統(tǒng)、應用主體之間的信息傳輸與交換，實現(xiàn)監(jiān)管機構(gòu)、業(yè)主對工地環(huán)境和施工進程進行實時監(jiān)控，進而提高現(xiàn)場問題的分析與解決時效，完善生產(chǎn)安全及溯源機制。隨著信息科技的進步和社會的發(fā)展，以光纖、第五代移動電話行動通信標準（The 5th Generation mobile communication technology，5G）、物聯(lián)網(wǎng)為代表的各類通信網(wǎng)絡技術(shù)為不同特點的智慧工地網(wǎng)絡層建設(shè)提供了更為高速、可靠、便捷的通信體驗。

建筑工地通過網(wǎng)絡層通信網(wǎng)絡傳輸?shù)男畔⒅饕邪踩a(chǎn)視頻監(jiān)控信息、施工人員出入門禁及身份信息、人員物資位置信息、揚塵信息、噪音信息等，不同類型的信息有不同的特點，因此對通信網(wǎng)絡也有不同的要求。本文將介紹目前常用的幾種通信網(wǎng)絡技術(shù)，并結(jié)合工地信息特點分析了目前不同場景下的通信網(wǎng)絡組網(wǎng)模式及未來趨勢，為智慧工地網(wǎng)絡層建設(shè)提供參考。

1 常用的通信網(wǎng)絡技術(shù)介紹

1.1 光纖傳輸技術(shù)

光纖傳輸技術(shù)是一種目前最常用的成熟的有線傳輸技術(shù)，由于其具有傳輸信息量大、速度快（100Gbps）、遠距離傳輸損耗低、數(shù)據(jù)保密性強和抗干擾能力強等特點，因此得到了各行業(yè)的廣泛應用，但也存在布線困難、施工周期長、后期擴展維護不方便、無法支持移動通信等問題。

1.2 4G技術(shù)

第四代移動電話行動通信標準（The 4th Generation mobile communication technology，4G）技術(shù)通信速度快（下行最高可達約100Mbps，上行最高可達約50Mbps）、移動性好，相對于第三代移動電話行動通信標準（The 3rd Generation mobile communication technology，3G）網(wǎng)絡大大的提高了小區(qū)的容量，同時將網(wǎng)絡延遲大大降低：內(nèi)部單向傳輸時延低于5ms，控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)遷移時間低于50ms，從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時間小于100ms。4G技術(shù)是目前運營商移動通信的主流技術(shù)，信號已覆蓋了全國的絕大部分區(qū)域，可為各類信息提供通信傳輸服務，但在部分區(qū)域存在傳輸容量受限、信號盲區(qū)、不易擴容等問題。

1.3 5G技術(shù)

5G技術(shù)速度更快（最高理論傳輸速度可達每秒數(shù)十Gbps），比現(xiàn)行4G網(wǎng)絡的傳輸速度快數(shù)百倍，整部超高清畫質(zhì)電影可在1s之內(nèi)下載完成;超大帶寬，5G使用毫米波主要工作在6GHz以上的頻段，以28GHz頻段為例，其可用頻譜帶寬達到了1GHz，而60GHz頻段每個信道的可用信號帶寬則為2GHz;超低延時與高可靠性，在3G網(wǎng)絡中，時延約為100ms，4G網(wǎng)絡的時延為20～30ms，而5G網(wǎng)絡的端到端時延可縮短到1ms，足以應用于汽車自動駕駛功能、工業(yè)制造等領(lǐng)域;可以容納海量的終端用戶，實現(xiàn)萬物互聯(lián)，5G網(wǎng)絡將提供1000億的連接數(shù)量，可以提供人與人、人與物、物與物的隨時隨地的接入，實現(xiàn)真正意義上的萬物互聯(lián)。5G技術(shù)三個典型的應用場景是增強型移動寬帶（eMBB）、超高可靠與低時延通信（URLLC）與大規(guī)模機器類通信（mMTC），為智慧城市、企業(yè)專網(wǎng)提供更好的通信服務，是移動通信未來的主要技術(shù)，目前處于試商用階段，尚未大規(guī)模覆蓋和應用。5G技術(shù)最大的缺點就是傳輸距離很短、穿透力差、衰減大，需要通過增加基站密度來滿足覆蓋的要求。[2]

1.4 2.4G/5GHz WiFi技術(shù)

2.4G/5GHz WiFi技術(shù)在2.4G/5GHz頻段上采用802.11系列協(xié)議進行通信，具有部署靈活，操作簡單、頻率使用不受限、成本低等優(yōu)點，在各行業(yè)及家庭均有大量應用，但存在干擾衰減大，傳輸距離短，覆蓋相同區(qū)域需要更多的設(shè)備，維護繁瑣，傳輸穩(wěn)定性波動大等問題。

1.5 白頻譜超級WiFi技術(shù)

白頻譜是指廣播電視傳播所用的特高頻（Ultra High Frequency，UHF）頻段中沒有被占用的空閑部分。白頻譜超級WiFi技術(shù)是在廣播電視白頻譜上采用802.11af協(xié)議進行通信，具有架構(gòu)簡單、高速率、穿透能力強、覆蓋范圍廣、抗干擾能力強、擴展維護方便等特點，但白頻譜對應的UHF頻段優(yōu)先用于廣播電視傳輸，需要在廣播電視數(shù)字化進程較好且相應頻譜資源釋放的區(qū)域與廣電合作才能開展相關(guān)應用。

1.6 NB-IoT技術(shù)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一個重要分支，可直接部署于4G LTE網(wǎng)絡，系統(tǒng)帶寬大約180KHz，上行速率約5.6kbps-204.8kbps，在室外覆蓋距離可達25km，終端功耗低，電池可支持約15年，但由于工作在授權(quán)頻段，必須依賴運營商的基礎(chǔ)網(wǎng)絡設(shè)施，網(wǎng)絡是否可用取決于運營商的部署。[3]

1.7 LoRa技術(shù)

LoRa（Long Range）技術(shù)是出現(xiàn)最早、最成熟、應用范圍最廣的一項低功耗廣域網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，產(chǎn)業(yè)鏈完善，系統(tǒng)帶寬約7.8kHz～500kHz，上行速率約0.3kbps～50kbps，在室外覆蓋距離可達11km，終端功耗低，可支持約10年，工作在工業(yè)、科學、醫(yī)學（Industrial Scientific Medical， ISM）頻段470MHz-510MHz，可以靈活獨立建網(wǎng)，企業(yè)可以在任何需要的地方進行部署，但由于在國內(nèi)470MHz-510MHz頻段優(yōu)先用于廣播電視傳輸，因此可能存在干擾問題，需要與廣電合作使用。[4]

2 智慧工地網(wǎng)絡層通信網(wǎng)絡建設(shè)分析

智慧工地的網(wǎng)絡層通信網(wǎng)絡應該能為工地相關(guān)的人和物實現(xiàn)互聯(lián)互通提供傳輸通道，在智慧工地需要傳輸?shù)男畔⒅?，安全生產(chǎn)視頻監(jiān)控信息傳輸需要高速率的網(wǎng)絡、施工人員出入門禁及身份信息傳輸需要低時延高速可靠的網(wǎng)絡，人員物資位置信息需要低時延低速可靠的網(wǎng)絡，揚塵信息、噪音信息主要是需要低速可靠的網(wǎng)絡。

根據(jù)工地主要信息的特點，從技術(shù)實現(xiàn)角度分析，光纖傳輸+白頻譜超級WiFi技術(shù)+LoRa技術(shù)組網(wǎng)模式是目前智慧工地網(wǎng)絡層建設(shè)的首選，光纖傳輸網(wǎng)絡可以為工地與外部的連接提供高速穩(wěn)定大容量的通道，白頻譜超級WiFi網(wǎng)絡可以在不受地域限制不用布線的情況下靈活部署，輕松覆蓋整個工地，為視頻監(jiān)控、施工人員出入門禁及身份信息傳輸提供高速可靠的通道，LoRa網(wǎng)絡可以在需要的地方進行部署，獨立組網(wǎng)，為人員物資位置信息、揚塵信息、噪音信息傳輸提供低速可靠的通道;從實際應用角度分析，在可以與廣電合作的情況下，采用光纖傳輸+白頻譜超級WiFi技術(shù)+LoRa技術(shù)組網(wǎng)模式，在無法與廣電合作且運營商移動網(wǎng)絡未能覆蓋的場景，采用光纖傳輸+2.4G/5GHz WiFi技術(shù)，但需要使用大量的網(wǎng)橋中繼克服2.4G/5GHz WiFi技術(shù)傳輸距離短的缺點，在無法與廣電合作但運營商移動網(wǎng)絡已覆蓋的場景，可以采用光纖傳輸+4G技術(shù)+NB-IoT技術(shù)組網(wǎng)模式，但信息傳輸?shù)拇笮∈艿竭\營商網(wǎng)絡部署的限制，可能無法完全滿足工地需求。

3 結(jié)論與展望

目前，在智慧工地網(wǎng)絡層通信網(wǎng)絡建設(shè)中，主要可以采用光纖傳輸+白頻譜超級WiFi技術(shù)+LoRa技術(shù)組網(wǎng)模式、光纖傳輸+2.4G/5GHz WiFi技術(shù)組網(wǎng)模式和光纖傳輸+4G技術(shù)+NB-IoT技術(shù)組網(wǎng)模式;未來，隨著5G網(wǎng)絡的大規(guī)模商用建設(shè)及廣電UHF頻段資源的釋放，光纖傳輸+5G技術(shù)組網(wǎng)模式和光纖傳輸+白頻譜超級WiFi技術(shù)+LoRa技術(shù)組網(wǎng)模式將成為智慧工地網(wǎng)絡層通信網(wǎng)絡的趨勢。

參考文獻

[1] 韓豫，孫昊，李宇宏，尤少迪.智慧工地系統(tǒng)架構(gòu)與實現(xiàn)[J].科技進步與對策，2018，35（24）：107-111.

[2] 閆云.廣電在 5G 時代下的發(fā)展淺析[J].有線電視技術(shù)，2018（9）：92-94.

[3] 嚴益強.NB-IoT技術(shù)簡介及其在智慧城市中應用研究.廣東通信技術(shù)，2016（11）：6-8.

[4] 趙靜，蘇光添.LoRa無線網(wǎng)絡技術(shù)分析[J].移動通信，2016（12）：50-57.