深度揭秘腾讯云低功耗广域物联网 LPWAN 技术及应用
2018-06-04 13:52:08
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自低功耗广域物联网 (LPWAN) 出现之后，经过短短几年的发展，如今已经成为行业关注的焦点。腾讯云在 LPWAN 方面积累了很多的经验和教训，本文将详细介绍我们在 LPWAN 接入网络和终端解决方案方面的技术探索和应用实践。
LPWAN，新一代物联网底层通讯技术
回到 2000 年左右，物联网的底层技术支撑还是「ZigBee」，虽然当时 ZigBee 的终端功耗指标其实也并不庞大，但是，「拓扑复杂导致工程实施难度大」、「网络规模小导致的整体效率低下」都成为限制其发展的主要因素。
LPWAN 技术的出现解决了上面的几个问题，从而正式作为新一代的物联网底层通讯技术出现在公众的视野中。不过决定一项技术能否规模应用的关键主要还是该技术的投入产出比，相比前代是否有了数量级上的优势。
在这两个方面，LPWAN 都优势明显。比如在低功耗方面，LPWAN 达到了「能在电池供电的情况下工作数年同时又能通过无线联网」的标志性里程碑;其次，在网络规模上，LPWAN 追求 1000 倍，甚至 10000 倍的比值，覆盖半径达到 2～10 公里。这意味着可以以较少的基站就能够支撑大量的终端设备工作。
目前国内可用的 LPWAN 技术主要包括 NB-IoT(授权频段) 以及 LoRa(开放频段)。
值得注意的是，与 ZigBee、蓝牙 Mesh 等技术不同，LPWAN 技术采用了更为简单的星型拓扑设计。
腾讯云自主研发 Alpha 协议，历经长期演进与大规模应用，
腾讯云 LPWAN 的出现为低功耗广域物联网提供了新的思路。该协议的设计与物理层选型无关，也就是相同的协议架构可以构建在各种不同的物理层之上，比如 433M、UNB、OFSK 等。其中，腾讯云首先基于 LoRa 物理层来构建 LPWAN 接入方案。
实际上，评价一项技术网络能力的高低，必须从覆盖和容量上入手。而在这之中，「覆盖」即通讯距离，主要取决于物理层无线电调制方案的技术选型。「容量」即网络规模，主要取决于通讯协议本身的设计思想。经过大量的测试得出，腾讯云 LPWAN 在开阔环境中，通讯距离可以达到 10Km 以上。在典型城市环境中，通讯距离也可达到 3～5Km。这样的成绩，足以证明 LoRa 在通信距离上的优异性能。
而另一方面，由于空中的无线信道本质上是由区域内所有的终端与基站一起共享的资源，所以，容量方面，最主要的考虑是通讯交互对于空中信道的使用效率。对此，腾讯云 LPWAN 网络协议以「最轻量的通讯」作为设计目标。完成一次通讯交互，最低限度需要几个无线电发射行为? 在各种典型场景下，是否有可能优化交互时序，节约几次发射行为? 在特殊情形下，是否会出现自激和群惊效应，恶化信道占用? 这些是在协议设计视角最为关心的考量。
基于对这些考量，腾讯云 LPWAN 网络技术团队创造性地反向优化协议本身，积累了很多独家的优化策略。
作为一个完全自主研发独立知识产权的通讯协议，在长期演进与大规模的应用之中，因应具体应用的需求，不断大胆迭代，不停引入特性。但这并不意味着腾讯云 LPWAN 在兼容性上存在着问题。实际上，腾讯云 LPWAN 的网络技术团队，通过额外的技术手段，仍然保持了与标准 LoRaWan 通讯行为的兼容。
腾讯云 LPWAN 的 Alpha 协议设计与频谱无关，相同的协议架构可应用于任何频段。然而，涉及到具体的设备生产和网络搭建，就不允许有任何的不确定性变量，落地必须确定频段。目前腾讯云 LPWAN 网络的 Alpha 协议、芯片和基站，在中国大陆主要工作在 470MHz～510MHz 频段。
基础网络服务先行 腾讯云 LPWAN 打造最好用的网络侧设备
核心网：腾讯云 Alpha 协议主要由三个彼此紧密耦合的部分构成。其中，一部分逻辑运行在终端芯片的固件之中，一部分逻辑运行在基站芯片的固件之中，最复杂的那部分逻辑运行在一个被称作「核心网」的云端系统之中。
所有基站的通讯数据全部汇集到这个云端，进行协同，并根据归属把数据路由到相应的应用服务器。特别是在经历过大规模城市级网络部署考验之后，功能成熟只是 Alpha 核心网的一个方面。与此同时，可水平扩展的系统负载承接架构也让其性能可靠。除此之外，在监测、监控、操作、运维、生产等纬度内，核心网展现了强大实力。
基站：腾讯云 LPWAN(LoRa) 基站主要是为了满足规模化城市建网需求而研发的产品，基站依赖于核心网的功能支撑，接受它的集中管理。在大量的实际部署之中，经历严酷的工况与复杂实际应用的考验，基站产品具有很多独到的设计。
建网服务：城市级的物联网网络实施仍然是一个复杂工程。在过程中，不仅需要较强的组织协调能力，完备的工具链支撑，地面团队的掌控能力以及施工质量的控制流程，具体建网步骤这里不再赘述。
以北京市网络建设为例来看，北京市网络属于一次性规划一次性覆盖的典型案例。五环以内城市主要区域，共计包括 500 多台基站，安装在中国铁塔的站址上。前期准备勘查 1 个月，安装实施过程为期 2 个月，最高峰同时对接 13 个铁塔施工团队，通过严格的培训和验收流程掌控实施质量，在实际测试过程中，成果显著。
发力终端硬件产品 构建物联时代下的最佳解决方案
在当基础网络服务搭建完成之后，接下来的重头戏将落在终端硬件产品的身上。
芯片：主要是为了满足大量终端设备的整合需求而研发的产品，芯片内置 Alpha 协议的终端侧逻辑，对外输出一个标准硬件串口。
通讯模组：腾讯 LPWAN(LoRa) 的模组，是一个非常简单的构建模块，由芯片以及六个外围原件组成，主要是为了满足外部合作伙伴快速验证技术对接而研发。
自研终端：主要集中在「消防」以及「空气净化」方面。
结语
本文详细介绍了腾讯云在低功耗广域物联网 LPWAN 方面的的技术探索和实践，目前腾讯云 LPWAN(LoRa) 接入网络&终端解决方案已经在智慧消防服务、智慧园区方案以及数字工厂领域成功应用。后续，腾讯云将继续加大在物联网领域的研发和投入，加快物联网落地更多场景。
责任编辑：胡辉
