深度揭秘騰訊云低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng) LPWAN 技術(shù)及應(yīng)用
2018-06-04 13:52:08
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自低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng) (LPWAN) 出現(xiàn)之后，經(jīng)過短短幾年的發(fā)展，如今已經(jīng)成為行業(yè)關(guān)注的焦點。騰訊云在 LPWAN 方面積累了很多的經(jīng)驗和教訓(xùn)，本文將詳細介紹我們在 LPWAN 接入網(wǎng)絡(luò)和終端解決方案方面的技術(shù)探索和應(yīng)用實踐。
LPWAN，新一代物聯(lián)網(wǎng)底層通訊技術(shù)
回到 2000 年左右，物聯(lián)網(wǎng)的底層技術(shù)支撐還是「ZigBee」，雖然當時 ZigBee 的終端功耗指標其實也并不龐大，但是，「拓撲復(fù)雜導(dǎo)致工程實施難度大」、「網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小導(dǎo)致的整體效率低下」都成為限制其發(fā)展的主要因素。
LPWAN 技術(shù)的出現(xiàn)解決了上面的幾個問題，從而正式作為新一代的物聯(lián)網(wǎng)底層通訊技術(shù)出現(xiàn)在公眾的視野中。不過決定一項技術(shù)能否規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵主要還是該技術(shù)的投入產(chǎn)出比，相比前代是否有了數(shù)量級上的優(yōu)勢。
在這兩個方面，LPWAN 都優(yōu)勢明顯。比如在低功耗方面，LPWAN 達到了「能在電池供電的情況下工作數(shù)年同時又能通過無線聯(lián)網(wǎng)」的標志性里程碑;其次，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模上，LPWAN 追求 1000 倍，甚至 10000 倍的比值，覆蓋半徑達到 2～10 公里。這意味著可以以較少的基站就能夠支撐大量的終端設(shè)備工作。
目前國內(nèi)可用的 LPWAN 技術(shù)主要包括 NB-IoT(授權(quán)頻段) 以及 LoRa(開放頻段)。
值得注意的是，與 ZigBee、藍牙 Mesh 等技術(shù)不同，LPWAN 技術(shù)采用了更為簡單的星型拓撲設(shè)計。
騰訊云自主研發(fā) Alpha 協(xié)議，歷經(jīng)長期演進與大規(guī)模應(yīng)用，
騰訊云 LPWAN 的出現(xiàn)為低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)提供了新的思路。該協(xié)議的設(shè)計與物理層選型無關(guān)，也就是相同的協(xié)議架構(gòu)可以構(gòu)建在各種不同的物理層之上，比如 433M、UNB、OFSK 等。其中，騰訊云首先基于 LoRa 物理層來構(gòu)建 LPWAN 接入方案。
實際上，評價一項技術(shù)網(wǎng)絡(luò)能力的高低，必須從覆蓋和容量上入手。而在這之中，「覆蓋」即通訊距離，主要取決于物理層無線電調(diào)制方案的技術(shù)選型?！溉萘俊辜淳W(wǎng)絡(luò)規(guī)模，主要取決于通訊協(xié)議本身的設(shè)計思想。經(jīng)過大量的測試得出，騰訊云 LPWAN 在開闊環(huán)境中，通訊距離可以達到 10Km 以上。在典型城市環(huán)境中，通訊距離也可達到 3～5Km。這樣的成績，足以證明 LoRa 在通信距離上的優(yōu)異性能。
而另一方面，由于空中的無線信道本質(zhì)上是由區(qū)域內(nèi)所有的終端與基站一起共享的資源，所以，容量方面，最主要的考慮是通訊交互對于空中信道的使用效率。對此，騰訊云 LPWAN 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以「最輕量的通訊」作為設(shè)計目標。完成一次通訊交互，最低限度需要幾個無線電發(fā)射行為? 在各種典型場景下，是否有可能優(yōu)化交互時序，節(jié)約幾次發(fā)射行為? 在特殊情形下，是否會出現(xiàn)自激和群驚效應(yīng)，惡化信道占用? 這些是在協(xié)議設(shè)計視角最為關(guān)心的考量。
基于對這些考量，騰訊云 LPWAN 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)團隊創(chuàng)造性地反向優(yōu)化協(xié)議本身，積累了很多獨家的優(yōu)化策略。
作為一個完全自主研發(fā)獨立知識產(chǎn)權(quán)的通訊協(xié)議，在長期演進與大規(guī)模的應(yīng)用之中，因應(yīng)具體應(yīng)用的需求，不斷大膽迭代，不停引入特性。但這并不意味著騰訊云 LPWAN 在兼容性上存在著問題。實際上，騰訊云 LPWAN 的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)團隊，通過額外的技術(shù)手段，仍然保持了與標準 LoRaWan 通訊行為的兼容。
騰訊云 LPWAN 的 Alpha 協(xié)議設(shè)計與頻譜無關(guān)，相同的協(xié)議架構(gòu)可應(yīng)用于任何頻段。然而，涉及到具體的設(shè)備生產(chǎn)和網(wǎng)絡(luò)搭建，就不允許有任何的不確定性變量，落地必須確定頻段。目前騰訊云 LPWAN 網(wǎng)絡(luò)的 Alpha 協(xié)議、芯片和基站，在中國大陸主要工作在 470MHz～510MHz 頻段。
基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)先行 騰訊云 LPWAN 打造最好用的網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備
核心網(wǎng)：騰訊云 Alpha 協(xié)議主要由三個彼此緊密耦合的部分構(gòu)成。其中，一部分邏輯運行在終端芯片的固件之中，一部分邏輯運行在基站芯片的固件之中，最復(fù)雜的那部分邏輯運行在一個被稱作「核心網(wǎng)」的云端系統(tǒng)之中。
所有基站的通訊數(shù)據(jù)全部匯集到這個云端，進行協(xié)同，并根據(jù)歸屬把數(shù)據(jù)路由到相應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)器。特別是在經(jīng)歷過大規(guī)模城市級網(wǎng)絡(luò)部署考驗之后，功能成熟只是 Alpha 核心網(wǎng)的一個方面。與此同時，可水平擴展的系統(tǒng)負載承接架構(gòu)也讓其性能可靠。除此之外，在監(jiān)測、監(jiān)控、操作、運維、生產(chǎn)等緯度內(nèi)，核心網(wǎng)展現(xiàn)了強大實力。
基站：騰訊云 LPWAN(LoRa) 基站主要是為了滿足規(guī)模化城市建網(wǎng)需求而研發(fā)的產(chǎn)品，基站依賴于核心網(wǎng)的功能支撐，接受它的集中管理。在大量的實際部署之中，經(jīng)歷嚴酷的工況與復(fù)雜實際應(yīng)用的考驗，基站產(chǎn)品具有很多獨到的設(shè)計。
建網(wǎng)服務(wù)：城市級的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)實施仍然是一個復(fù)雜工程。在過程中，不僅需要較強的組織協(xié)調(diào)能力，完備的工具鏈支撐，地面團隊的掌控能力以及施工質(zhì)量的控制流程，具體建網(wǎng)步驟這里不再贅述。
以北京市網(wǎng)絡(luò)建設(shè)為例來看，北京市網(wǎng)絡(luò)屬于一次性規(guī)劃一次性覆蓋的典型案例。五環(huán)以內(nèi)城市主要區(qū)域，共計包括 500 多臺基站，安裝在中國鐵塔的站址上。前期準備勘查 1 個月，安裝實施過程為期 2 個月，最高峰同時對接 13 個鐵塔施工團隊，通過嚴格的培訓(xùn)和驗收流程掌控實施質(zhì)量，在實際測試過程中，成果顯著。
發(fā)力終端硬件產(chǎn)品 構(gòu)建物聯(lián)時代下的最佳解決方案
在當基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)搭建完成之后，接下來的重頭戲?qū)⒙湓诮K端硬件產(chǎn)品的身上。
芯片：主要是為了滿足大量終端設(shè)備的整合需求而研發(fā)的產(chǎn)品，芯片內(nèi)置 Alpha 協(xié)議的終端側(cè)邏輯，對外輸出一個標準硬件串口。
通訊模組：騰訊 LPWAN(LoRa) 的模組，是一個非常簡單的構(gòu)建模塊，由芯片以及六個外圍原件組成，主要是為了滿足外部合作伙伴快速驗證技術(shù)對接而研發(fā)。
自研終端：主要集中在「消防」以及「空氣凈化」方面。
結(jié)語
本文詳細介紹了騰訊云在低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng) LPWAN 方面的的技術(shù)探索和實踐，目前騰訊云 LPWAN(LoRa) 接入網(wǎng)絡(luò)&終端解決方案已經(jīng)在智慧消防服務(wù)、智慧園區(qū)方案以及數(shù)字工廠領(lǐng)域成功應(yīng)用。后續(xù)，騰訊云將繼續(xù)加大在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的研發(fā)和投入，加快物聯(lián)網(wǎng)落地更多場景。
責(zé)任編輯：胡輝
