深度揭秘騰訊云低功耗廣域物聯網 LPWAN 技術及應用
2018-06-04 13:52:08
來源： 極客 熱度:
自低功耗廣域物聯網 (LPWAN) 出現之后，經過短短幾年的發(fā)展，如今已經成為行業(yè)關注的焦點。騰訊云在 LPWAN 方面積累了很多的經驗和教訓，本文將詳細介紹我們在 LPWAN 接入網絡和終端解決方案方面的技術探索和應用實踐。
LPWAN，新一代物聯網底層通訊技術
回到 2000 年左右，物聯網的底層技術支撐還是「ZigBee」，雖然當時 ZigBee 的終端功耗指標其實也并不龐大，但是，「拓撲復雜導致工程實施難度大」、「網絡規(guī)模小導致的整體效率低下」都成為限制其發(fā)展的主要因素。
LPWAN 技術的出現解決了上面的幾個問題，從而正式作為新一代的物聯網底層通訊技術出現在公眾的視野中。不過決定一項技術能否規(guī)模應用的關鍵主要還是該技術的投入產出比，相比前代是否有了數量級上的優(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年同時又能通過無線聯網」的標志性里程碑;其次，在網絡規(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備工作。
目前國內可用的 LPWAN 技術主要包括 NB-IoT(授權頻段) 以及 LoRa(開放頻段)。
值得注意的是，與 ZigBee、藍牙 Mesh 等技術不同，LPWAN 技術采用了更為簡單的星型拓撲設計。
騰訊云自主研發(fā) Alpha 協議，歷經長期演進與大規(guī)模應用，
騰訊云 LPWAN 的出現為低功耗廣域物聯網提供了新的思路。該協議的設計與物理層選型無關，也就是相同的協議架構可以構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 物理層來構建 LPWAN 接入方案。
實際上，評價一項技術網絡能力的高低，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制方案的技術選型?！溉萘俊辜淳W絡規(guī)模，主要取決于通訊協議本身的設計思想。經過大量的測試得出，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上是由區(qū)域內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 網絡協議以「最輕量的通訊」作為設計目標。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，是否會出現自激和群驚效應，惡化信道占用? 這些是在協議設計視角最為關心的考量。
基于對這些考量，騰訊云 LPWAN 網絡技術團隊創(chuàng)造性地反向優(yōu)化協議本身，積累了很多獨家的優(yōu)化策略。
作為一個完全自主研發(fā)獨立知識產權的通訊協議，在長期演進與大規(guī)模的應用之中，因應具體應用的需求，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 的網絡技術團隊，通過額外的技術手段，仍然保持了與標準 LoRaWan 通訊行為的兼容。
騰訊云 LPWAN 的 Alpha 協議設計與頻譜無關，相同的協議架構可應用于任何頻段。然而，涉及到具體的設備生產和網絡搭建，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 網絡的 Alpha 協議、芯片和基站，在中國大陸主要工作在 470MHz～510MHz 頻段。
基礎網絡服務先行 騰訊云 LPWAN 打造最好用的網絡側設備
核心網：騰訊云 Alpha 協議主要由三個彼此緊密耦合的部分構成。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，最復雜的那部分邏輯運行在一個被稱作「核心網」的云端系統之中。
所有基站的通訊數據全部匯集到這個云端，進行協同，并根據歸屬把數據路由到相應的應用服務器。特別是在經歷過大規(guī)模城市級網絡部署考驗之后，功能成熟只是 Alpha 核心網的一個方面。與此同時，可水平擴展的系統負載承接架構也讓其性能可靠。除此之外，在監(jiān)測、監(jiān)控、操作、運維、生產等緯度內，核心網展現了強大實力。
基站：騰訊云 LPWAN(LoRa) 基站主要是為了滿足規(guī)模化城市建網需求而研發(fā)的產品，基站依賴于核心網的功能支撐，接受它的集中管理。在大量的實際部署之中，經歷嚴酷的工況與復雜實際應用的考驗，基站產品具有很多獨到的設計。
建網服務：城市級的物聯網網絡實施仍然是一個復雜工程。在過程中，不僅需要較強的組織協調能力，完備的工具鏈支撐，地面團隊的掌控能力以及施工質量的控制流程，具體建網步驟這里不再贅述。
以北京市網絡建設為例來看，北京市網絡屬于一次性規(guī)劃一次性覆蓋的典型案例。五環(huán)以內城市主要區(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，通過嚴格的培訓和驗收流程掌控實施質量，在實際測試過程中，成果顯著。
發(fā)力終端硬件產品 構建物聯時代下的最佳解決方案
在當基礎網絡服務搭建完成之后，接下來的重頭戲將落在終端硬件產品的身上。
芯片：主要是為了滿足大量終端設備的整合需求而研發(fā)的產品，芯片內置 Alpha 協議的終端側邏輯，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。
結語
本文詳細介紹了騰訊云在低功耗廣域物聯網 LPWAN 方面的的技術探索和實踐，目前騰訊云 LPWAN(LoRa) 接入網絡&終端解決方案已經在智慧消防服務、智慧園區(qū)方案以及數字工廠領域成功應用。后續(xù)，騰訊云將繼續(xù)加大在物聯網領域的研發(fā)和投入，加快物聯網落地更多場景。
責任編輯：胡輝
