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(guò)短短幾年的發(fā)展，如今已經(jīng)成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。騰訊云在 LPWAN 方面積累了很多的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，本文將詳細(xì)介紹我們?cè)?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(shí)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(dāng)時(shí) ZigBee 的終端功耗指標(biāo)其實(shí)也并不龐大，但是，「拓?fù)鋸?fù)雜導(dǎo)致工程實(shí)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(gè)問(wèn)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(guò)決定一項(xiàng)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(jí)上的優(yōu)勢(shì)。
在這兩個(gè)方面，LPWAN 都優(yōu)勢(shì)明顯。比如在低功耗方面，LPWAN 達(dá)到了「能在電池供電的情況下工作數(shù)年同時(shí)又能通過(guò)無(wú)線聯(lián)網(wǎng)」的標(biāo)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(dá)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(guó)內(nèi)可用的 LPWAN 技術(shù)主要包括 NB-IoT(授權(quán)頻段) 以及 LoRa(開(kāi)放頻段)。
值得注意的是，與 ZigBee、藍(lán)牙 Mesh 等技術(shù)不同，LPWAN 技術(shù)采用了更為簡(jiǎn)單的星型拓?fù)湓O(shè)計(jì)。
騰訊云自主研發(fā) Alpha 協(xié)議，歷經(jīng)長(zhǎng)期演進(jìn)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(jì)與物理層選型無(wú)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(lái)構(gòu)建 LPWAN 接入方案。
實(shí)際上，評(píng)價(jià)一項(xiàng)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(wú)線電調(diào)制方案的技術(shù)選型。「容量」即網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，主要取決于通訊協(xié)議本身的設(shè)計(jì)思想。經(jīng)過(guò)大量的測(cè)試得出，騰訊云 LPWAN 在開(kāi)闊環(huán)境中，通訊距離可以達(dá)到 10Km 以上。在典型城市環(huán)境中，通訊距離也可達(dá)到 3～5Km。這樣的成績(jī)，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(wú)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(duì)于空中信道的使用效率。對(duì)此，騰訊云 LPWAN 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以「最輕量的通訊」作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。完成一次通訊交互，最低限度需要幾個(gè)無(wú)線電發(fā)射行為? 在各種典型場(chǎng)景下，是否有可能優(yōu)化交互時(shí)序，節(jié)約幾次發(fā)射行為? 在特殊情形下，是否會(huì)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(jì)視角最為關(guān)心的考量。
基于對(duì)這些考量，騰訊云 LPWAN 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地反向優(yōu)化協(xié)議本身，積累了很多獨(dú)家的優(yōu)化策略。
作為一個(gè)完全自主研發(fā)獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的通訊協(xié)議，在長(zhǎng)期演進(jìn)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(wèn)題。實(shí)際上，騰訊云 LPWAN 的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)團(tuán)隊(duì)，通過(guò)額外的技術(shù)手段，仍然保持了與標(biāo)準(zhǔn) LoRaWan 通訊行為的兼容。
騰訊云 LPWAN 的 Alpha 協(xié)議設(shè)計(jì)與頻譜無(wú)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(guó)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(gè)彼此緊密耦合的部分構(gòu)成。其中，一部分邏輯運(yùn)行在終端芯片的固件之中，一部分邏輯運(yùn)行在基站芯片的固件之中，最復(fù)雜的那部分邏輯運(yùn)行在一個(gè)被稱(chēng)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(gè)云端，進(jìn)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(guò)大規(guī)模城市級(jí)網(wǎng)絡(luò)部署考驗(yàn)之后，功能成熟只是 Alpha 核心網(wǎng)的一個(gè)方面。與此同時(shí)，可水平擴(kuò)展的系統(tǒng)負(fù)載承接架構(gòu)也讓其性能可靠。除此之外，在監(jiān)測(cè)、監(jiān)控、操作、運(yùn)維、生產(chǎn)等緯度內(nèi)，核心網(wǎng)展現(xiàn)了強(qiáng)大實(shí)力。
基站：騰訊云 LPWAN(LoRa) 基站主要是為了滿足規(guī)?；鞘薪ňW(wǎng)需求而研發(fā)的產(chǎn)品，基站依賴(lài)于核心網(wǎng)的功能支撐，接受它的集中管理。在大量的實(shí)際部署之中，經(jīng)歷嚴(yán)酷的工況與復(fù)雜實(shí)際應(yīng)用的考驗(yàn)，基站產(chǎn)品具有很多獨(dú)到的設(shè)計(jì)。
建網(wǎng)服務(wù)：城市級(jí)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施仍然是一個(gè)復(fù)雜工程。在過(guò)程中，不僅需要較強(qiáng)的組織協(xié)調(diào)能力，完備的工具鏈支撐，地面團(tuán)隊(duì)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(lái)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?xún)?nèi)城市主要區(qū)域，共計(jì)包括 500 多臺(tái)基站，安裝在中國(guó)鐵塔的站址上。前期準(zhǔn)備勘查 1 個(gè)月，安裝實(shí)施過(guò)程為期 2 個(gè)月，最高峰同時(shí)對(duì)接 13 個(gè)鐵塔施工團(tuán)隊(duì)，通過(guò)嚴(yán)格的培訓(xùn)和驗(yàn)收流程掌控實(shí)施質(zhì)量，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，成果顯著。
發(fā)力終端硬件產(chǎn)品 構(gòu)建物聯(lián)時(shí)代下的最佳解決方案
在當(dāng)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)搭建完成之后，接下來(lái)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(duì)外輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)硬件串口。
通訊模組：騰訊 LPWAN(LoRa) 的模組，是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的構(gòu)建模塊，由芯片以及六個(gè)外圍原件組成，主要是為了滿足外部合作伙伴快速驗(yàn)證技術(shù)對(duì)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(yǔ)
本文詳細(xì)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(shí)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(chǎng)景。
責(zé)任編輯：胡輝
