王斯薈
(廣東智慧廣電物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司,廣東 廣州 510630)
移動物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展讓大中型企業(yè)不論是在運作方式還是在業(yè)務(wù)拓展范圍方面都產(chǎn)生許多變化,而且對一個企業(yè)規(guī)模發(fā)展和運營都具有重大意義。目前,大中型企業(yè)普遍面臨著傳統(tǒng)布線難、網(wǎng)絡(luò)升級難、數(shù)據(jù)信息多,應(yīng)用終端豐富等情況,亟需構(gòu)建一張泛在、安全、可控、自主的企業(yè)移動物聯(lián)專網(wǎng)。
本文主要分析了,自從廣電獲得5G商用牌照正式入局移動通信以來,同時手握700MHz黃金頻譜資源,基于廣5G+WiFi6+LoRa的融合組網(wǎng),能夠保證企業(yè)多場景、多業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求,將會成為企業(yè)構(gòu)建移動物聯(lián)專網(wǎng)的首選解決方案。
物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things)的概念,最早是在1999年提出的,它的定義很簡單:把所有物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來,實現(xiàn)智能化識別和管理。用通俗的話來講,物聯(lián)網(wǎng)就是讓所有的東西都“連”起來,讓本來沒有生命的東西能“感應(yīng)”并“處理”信息,通過傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)傳送到指定的地方或人那里,反過來還可以進(jìn)行控制和指揮[1]。
經(jīng)過近二十年的發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到各行各業(yè)及尋常百姓家。同時,物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也呈現(xiàn)出一些新的趨勢:第一為連接對象普遍化,第二是應(yīng)用終端移動化,第三是物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)泛在化。
移動物聯(lián)網(wǎng)正是在這樣的背景下,由移動通信、智能終端、互聯(lián)網(wǎng)三大領(lǐng)域相互碰撞和融合而發(fā)展起來的,是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的最新模式和途徑。移動物聯(lián)網(wǎng)最為明顯的特征是物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)泛在化、服務(wù)范圍無縫化,通過最新一代的蜂窩通信等無線傳輸技術(shù),實現(xiàn)萬物互聯(lián)。
國際電信聯(lián)盟(ITU-T)定義了IoT通用參考架構(gòu)模型,在此基礎(chǔ)上,基于廣電網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及特點,提出一種簡化架構(gòu),由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、核心層構(gòu)成,如圖1所示。
圖1 基于廣電5G+WiFi6+LoRa融合組網(wǎng)的企業(yè)移動物聯(lián)專網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)
基于廣電5G+WiFi6+LoRa融合組網(wǎng)的企業(yè)移動物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),各組成部分如下。
(1)設(shè)備層
設(shè)備層主要包含企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用終端,如:專用三防終端、移動終端、傳感器設(shè)備等。設(shè)備的主要功能是,感知、識別物體或環(huán)境狀態(tài)并且實時采集、捕獲信息,信息則通過相應(yīng)的通信模組接收和發(fā)送。
(2)網(wǎng)絡(luò)層
網(wǎng)絡(luò)層,依托廣電融合組網(wǎng)架構(gòu),能夠全面納管5G、WiFi6、LoRa物聯(lián)網(wǎng)、有線網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)連接;同時,實現(xiàn)應(yīng)用層管理信息和數(shù)據(jù)信息的傳送,提供網(wǎng)絡(luò)連接的相關(guān)接入控制和安全功能。
(3)核心層
通過網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行接收和發(fā)送設(shè)備層所采集數(shù)據(jù)信息,最終達(dá)到核心層,實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、共享、處理、分析決策及與外部系統(tǒng)的擴(kuò)展對接。
可以看到,網(wǎng)絡(luò)層承擔(dān)了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)承上啟下的關(guān)鍵功能,可以說是企業(yè)構(gòu)建移動物聯(lián)網(wǎng)的重中之重。
各級政府、各個行業(yè)都在加快5G、物聯(lián)網(wǎng)等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和應(yīng)用的決策部署,加速傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型,《工業(yè)和信息化部辦公廳關(guān)于深入推進(jìn)移動物聯(lián)網(wǎng)全面發(fā)展的通知》已于2020年4月30日正式發(fā)布。可以預(yù)計,物聯(lián)網(wǎng)的跨界融合、集成創(chuàng)新和規(guī)?;l(fā)展,在促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級方面能夠起到巨大的作用。越來越多的大中型企業(yè)、園區(qū)將有更多的基于移動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字化、信息化需求。
隨著萬物互聯(lián)的蓬勃發(fā)展,企業(yè)專網(wǎng)接入的用戶和設(shè)備越來越多,無論是個人用戶,還是物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備,每時每刻都在產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。隨著數(shù)據(jù)量不斷增多,對于網(wǎng)絡(luò)的承載能力、擴(kuò)展能力的要求越來越高;隨著社會的發(fā)展,對運營商建網(wǎng)成本、運維質(zhì)量的要求越來越高;隨著企業(yè)的發(fā)展,對于可觀可控的移動物聯(lián)專網(wǎng)需求也越來越高[2]。
目前,大中型企業(yè),特別是工業(yè)/制造業(yè)等傳統(tǒng)企業(yè),普遍面臨著傳統(tǒng)布線難、網(wǎng)絡(luò)升級難、數(shù)據(jù)信息多,應(yīng)用終端多樣等情況,企業(yè)專網(wǎng)既需滿足人的辦公及消費娛樂接入需求,也需滿足企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營過程中物的連接需求。所以,亟需構(gòu)建一張泛在、安全、可控、自主的企業(yè)移動物聯(lián)專網(wǎng)。
眾所周知,三大傳統(tǒng)電信運營商目前的5G網(wǎng)絡(luò)部署主要集中在城區(qū),由于中高頻段的覆蓋有限、傳播損耗、穿透損耗較高和成本高昂的影響,欠發(fā)達(dá)地區(qū)、偏遠(yuǎn)地區(qū)、工廠園區(qū)等難以享受到5G發(fā)展紅利。
2020年1月,國家廣電總局發(fā)布《全國地面數(shù)字電視廣播頻率規(guī)劃》,對構(gòu)建新型地面數(shù)字電視傳輸覆蓋網(wǎng)進(jìn)行指導(dǎo);3月19日中國廣電700MHz頻段2×30/40MHz技術(shù)提案獲采納列入5G國際標(biāo)準(zhǔn),成為全球首個5G低頻段(Sub-1GHz)大帶寬5G網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn);3月24日,工信部發(fā)布的《關(guān)于推動5G加快發(fā)展的通知》指出,調(diào)整700MHz頻段頻率使用規(guī)劃,加快實施700MHz頻段5G頻率使用許可。由此,為未來700MHz頻段的5G建設(shè)奠基了基礎(chǔ)。
基于以上背景,廣電700MHz從“默默無聞”成為“備受矚目”的頻段。作為“黃金頻段”的700MHz,它具有信號傳播損耗低、穿透/繞射能力強(qiáng)、覆蓋范圍廣、組網(wǎng)成本低等優(yōu)勢特性,能夠更好地支持在5G高質(zhì)量廣域覆蓋和高速移動場景下的通信體驗以及海量的設(shè)備連接,可與中高頻的頻譜形成互補(bǔ),提供適宜的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案。可以說,廣電700MHz是我國電信普遍化服務(wù)一步邁入5G大帶寬時代的終極利器。5G各頻段覆蓋范圍及路徑損耗對比,如圖2所示。
圖2 5G各頻段覆蓋范圍及路徑損耗對比
根據(jù)我國當(dāng)前的頻譜分配情況,廣電5G 網(wǎng)絡(luò)將可采用700MHz頻段(NR FDD N28)以及4.9GHz頻段(NR TDD N79)作為5G工作頻段,綜合來看,廣電5G具有如下優(yōu)勢:
(1)頻譜資源優(yōu)勢。業(yè)界普遍認(rèn)為廣電擁有極佳的頻率,700MHz頻譜作為移動通信黃金頻率,具有覆蓋范圍廣的特點,繞射能力強(qiáng),700MHz在信號傳輸中損耗小,可有效解決覆蓋死角問題,非常適合復(fù)雜環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)覆蓋;傳輸效率高,更小的多普勒頻移,信號解調(diào)更可靠,可在高鐵、高速公路等高速移動場景應(yīng)用中取得更加的效果。同時,在高容量區(qū)域,也可通過系統(tǒng)容量更大的4.9GHz頻段進(jìn)行高低頻組合覆蓋,更好的支撐企業(yè)、用戶開展大容量的5G應(yīng)用發(fā)展。
(2)工程投資優(yōu)勢。700MHz頻段具有非常明顯的頻譜傳播優(yōu)勢,經(jīng)測算,在自由空間傳播模型下,以農(nóng)村覆蓋場景為例,比1.9GHz路損少8.2 dB,比2.6GHz路損少11.4dB。相對于采用傳統(tǒng)頻率進(jìn)行組網(wǎng)建設(shè),廣電5G最高可減少最高80%的站址投入,大幅節(jié)約網(wǎng)絡(luò)投資,所需的基站數(shù)量少,工程建設(shè)周期短,投資造價低等特點。
(3)業(yè)務(wù)發(fā)展優(yōu)勢。700MHz采用FDD,上下行頻率不同,具備上下行收發(fā)同時進(jìn)行的特點;而TDD上下行采用相同頻率,通過時隙配置來區(qū)分上下行,上下行轉(zhuǎn)換需要轉(zhuǎn)換器,會帶來約1 dB的插損和噪聲系數(shù),同時會產(chǎn)生一定時延。因此700MHz FDD在uRLLC低時延業(yè)務(wù)傳輸上也具備一定的優(yōu)勢,能夠為企業(yè)客戶提供更高質(zhì)量的5G數(shù)據(jù)和語音服務(wù)。
(4)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)勢。區(qū)別于運營商先NSA后SA的組網(wǎng)策略,廣電由于沒有歷史包袱,能夠直接以SA組網(wǎng)為高起點,更好的支撐企業(yè)mMTC類的應(yīng)用需求。同時,具備網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)極簡、運營維護(hù)極簡及商業(yè)模式極簡的特征,可實現(xiàn)云上一張網(wǎng)與云下一張網(wǎng)的構(gòu)造,極簡建網(wǎng)更加敏捷、智能、高效。
不同頻段不同場景下需要基站數(shù)對比,如表1所示。
表1 不同頻段不同場景下需要基站數(shù)對比
WiFi技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展,技術(shù)平滑演進(jìn),從早期的單天線、低速率、窄帶寬,主要面向公眾用戶的消費者應(yīng)用;逐步演進(jìn)后,增加MIMO天線數(shù)量,頻譜拓展至160MHz,同時引入MU-MIMO(類似5G的Massive MIMO)技術(shù)、OFDM編碼、OFDMA編碼,實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)能力的大幅提升,同時能夠面向物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。WiFi歷代標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)和新技術(shù)應(yīng)用情況,如表2所示。
表2 WiFi歷代標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)和新技術(shù)應(yīng)用情況
WiFi6與5G的對比,如表3所示,WiFi6相對于5G技術(shù)主要具備以下特點。
(1)部署成本:WiFi設(shè)備成本較低,每Bit成本約5G設(shè)備的1/30;
(2)流量費用:WiFi使用固網(wǎng)流量,整體資費不變的情況下可以實現(xiàn)速率和容量的提升;
(3)網(wǎng)絡(luò)覆蓋:5G主流頻段為2.6GHz、3.5GHz和4.9GHz等中高頻頻譜,而Wi-Fi使用2.4GHz為主、5GHz為輔的免費頻段,室內(nèi)穿透能力和覆蓋能力更強(qiáng);
(4)峰值速率:WiFi6峰值速率與5G峰值速率基本相當(dāng),最大傳輸速率理論都可以達(dá)到10Gbps左右。
(5)終端類型:WiFi基于MAC和IP地址尋址,不需要SIM卡,而5G設(shè)備需要SIM卡或USIM卡等模組才可以上網(wǎng),終端類型相對受限。
綜合來看,WiFi6能夠提供更大的容量、更低的時延,擁有更高的頻譜效率、覆蓋范圍,能夠進(jìn)一步擴(kuò)展WiFi的應(yīng)用場景,低時延高可靠的特性能夠?qū)崿F(xiàn)從企業(yè)家庭網(wǎng)絡(luò)向企業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。WiFi 6在帶寬、時延、連接密度等方面性能提升后,就增強(qiáng)了其場景適應(yīng)性,意味著其可應(yīng)用于多種業(yè)務(wù)場景。
表3 WiFi6與5G的對比
5G連續(xù)廣覆蓋的特點適合大范圍、高移動性、超低時延等應(yīng)用;WiFi6則更加適合室內(nèi)大容量高并發(fā)場景,能夠以更低的網(wǎng)絡(luò)成本,實現(xiàn)局域高性能無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋;5G與WiFi6在網(wǎng)絡(luò)性能和適用場景下,天然的具有差異化和互補(bǔ)性。雖然5G可以通過大量小基站實現(xiàn)室內(nèi)覆蓋、WiFi6也可以通過漫游調(diào)度功能實現(xiàn)室外連續(xù)覆蓋,但附加成本均很高。因此,在大中型企業(yè),多種應(yīng)用場景需求下,出于成本和組網(wǎng)便捷性考慮,5G和WiFi6的互補(bǔ)性,將能得到充分發(fā)揮。
LoRa(Long Range)作為低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)中的一種代表性技術(shù),具有得天獨厚的技術(shù)優(yōu)勢,專為低帶寬、低功耗、遠(yuǎn)距離、大量連接的LPWAN應(yīng)運而生。它最大特點就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠(yuǎn),實現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一,它在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無線射頻通信距離擴(kuò)大3~5倍。它能夠很好地實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通訊、長電池壽命、大系統(tǒng)容量、低硬件成本。而這些,正是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)所需要的。
LoRa在ISM(工業(yè),科學(xué),醫(yī)療)頻段使用未經(jīng)許可的無線電頻譜,頻率約為900MHz或430Mhz(世界各地的精確頻率各不相同)。使用未經(jīng)許可的頻譜意味著公司可以輕松推出網(wǎng)絡(luò),并為企業(yè)提供專用網(wǎng)絡(luò)。LoRa的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)比較簡單:終端節(jié)點采集數(shù)據(jù),然后把數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)基站,再匯總到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,最終送到應(yīng)用服務(wù)器。
相較于大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀拓?fù)?,易于不斷擴(kuò)張網(wǎng)絡(luò)規(guī)模,但缺點在于使用各種不相關(guān)的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)消息,路由迂回,增加了路由延時和總功耗。LoRa采用星狀拓?fù)洌═MD組網(wǎng)方式),網(wǎng)關(guān)星狀連接終端節(jié)點,但終端節(jié)點并不綁定唯一網(wǎng)關(guān),相反,終端節(jié)點的上行數(shù)據(jù)可發(fā)送給多個網(wǎng)關(guān)。理論上來說,用戶可以通過Mesh、點對點或者星形的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和架構(gòu)實現(xiàn)靈活組網(wǎng)。LoRa組網(wǎng)架構(gòu),如圖3所示。
圖3 LoRa組網(wǎng)架構(gòu)
LoRa與NB-IoT的對比[3],如表4所示,LoRa主要有以下優(yōu)勢特點:
(1)自主性方面
對客戶而言,使用NB-IoT主要依賴于運營商的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,在很多條件惡劣的地方,運營商的基礎(chǔ)設(shè)施并沒有完全覆蓋。而LoRa是一個更靈活的自主網(wǎng)絡(luò),工作在1GHz以下的非授權(quán)頻段(中國主要使用470-518MHz),不需要建設(shè)基站,無需申請即可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的建設(shè),在任何需要的地方,都可以進(jìn)行部署,企業(yè)能夠更加自主可控。
(2)安全性方面
LoRa專為安全性而設(shè)計,隨著更智能的解決方案被內(nèi)置到業(yè)務(wù)的各個方面,網(wǎng)絡(luò)安全變得至關(guān)重要。網(wǎng)絡(luò)需要既可靠運行又主動防御漏洞和惡意攻擊。只有正版和授權(quán)的設(shè)備才能成功連接到正版和授權(quán)的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)。這種端到端加密為每個網(wǎng)絡(luò)提供了全局唯一的標(biāo)識符,并且需要每個連接的設(shè)備提供有效的128位AES密鑰和標(biāo)識符。NBIoT是運營商網(wǎng)絡(luò),因此數(shù)據(jù)需先上傳傳到運營商的承載及核心網(wǎng)絡(luò),而部署屬于企業(yè)自己的私有LoRa網(wǎng)絡(luò)后,則更具安全性。
(3)覆蓋性能方面
LoRa工作在1GHz以下的非授權(quán)頻段(中國主要使用470-518MHz),頻譜優(yōu)勢更明顯,最遠(yuǎn)可覆蓋15KM,這意味著單個網(wǎng)關(guān)可以覆蓋700平方公里周圍的所有設(shè)備,且信息接收靈敏度最低可支持-148dBm。LoRa無線電調(diào)制允許深度室內(nèi)穿透,并增加了到達(dá)位于地下的水表或煤氣表的傳感器的能力。
(4)投資成本方面
基于LoRa網(wǎng)絡(luò)的私有特性,企業(yè)完成部署后,后續(xù)在承載應(yīng)用時不需要額外支付通信服務(wù)或流量費用。且,LoRa設(shè)備的通信模組價格也普遍比NB-IoT更低,對于企業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)終端的一次性投入也能大幅下降。同時,LoRa設(shè)備待機(jī)功耗200nA級別,電池壽命高達(dá)10年,對于企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的低成本運營意義重大。對于設(shè)備,通信模塊的價格在10美元范圍內(nèi),未經(jīng)許可的頻譜意味著連接的成本僅為1美元/年[4]。
表4 LoRa與NB-IoT的對比
LoRa 因其功耗低,傳輸距離遠(yuǎn),組網(wǎng)靈活等諸多特性與物聯(lián)網(wǎng)碎片化、低成本、大連接的需求十分的契合,因此被廣泛部署在智慧園區(qū)、智能樓宇、智能儀表、智慧農(nóng)業(yè)、智能物流等多個垂直行業(yè),前景廣闊。
依托得天獨厚的有線電視網(wǎng)絡(luò)資源及移動通信頻譜資源,廣電網(wǎng)絡(luò)公司可致力于有線/無線通信技術(shù)、信息技術(shù)與行業(yè)應(yīng)用的加速融合,在為用戶提供傳統(tǒng)的視頻應(yīng)用服務(wù)的同時,也可進(jìn)行廣電5G、WiFi6無線專網(wǎng)、LoRa物聯(lián)專網(wǎng)及寬帶接入網(wǎng)的建設(shè)及運營,共同組成多網(wǎng)一體、寬窄兼容、動靜結(jié)合、人機(jī)互聯(lián)、先進(jìn)泛在的新一代融合通信網(wǎng)絡(luò)[5]。
基于廣電5G+WiFi6+LoRa融合組網(wǎng)架構(gòu),如圖4所示。
圖4 基于廣電5G+WiFi6+LoRa融合組網(wǎng)架構(gòu)
因此,基于廣電5G+WiFi6+LoRa,采用統(tǒng)分結(jié)合、高低搭配、室內(nèi)外協(xié)同的融合組網(wǎng)解決方案,將能充分發(fā)揮移動通信網(wǎng)絡(luò)與私有無線專網(wǎng)的互補(bǔ)優(yōu)勢,滿足企業(yè)內(nèi)部不同的應(yīng)用場景需求:針對室外廣覆蓋的高速率、高可靠性需求,可通過5G連接;針對室內(nèi)大帶寬、多連接的需求,可通過WiFi6連接;針對廣覆蓋的低帶寬、低功耗需求,可通過LoRa連接。企業(yè)內(nèi)部不同的應(yīng)用場景需求,如圖5所示。
圖5 企業(yè)內(nèi)部不同的應(yīng)用場景需求
移動物聯(lián)網(wǎng)引爆數(shù)字經(jīng)濟(jì)時代,企業(yè)生產(chǎn)方式從過去的機(jī)械式生產(chǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的智能化生產(chǎn)為主,企業(yè)數(shù)據(jù)來源從過去的人工收集變?yōu)楝F(xiàn)在的自動回傳分析,企業(yè)經(jīng)營從過去的粗放探索變?yōu)楝F(xiàn)在的精細(xì)管理。
如果繼續(xù)使用傳統(tǒng)組網(wǎng)模式,勢必會延續(xù)覆蓋質(zhì)量不佳的現(xiàn)狀,造成網(wǎng)絡(luò)頻繁擁塞的情況,無法保證企業(yè)多場景、多業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求?;趶V電5G+WiFi6+LoRa融合組網(wǎng)的解決方案,將能充分發(fā)揮移動通信網(wǎng)絡(luò)與私有無線專網(wǎng)的互補(bǔ)優(yōu)勢,構(gòu)建一張泛在、安全、可控、自主的企業(yè)移動物聯(lián)專網(wǎng),為企業(yè)用戶帶來高速率、高安全、高自主、高可控的網(wǎng)絡(luò)運營及體驗。從而支撐行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型更廣泛的場景與更大的價值創(chuàng)造,實現(xiàn)企業(yè)人與物、物與物、物與網(wǎng)絡(luò)之間的全面互聯(lián),提升企業(yè)的管理水平和運營效率。