专网物联网技术研究

孙鹏飞，宋振苏，于洋

（1.哈尔滨工业大学通信技术研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；2.公安部科技信息化局，北京 100741；3.哈尔滨海能达科技有限公司，黑龙江 哈尔滨 150028）

1 引言

移动互联网技术的不断进步不但实现了人与人的连接，而且逐渐向人与物、物与物连接的方向演进。万物互联是时代发展的必然趋势，物联网技术正越来越迅速而深刻地改变着人们的生活与工作方式。LPWAN（Low Power Wide Area Network，低功耗广域网）技术是物联网的远距无线接入技术，具有低功耗、广覆盖、海量连接等特点，广泛应用于智慧城市、智能交通等领域。当前主流的LPWAN技术包括LoRa、Sigfox、NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）等。LoRa是美国Semtech公司主推的工作在免授权频段，基于扩频体制的远距无线接入技术[1]。法国Sigfox公司通过采用私有的超窄带技术实现系统覆盖性能的提高[2]。NB-IoT是由3GPP制定的基于蜂窝网络的LPWAN技术，可直接部署于公用蜂窝网络，以降低部署成本，实现平滑升级[3]。但在传统的专网移动通信VHF（Very High Frequency，甚高频）和UHF（Ultra High Frequency，特高频）授权频段，目前并没有相应的LPWAN技术来满足行业用户对物联网的需求。因此，本文聚焦行业用户对物联网的应用需求，提出一种基于窄带授权频谱，具备远、中、近多种数据传输能力的低功耗物联网技术：P-IoT（Private-Internet of Things，专网物联网），并探讨其技术的必要性、可行性与产品技术路线。

2 P-IoT技术的必要性

专网通信与公网通信并存的局面已经维持多年，技术更先进、网络覆盖更好的公网之所以一直没能完全取代专网，其根本原因在于行业用户与普通大众的通信需求存在较大差异。公网不能满足行业用户的全部需求，尽管近年来随着公网的快速发展已经实现了部分需求，并成功渗透到某些行业（如公网对讲业务），但在关键业务方面还不能完全取代专网。因此，目前公共安全等行业用户仍在使用专用数字集群系统以开展指挥调度业务。

未来，专网行业用户对物联网的需求迫切。近几年，专网指挥调度技术飞速发展。融合语音、视频、大量传感器数据，并结合大数据、云计算、人工智能实现高效预判和决策，成为第三代指挥调度的典型特征。行业用户的非关键物联网数据可以租用公网NBIoT传输，也可以新建LPWAN专网传输。但如果行业用户已依托授权频谱建设了语音通信网络基础设施，在原语音通信基础上叠加物联网数据业务则是最经济快捷的方法，这比租用及时性得不到保证的公网NBIoT、使用免授权频段新建安全性、可靠性得不到保证的LoRa等物联网技术更具优势。

在安全性方面，现有LPWAN技术对数据安全的保护不足。这表现在以下几方面：一是防窃听能力弱，对关键数据、用户隐私及终端位置等信息保护不足；二是防伪造能力弱，对非法感知设备和伪造的数据鉴别能力不强；三是防攻击能力弱，对非法设备利用窃取到的历史数据发起攻击的抵御能力较差；四是访问控制能力弱，防止设备与数据被非法使用或访问的措施不足等。

在可靠性方面，现有LPWAN技术无法满足行业用户对网络的高可靠性需求。NB-IoT因其自身的公网特点，无法做到网络自主可控，如在公共安全领域，当暴恐事件发生时，因无法对专网物联网在禁用与使用状态间自主切换，使NB-IoT无法满足公安用户反恐处突的实战需求。而LoRa等技术又由于工作在共用的非授权频段，因此极易产生相互干扰，关键数据在较恶劣的信道条件下传输，数据可靠性得不到任何保证[4]。

在服务质量方面，现有LPWAN技术无法提供高及时性的QoS（Quality of Service，服务质量）保障。公网特征决定了NB-IoT更侧重于网络的公平性，它不会将关键数据的传输设成高优先级业务等级并提供专用的业务信道等保障措施，因此数据的及时性很难保证。即使未来随着技术的不断改进，NB-IoT的网络时延能够达到秒级，其与关键业务往往要求时延小于1 s（甚至小于300 ms）的及时性要求仍然相距甚远。为了节省终端能耗，LoRa等技术采用不连续传输体制，只有当终端被唤醒时才会继续传输上行数据，网络时延不可控。另外，在海量设备连接的场景下，上行LoRa数据帧之间难免会发生相互碰撞，此时终端通过退避重传的机制往往需要重传几十次才能发送成功，网络时延极大。表1给出了各种技术的网络时延性能。由表1可知，满足关键数据传输时延小于秒级要求的仅有P-IoT技术。

表1 网络时延性能对比表

根据上述分析，未来行业用户的专网物联网需求应由多种技术共同来满足，可能包括NB-IoT、LoRa等技术，但采用低功耗、广覆盖、低时延、安全可靠的专网物联网P-IoT技术，利用已有频谱、自建专网实现物联网数据传输非常必要。与公网、专网通信并存现状类似，P-IoT技术也将长期与公网NB-IoT技术并存。

3 P-IoT技术的可行性

物联网上下行业务不对称，往往以上行为主、下行为辅。限于篇幅，本文仅对P-IoT上行链路做技术可行性分析。对下行链路分析，与上行方法类似，在此不再赘述。

为使多种技术的性能对比更为公平合理，本文设定的统一业务场景为：终端工作在室外环境，终端与基站间可存在遮挡；使用UHF频段；终端采用两节5号碱性电池供电，电池总容量为5 400 mAh；终端固定且独立放置，忽略移动性及人体损耗对系统性能的影响；终端感知数据上报周期T0为1 h，时隙长度Tslot为30 ms，一个T0内总数据量Ntotal为28.8 kbit。

3.1 技术特点

为兼容现有专网技术体制，如PDT（Private Digital Trunking，专用数字集群）专网，P-IoT目前采用4FSK（Frequency Shift Keying，频移键控）调制技术。4FSK是一种成熟技术，其覆盖能力等优势在专网语音通信的多年实践中已得到充分验证。通过定制芯片、轻量级协议栈设计等方式，P-IoT可实现低功耗的目标。同时，为满足节点设备的海量接入，实现“无限互联”，P-IoT技术采用周期上报与突发竞争接入相结合的接入机制。此外，P-IoT正尝试采用多调制模式，如通过BPSK（Binary Phase Shift Keying，二进制相移键控）调制以进一步提高覆盖能力，通过QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅调制）调制技术以提高系统传输能力等，以更好地适配专网物联网的多业务应用场景。

3.2 覆盖能力

MAPL（Maximum Allowable Path Loss，最大允许路径损耗）是衡量系统覆盖能力的一个重要指标。MAPL对数形式的表达式为[5]：

其中Ptxmax、Gtx、Ltx、Prx、Grx、Lrx、LFM、Gmd、Lpl分别表示最大发射功率、发射端增益、发射端损耗、接收机灵敏度、接收天线增益、接收馈线损耗、衰落余量、分集增益与穿墙损耗。考虑室外应用场景时式，式(1)中最后一项穿墙损耗Lpl为0。

在远距离模式下，P-IoT的最大发射功率Ptxmax为33 dBm，接收机灵敏度Prx为-132.5 dB，接收天线增益Grx为10 dBi、分集增益Gmd为3 dB等[6]，将前述参数代入到式(1)可得P-IoT的MAPL为178.5 dB。LoRa、Sigfox、NB-IoT的最大允许路径损耗MAPL分别为168 dB[7]、164 dB[8]、162 dB[9]。因此， P-IoT在链路预算上较其他三种技术有大于10 dB的提升，具有极强的覆盖能力。而覆盖能力是衡量物联网LPWAN技术的核心指标之一。室外场景下，覆盖能力强意味着P-IoT可用较少数量的基站覆盖相同区域，建网与运维成本较低；室内场景下，覆盖能力强意味着P-IoT可克服穿墙损耗等不利因素，实现室内的深度覆盖，满足行业用户的室内物联网应用需求。

3.3 终端功耗

一个上报周期T0内的总能耗Wtotal可表示为：

并发症情况：A组出现10例（33.33%）并发症，其中7例为切口愈合不良，2例为神经根损伤，1例为椎板关节突螺钉完全进入椎管致马尾神经损伤；B组出现2例（6.67%）并发症，其中1例为硬膜囊破裂，1例为椎弓根骨折；C组出现1例（3.33%）并发症，为硬膜囊破裂；D组出现3例（2.94%）并发症，1例为发生迟发性椎管内血肿，1例为迟发性切口感染，1例为终板损伤。置钉失败例数A组为6.66%，B组、C组均为3.33%，D组为0.98%。

其中Iwork、Isleep分别表示节点设备的发射电流与休眠电流，Twork、Tsleep分别表示节点设备在一个上报周期T0内的工作时间与休眠时间。

按照前述设定的业务场景，感知数据的上报周期T0为1 h，一个上报周期T0内的总数据量Ntotal为28.8 kbit，P-IoT节点设备传输速率为9.6 kbit·s-1，发射电流为57 mA，休眠电流为1 μA，由式(2)可计算出P-IoT节点设备1小时内的总能耗为 4.85×10-2mAh。若电池总容量为5 400 mAh，则P-IoT的电池使用寿命为12.7年。类似地，可计算出LoRa、Sigfox、NB-IoT相应的电池使用寿命，如表2所示。需说明的是表2中计算电池使用寿命时未将重传机制考虑在内，若考虑重传，这一指标将会相应降低。

表2 电池使用寿命对比表

由表2可知，P-IoT的电池使用寿命最长，后面依次是NB-IoT、LoRa、Sigfox。电池使用寿命的计算结果表明：P-IoT技术较其他技术的省电能力更强。这得益于P-IoT的轻量级协议设计，包括在控制面与信令面均进行了优化设计，最大限度地减少了信令开销。此外，P-IoT还设计了休眠模式，在不发送数据时，无需时刻监听下行信道，节点设备进入休眠模式后几乎不耗电；只有当定时器超时后，节点设备被唤醒，才会重新与系统进行数据交互。综合利用前述多种省电方案，P-IoT的功耗处于较低水平，这极大降低了专网物联网在运营中因频繁更换电池产生的人力运维成本。

3.4 系统容量

系统最大容量Nmax的表达式为：

其中，ω表示周期上报时间占总时间的权重系数，ωT0表示周期上报时间；Tslot表示时隙长度；N1表示突发竞争接入的终端数，在突发竞争接入时间内，系统遵循时隙ALOHA协议。因考察的是系统容量上限，故假定周期上报的终端不进行突发竞争接入，反之亦然。

按照前述的业务场景，上报周期T0为1 h，时隙长度Tslot为3 ms，ω取0.8，经计算，周期上报时间内系统可容纳9.6万节点设备。通过系统仿真，得到突发竞争接入时间内系统归一化吞吐量随竞争接入终端数变化的曲线，如图1所示。由图1可知，为使系统吞吐量最大，竞争接入终端数为2.4万。据此，由式(3)可求得P-IoT单站的系统容量为12万。LoRa单网关最大可接入6.3万节点设备[7]，NB-IoT单小区可支持5万的接入量[9]、Sigfox单基站最大连接数为100万[8]。由此可见，从系统容量的维度比较，Sigfox的性能最优，P-IoT次优，但明显胜过LoRa与NB-IoT。

综上分析，在覆盖能力、终端功耗与系统容量的综合指标对比中，P-IoT性能优势显著，表明其在技术上是可行的，是专网物联网远距无线接入技术的首选。

图1 系统归一化吞吐量曲线

4 技术路线

4.1 自主可控

4.2 平滑扩展

目前，部分行业用户已在全国范围内建设了通信专网，如PDT专网[10]，具备了直接在原有网络基础上构建专网物联网的条件。为此，P-IoT可以利用现有专网通信系统的频谱和基础设施资源，通过“共用硬件、升级软件”的方式，建设行业专网物联网。这将极大地节约网络建设成本，最大限度地保护已有投资。

当前，窄带专网通信系统正在不断引进宽带硬件平台，以支持宽窄带融合业务。预计未来几年内，将会出现大量的具备宽带数据传输能力的专网通信系统。一旦窄带语音通信系统在硬件上具备宽带传输能力，也就预示着该系统具备了传输更高速率数据的能力。这也将为P-IoT实现更高传输速率、更省电的通信手段提供基础条件。基于宽带专网平台，P-IoT可采用更为灵活的技术手段（如频谱效率更高的QAM调制、OFDM技术等），实现高、中、低多速率可选模式，以更好地适配专网物联网的多业务应用场景。

4.3 业务兼容

基于冗余、可靠性考虑，专网通信系统往往为轻载设计。据统计，当前专网通信系统的信道利用率通常不超过30%，以公共安全使用5 MHz带宽的频谱资源为例，在频谱不做空间复用的前提下，单个系统70%的空闲态就潜藏着1.2 GB/小时的巨大传输能力。专网系统自主可控的特点，使新增业务和已有业务彼此兼容、有效协调成为可能。为此，需要P-IoT在不影响语音业务的前提下，通过复用空闲信道资源的方式提供物联网增值服务，以提高频谱利用率和系统使用价值。

4.4 标准国际化

目前，基于窄带授权频谱的相关标准无论在国内还是国际均是空白。随着行业用户对专网物联网业务需求的提升，起草并发布相关的国家及行业标准十分必要。这不仅可以确保技术的标准一致性，维护良好电磁环境，且有利于将分散的投资集中起来，形成产业规模，促进专网物联网产业的良性发展，甚至可推进有关标准上升为国际标准，占领国际制高点。

5 结束语

P-IoT技术在国家高度重视总体安全观，行业用户对专网物联网需求迫切的背景下应运而生。该技术是一种自主可控、为行业专网定制、满足行业用户对安全性、实时性等特殊需求的LPWAN技术。本文在对P-IoT技术必要性分析的基础上，重点研究了P-IoT的技术可行性，特别是在覆盖能力、终端功耗、系统容量等关键指标方面，经与LoRa、Sigfox、NB-IoT的性能对比，证明了P-IoT在多项关键技术指标上极具竞争力，能为行业用户提供海量连接、低功耗、广覆盖、高安全、低时延的专网物联网服务能力。最后对专网物联网的技术路线进行了探讨，为今后专网物联网的建设与发展提供参考。