物联网与中国的下一代广播技术展望

汪凯凯，罗 宁，曹 志，何大治，丁良辉

(1.上海交通大学，上海 200240； 2.上海中侨职业技术学院，上海 20131； 3.国家广播电影电视总局广播电视规划院，北京 100866)

随着科技的进步，通信网络由原来的人与人、人与物之间的网络，发展到现在的物与物之间的互联，这就是物联网(Internet of Things，IOT)。物联网在物与物之间协作连接，可以应用到各种不同的领域，比如农业、工业、环境、能源、医疗、智能家居等领域。物联网的业务种类繁多，难以用单一技术满足。针对大带宽、低时延的高速率(>10 Mbps)业务，比如自动驾驶，一般采用LTE-V技术；针对时延在100 ms级的中速率(<1 Mbps)业务，比如穿戴设备、POS机等，主要采用的是eMTC和2G M2M等技术。近些年来，低速率(<200 Kbps)业务增长迅速，这类业务具有深度覆盖、超低功耗、超低成本、海量链接和时延不敏感的特点，被统称为LPWA(Low Power Wide Area, 低功耗广覆盖)类业务[1]，现有的3G/4G技术从成本上无法满足要求。目前全球范围内，针对LPWA业务的物联网技术从频段授权情况角度可以两类：一类是授权频段的广域网技术，以3GPP定义的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)技术为代表；另一类是非授权频段的广域网技术，主要以Lora等技术为代表[2]。

目前，全球对于部署NB-IOT的主流频段分别是800 MHz和900 MHz，中国电信会选择将NB-IOT部署在800 MHz频段上，中国联通会选择900 MHz来部署NB-IOT，中国移动则会重耕现有的900 MHz频段[3]。根据通信原理，载波频率与信号的传输距离呈负相关，载波频率越高，信号的传输距离越短，从而使得基站的覆盖面积也就越小，因此采用低频段更有利于建设网络。在中国，无线电管理委员会负责频谱的行政分配制度，由广电控制的频率为500 MHz到900 MHz左右的频段用于传播广播电视使用，随着电视由原来的模拟信号转向数字信号，多套不同的节目可以压缩到原来模拟频段的带宽内，可以释放出约100 MHz的带宽[4]。由于500 MHz频段的低频特性，基站的覆盖面积大，将会大大降低建造成本，因此广电在建造物联网网络时，可以考虑在500 MHz频段上建立物联网。此外，由于广电一直负责广播电视的传播，在全国各地建设了大量广播电视塔，这些广播电视塔的覆盖半径超过50 km，丰富的塔站资源使广电有能力进行物联网技术的研究和部署。

党的十九大提出要推进新型城镇化建设，新型城镇化很重要的一点就是进行集约化、绿色化发展，在这个过程中，信息化手段能够提供重要的支持。利用信息化技术和物联网技术进行感知，将城市与农村的医疗、养老、教育等民生系统进行对接[5]，促进新型城镇化的发展。小城镇在发展过程中，3G/4G等技术才刚刚起步，但广播电视技术在农村地区具备深厚的基础，覆盖范围广，广电在新型城镇化过程中应该抓住机遇，开展围绕广播的物联网网络的建设。

1 NB-IOT技术方案

2015年12月，华为、高通、爱立信等公司组成的NB-IOT工作组，提出了NB-IOT技术方案，并在2016年6月获得3GPP RAN批准。NB-IOT技术是一种可与现有蜂窝网融合演进的低成本、高可靠性、超低功耗广域物联网技术，其网络架构与现有的4G网络架构基本一致[3]，NB-IOT的网络总体架构如图1所示。在NB-IOT的网络架构中，包括：NB-IOT用户终端、E-UTRAN基站(即eNodeB)、服务网关(S-SW)、移动性管理实体(MME)、归属用户签约服务器(HSS)、PDN网关(P-GW)、服务能力开放单元(SCEF)、第三方应用服务器(AS)和第三方服务能力服务器(SCS)[6]。

图1 NB-IOT网络总体架构

NB-IOT支持三种操作模式，分别是：(1)Stand-alone：独立载波组网；(2)Guard-band：利用LTE系统边缘保护带上未被使用的资源块进行部署；(3)In-band：资源块来自LTE系统。

NB-IOT的下行链路和上行链路带宽都是180 kHz，对于下行链路，采用的是OFDM方式，在上述三种操作模式下都是15kHz的子载波间隔[6]，而对于上行链路，NB-IOT的技术方案提供了两种传输方式，单频音(Single-tone)传输和多频音(Multi-tone)传输，其中Single-tone技术是为了支持更好的覆盖、获得更大的容量与降低终端损耗，而Multi-tone技术是为了支持更大的峰值速率，Single-tone传输采用15 kHz和3.75 kHz两种子载波间隔，而Multi-tone模式仅采用15 kHz这一种子载波间隔。在覆盖增强场景下，3.75 kHz子载波间隔比15 kHz子载波间隔性能更好，可以提供更大的系统容量。在In-band场景下，采用15 kHz子载波间隔则比3.75 kHz子载波间隔效果更好，因为采用15 KHz子载波间隔使得IOT系统具有更好的LTE兼容性[3]。NB-IOT系统的小区上行峰值速率为261.6 Kbps，下行峰值速率为226.6 Kbps，对于时延不敏感的应用场景上，NB-IOT的单个扇区可以支持大约50 K的用户接入，覆盖范围为15 km。

2 LoRa

LoRa(Long Range)技术是由Semetech公司在2013年发布的。传统无线系统一般采用频移键控(FSK)作为物理层的调制方式，FSK是一种低功耗调制手段。LoRa采用chirp扩频调制的方式，其在低功率特性方面的表现与FSK相当，但由于chirp调频信号占用的频带带宽远大于信息带宽，因此可以得到较高的系统处理增益，使得采用chirp调制技术的LoRa覆盖范围大大增加。在军事通信领域，chirp扩频调制由于通信距离远，抗干扰能力强，得到了广泛的应用，但是在民用方面用的较少，主要是成本太高，不利于推广，LoRa是第一个采用这种扩频方式实现的低成本商业应用。LoRa网络工作在非授权的频段上，前期的基础建设和运营投入不高，成本较低。

图2所示为LoRa的网络架构，由四个部分组成，分别是终端节点、集中器/网关、网络服务器以及应用层服务器。网状网络架构在部署网络的时候经常被使用，在网状网络中，各个端节点转发其他节点的信息以增加网络的通信范围和小区大小。尽管通过节点信息转发可以增加覆盖范围，但复杂性也因此大幅增加，因为节点接收并转发来自其他节点的信息可能与其无关，降低了网络容量，并减少了电池的使用寿命。LoRa采用的是长距离星型架构，终端节点和网关之间可以直接进行通信，避免了因为转发无用信息造成某个节点的资源浪费，从而影响整个网络的生存周期，有效延长了电池的使用寿命[7]。LoRa的终端节点有三种工作模式，即Class A(功率最低的双向终端设备)、Class B(具有确定性下行链路延迟的双向终端设备)和Class C(最低延迟的双向终端设备)，但同一时间只能选取一种工作模式。不同工作模式的能量消耗和数据传输的速率不同，一般通过软件根据不同的场景进行选取。

图2 LoRa网络架构

针对中国的农村地区来说，大规模地实行基于NB-IOT或LoRa的物联网技术缺陷较为突出。主要原因包含以下几个方面：

(1)农村地区没有高大的建筑物，干扰较小，适用于大范围覆盖的技术的应用，而NB-IOT技术和LoRa技术的覆盖范围在15 km左右。为了将农村地区全部覆盖，需要建立更多的基站和配套设施，不利于物联网技术在农村地区的拓展；

(2)NB-IOT技术需要与现有的网络架构进行融合，由于农村地区的网络建设不完善，可能需要先对农村地区的网络进行升级，但是农村地区相对于城市地区来说，人口密集度小，运营商提供的服务相对有限，因此在农村地区建设基于NB-IOT的物联网网络成本非常高，且收益不明显；

(3)基于LoRa技术物联网技术采用独立建网的方式，且LoRa技术工作在非授权频段，会受到其他频率的干扰，干扰不可控，可靠性差。

(4)由于基于NB-IOT技术和LoRa技术一个扇区类的用户的数量分别为50 k和10 k，为了满足农村的用户接入数量的要求，需要建立多个扇区进行覆盖。

农村地区的物联网服务包含多种方面的内容，比如应急广播系统、智慧农业、环境监测等等，对推进智慧农村建设和新型城镇化进程具有重要意义。但由于农村地区本身的条件限制，现有的物联网技术框架并不能直接应用于农村地区物联网的建设，农村地区的物联网发展需要一种符合农村地区实际情况的新技术。

上海交通大学和数字电视国家工程中心为美国下一代数字电视标准ATSC 3.0设计了专用回传信道的提案，此方案现在已经是ATSC3.0 A/323的候选标准，利用此方案可以很好地解决农村地区目前物联网建设中遇到的问题。数字电视广播服务在中国农村地区具有良好的基础，通过在中国发展下一代数字电视广播技术，农村地区不仅可以接受到更高质量的音视频服务，还可以通过专用回传信道，将信息回传到服务端。通过这项技术，可以围绕数字电视广播技术构建中国农村地区的物联网。

3 DRC概述

专用回传信道(Dedicated Return Channel, DRC)支持ATSC 3.0系统中的交互式服务，而不依赖于其他非ATSC 3.0网络基础设施。在ATSC 3.0中，用于交互式服务的下行链路广播信道和专用返回信道使用不同的RF频率(即频分双工，FDD)。这意味着，在原有的ATSC3.0 系统中，不仅可以传输广播电视信息到用户端，而且用户端可以将用户侧的数据通过DRC回传到服务器。这种数据传输策略为ATSC 3.0系统与物联网的结合提供了契机，从而可以构建一套新的依赖于广播系统的物联网技术。

3.1 DRC上行终端

图3为DRC上行终端的系统架构。DRC上行链路终端包含三个模块，分别是：自动重传请求(Automatic Repeat-reQuest，ARQ)模块、链路自适应模块以及随机接入模块。ARQ模块用于重传在传输过程中丢失的数据包；链路自适应模块用于DRC上行链路的自适应调制和信道编码；当DRC上行终端与BTS(带DRC基站模块的ATSC3.0发射机)有建立连接时，随机接入模块用于DRC上行终端的初始接入。当BAT(带DRC基站模块的ATSC3.0接收机)失去与BTS的同步时，该过程也被启动。

图3 DRC上行终端的系统架构

3.2 DRC的典型应用

当存在BAT和BTS之间的视距路径时，DRC上行链路的覆盖范围可达100 km[8]。但是，在城市地区，由于路径损耗较大，覆盖范围会缩小。考虑到不同的路径损耗，在DRC系统操作中DRC上行链路与中继是可行的。

图4为BTS和BAT使用中继与不使用中继的两种场景。若不使用中继，所有的BAT都和BTS进行直接通信。在使用中继的情况下，下行链路广播应直接从BTS传输到所有BAT。然而，DRC上行链路应从BAT传输到中继站，然后中继站应通过高速有线或无线网络将收到的信号转发到BTS，延迟时间较短。中继站对所有的BAT都应该是透明的，从中继站到BTS的转发信号应该是来自模数转换或解码后的MAC PDU(Protocol Data Unit，协议数据单元)的原始数据。中继站的数量、中继站将信号转发给BTS的方案以及BTS利用该信号的方案由网络运营商确定。

图4 DRC的两种典型应用

3.3 DRC上行链路帧结构和调制

DRC上行链路采用具有循环前缀(CP)的单载波频分多址(SC-FDMA)方式。图5描述了数据比特通过卷积Turbo编码、调制、NDFT点DFT变换、子载波映射、NIFFT点IFFT变换、P/S(IFFT产生的复数值的并行到串行转换)、添加循环前缀、DAC/RF(数模转换/射频)等过程产生SC-FDMA的信号。在调制方式上，DRC采用BPSK，QPSK和16QAM三种不同的调制方式[9]。

图5 SC-FDMA信号生成结构图

在时域上，上行链路每个上行帧的长度TF= 10 msec，包含44个SC-FDMA符号以及一个保护间隔(GP)，DRC不能在GP上传送信息。在频域上有2048个子载波，这些子载波编号从0到2047。DRC上行链路支持不同的传输带宽，为了适应不同的带宽，DRC系统将不同带宽下的有效子载波数量定义为NA。时域上的一个SC-FDMA符号和频域上的一个子载波组成的资源单元被称为一个小区，若用k和l分别表示频域和时域的索引，则一个小区可由索引对(k,l)唯一指定。频域上子载波索引为1到180的小区和时域上索引为0到15的SC-FDMA符号将被保留为用于随机接入的物理随机接入信道(PRACH)资源，DRC上行链路帧内其他有效的小区可用作物理层上行共享信道(PUSCH)的传输。

4 基于DRC的物联网系统方案

图6表示的是包含DRC功能的ATSC3.0系统架构。BTS和BAT通过无线信道进行通信，BTS在频率f0上发送下行链路的有效数据，接收机在频率f1上接收DRC上行链路数据；相反的，BAT在频率f0上接收下行链路的数据，在f1上发送DRC上行链路数据。其中下行链路数据包含音视频数据、交互服务器的指令数据以及物联网服务器对物联网节点发送的请求信息，上行数据主要是用户向交互服务器发送的请求以及物联网节点根据收到的请求发送到物联网服务器业务信息。

在BTS中，通过ATSC3.0的网关，可以将音视频信息发送到ATSC3.0的发射机。ATSC3.0网关的主要功能是将ATSC3.0数据链路层(ALP)的数据包封装成基带(BBP)数据包，并把这些数据包送到发射机进行发送。在网关配置上，ATSC3.0系统采用特有的PLP(物理层管道)技术，每个PLP都映射到IP协议的不同端口，DRC下行链路信令和数据也以具有特定IP端口的ALP数据包的形式发送到网关。BAT中的ATSC 3.0接收机接收来自不同PLP的信息，并将DRC的同步信息，信令信息以及与DRC相关得数据信息与传统广播服务数据分离，DRC同步和信令数据被发送到DRC上行链路网关以便处理和维护。

图6 基于DRC的物联网系统结构图

5 DRC与LPWA技术对比

表1为DRC技术与常见的物联网技术NB-IOT，LoRa以及Sigfox在技术指标上的对比，通过对比可以发现，DRC技术的峰值速率、典型容量以及覆盖范围方面明显优于其他几种技术。图7所示DRC与其他几种LPWA技术的包错误率(RER)与每分钟接收信息的关系曲线，通过图中的曲线可以看出，DRC和NB-IOT在PER上的表现远远优于LoRa和Sigfox。当每分钟信息数达到2.1×104时，Sigfox和LoRa技术的PER接近100%，也就是说此时Sigfox和LoRa在此时已经完全失效。DRC和NB-IOT由于带宽大，峰值速率高，支持的用户数量多，因此保持相对比较低的PER。DRC占用的带宽比NB-IOT要多，因此其在PER上的表现优于NB-IOT。

表11 DRC与LPWA技术参数对比

技术参数NB-IOTLoRaSigfoxDRC信道带宽200KHz7.8 KHz-500 KHz多种带宽100 Hz6 MHz调制方式下行:OFDMA上行:SC-FDMALoRa(线性扩频调制)上行:DBPSK下行:GFSK上行:BPSK,QPSK,16QAM下行:QPSK,QAM峰值速率上行:261.6 Kbps下行:226.6 Kbps37.5 Kbps上行:100 bps下行:600 bps1.66 Mbps典型容量50K2 K-50 K11.7 K300 K覆盖距离城区:1-8 km郊区:～25 km城区:2～5 km郊区:～15 km城区:3～10 km郊区:30～50 km郊区:>50 km移动性<30 km/h低速或静止静止低速或静止频谱安全性授权频段GUL牌照波段,有基于成熟核心网认证鉴权机制无执照波段,用户认证鉴权由应用层完成,安全性低国内无可用频段,用户鉴权由应用层完成,安全性低采用广播授权频段,支持多种带宽模式,有成熟的用户认证鉴权建网成本可复用LTE频谱和站点,若无LTE站点,则需要建立先LTE站点独立建设网络独立建设网络,成本投入大依托数字电视广播,成本低

图7 包错误率对比

DRC具备长距离、高速率、容量大、易于部署等特点，未来必定会成为LPWA技术之一。针对中国农村地区面积大，干扰小，且基础网络建设相对落后的现状，DRC技术相对于其他的物联网技术方案具有非常大的优越性。因此，广电在中国开展下一代数字电视广播技术的研究时，不仅要提升数字电视广播质量，还要积极投入到物联网部署当中，充分利用500 MHz频段的优势和广电现有丰富的塔站资源，将DRC的优越性与农村现有的条件结合起来，在新型城镇化建设过程中抓住机遇。

6 结束语

目前，基于DRC的物联网系统方案样机系统已经搭建完成，通过这套系统，用户不仅可以接收到高质量的音视频资源，还可以实时地通过DRC与交互服务器进行交互。此外，通过DRC构建的智能家居监测系统能够实时监测室内的温度、湿度、PM2.5等环境信息。未来此系统将会应用到更多其他方面，比如教育、医疗、智慧农业、环境监测。伴随着人工智能，大数据的兴起，具有广覆盖、高速率等特点的DRC技术对于未来农村地区的物联网建设具有重要的意义。