基于低功耗广域网构建新型水联网的探讨

何小梅, 龙振华, 何姣云

(湖北省水利水电职业技术学院，湖北 武汉 430072)

1 水联网的发展背景

1.1 物联网的概念及其应用

物联网就是物物相连的互联网，英文名：Internet of things(IOT)。其有两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。

物联网通过智能感知、识别技术、普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。从根本上看，物联网是互联网发展过程中的新的延展。与其说物联网是网络，不如说物联网是业务和应用。因此，应用创新是物联网发展的核心，以用户体验为核心的创新是物联网发展的灵魂。作为中国五大新兴战略性产业之一的物联网，在互联网+的浪潮下，正在应用到各行各业，包括汽车行业、电力行业、智慧城市等领域。物联网在水利行业的应用，可称为水联网。

1.2 水联网发展现状、阶段及作用

经过几十年的发展，各种大大小小的水利工程遍布全国，而且随着科技的进步，这些水利工程实行了操作的自动化，同时部分工程还进行了本地信息化的改造，极大提升了水利工程的运行效率。随着物联网时代的到来，在过去水利信息化发展的基础上，水联网应运而生，有学者称之为水利行业4.0。

早期的水利信息化建设主要是自动化，即信息自动采集、设备自动化控制为主要特征；后来逐步发展到通过互联网实现各个孤立系统的互联，实现跨区域跨部门的协助，以信息化为主要特征，包括互联互通、信息系统集成、信息综合展示等；在新的时代下，水利信息化又围绕着物联网、大数据、云计算、智能决策等方向构建全新的智慧水利。而水联网就是智慧水利最基础的数据采集平台。

1.3 水联网的数据采集与特征

水利行业涉及面较广，涉及到水工结构专业、水文水资源专业、农田水利专业等，构成水利行业的数据较多。同时水利行业在数据采集与传输方面有如下特征：①所在区域的基础设施条件整体弱于城市，特别是电力基础设施和网络基础设施；②除去水利工程的设备房，大多数数据采集点分散，涉及到采集面积较广；③信息采集点的数据相对低频，即间断性传输即可；④偶发性事件较多，临时性数据采集是常态，需要快速布设数据采集点，同时也需要快速取消。这就意味着水联网的构建，要考虑如下因素：①功耗要低，才能解决电源损耗问题；②网络布设成本要低，才能高效构建物联网平台；③传输距离要远，同时穿透性要强，才能适合水利工程的各类场景；④相关数据的传输对带宽要求不高，同时能够快速布置。

以上特征，从物联网的角度看，水利行业的数据更多的是小数据，小数据具有显著的自身特性：①业务相关性强，系统运维中对此类数据需求强烈；②海量数据，分布广，分散性强，部分不易供电，连接难；③单数据价值密度低，集合后成大数据特征，蕴含价值高；④状态变化缓慢稳定，呈现稳态特性，采集频次需求低；⑤日常关注度低，影响较大。因此，水联网的建设，对物联网的架构就有了全新的需求。

2 低功耗广域网的发展背景

2.1 物联网与互联网架构的巨大差异

物联网时代的到来，使得终端设备日益剧增，传统的解决思路是进一步拓展网络地址空间容量(例如IPv6技术)，然而这种在20世纪70年代形成的主机到主机互联协议从根本上限制了物联网优势的发挥。一般而言，支持IP协议设备由六个部分组成，即MAC/物理层(射频等)、接收机、发射机、存储器、操作系统、处理器及输出输入接口，而物联网协议设备由四个部分组成，包括物理层(射频等)、发送机或者接收机、调制器和探测器等。很显然，传统网络架构在海量的小数据面前，成本支出和效率是极大的浪费。因此物联网架构应该只提供最小的必要开销，切中要害，实现效率最大化和成本最小化。

2.2 新型物联网架构的核心理念

新的物联网架构的核心理念在于对网络进行三层功能划分，从而容许网络在必要的时间和必要的地点进行必要的组网能力部署。这三层架构主要包括：①终端设备，物联网边缘的海量终端设备；②转发节点，提供传统物联网的数据传输及网关功能；③汇聚单位，提供数据分析、控制以及物联网人机接口(图1)。

2.3 低功耗广域网的特征及与与现有网络传输技术的性能对比

基于新的物联网的核心理念，为满足各行各业的小数据连接需求，低功耗广域网(Low-Power Wide-Area Network，简称LPWAN)应运而生。LPWAN的核心本质就是解决三层新型物联网架构中网状转发节点的问题，构建一个低成本、高效率的转发方式。目前，LPWAN 是物联网领域研究和应用开发的新热点，特别适合小数据连接，与现有通信专网融合，将成为物联网发展的重要支撑。LPWAN 物联网技术具备自身优势：低成本，网络基站仅在万元级或以下，终端芯片不到2美元；超低功耗，传感终端休眠功耗低至微安甚至纳安级，0.5 AH电量电池可支持传感终端多达10 年工作(需要长寿命电池)；广覆盖，相比传统蜂窝无线网和小无线技术，具备更强的穿透能力和覆盖能力；低速率，根据使用条件和业务模型，从10 bit/s到100 kbit/s不等；灵活部署，授权频段的LPWAN 技术可采用独立部署、保护带部署、带内部署等；海量接入，LPWAN 是可支持亿级海量接入的物联网络。LPWAN与其他主流的传输方式的功能对比如表1所示。

图1 三层新型物联网架构

表1 LPWAN与其他传输方式的性能对比表

3 基于LPWAN构建混合型的新型水联网架构

基于LPWAN的物联网平台如图2所示。

图2 基于LPWAN的物联网平台

4 LPWAN在水联网的应用前景展望

2018年我国低功耗广域网(Low Power Wide Area Network，LPWAN)市场成长显著，逐渐成为推动物联网连接数快速增长的重要推动力。2019年，NB-IoT与LoRa将继续领跑全球LPWAN市场、NB-IoT产业链和价值链将进一步完善、LoRa将迎来重大发展机遇、LPWAN应用深度和广度将进一步拓展。与此同时需关注以下问题：市场碎片化程度较高、产业核心技术薄弱、物联网安全问题凸显、垂直行业应用尚未普及。基于此建议，一是统筹不同制式低功耗广域物联网协同发展，二是加强低功耗广域物联网核心技术攻关，三是推进物联网安全保障体系建设，四是加快低功耗广域物联网商业化进程。

2018年全球物联网进一步加速发展，尤其是低功耗广域网领域，以NB-IoT为代表的蜂窝LPWAN和以LoRa为代表的非蜂窝LPWAN都取得了不俗的成绩。2019年NB-IoT与LoRa将继续领跑全球LPWAN市场、NB-IoT产业链和价值链将进一步完善、LoRa将迎来重大发展机遇、LPWAN应用深度和广度将进一步拓展。但与此同时，我国LPWAN发展还存在市场碎片化程度较高、产业核心技术薄弱、物联网安全问题凸显以及垂直行业应用尚未普及等问题，机遇与挑战并存。