基于广电5G+WiFi6+LoRa融合的企业移动物联专网方案研究*

王斯荟

（广东智慧广电物联网科技有限公司，广东 广州 510630）

0 引言

移动物联网的发展让大中型企业不论是在运作方式还是在业务拓展范围方面都产生许多变化，而且对一个企业规模发展和运营都具有重大意义。目前，大中型企业普遍面临着传统布线难、网络升级难、数据信息多，应用终端丰富等情况，亟需构建一张泛在、安全、可控、自主的企业移动物联专网。

本文主要分析了，自从广电获得5G商用牌照正式入局移动通信以来，同时手握700MHz黄金频谱资源，基于广5G+WiFi6+LoRa的融合组网，能够保证企业多场景、多业务应用的需求，将会成为企业构建移动物联专网的首选解决方案。

1 移动物联网概述

1.1 移动物联网的发展现状

物联网（Internet of things）的概念，最早是在1999年提出的，它的定义很简单：把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。用通俗的话来讲，物联网就是让所有的东西都“连”起来，让本来没有生命的东西能“感应”并“处理”信息，通过传输的网络传送到指定的地方或人那里，反过来还可以进行控制和指挥[1]。

经过近二十年的发展，物联网技术的应用已经渗透到各行各业及寻常百姓家。同时，物联网的发展也呈现出一些新的趋势：第一为连接对象普遍化，第二是应用终端移动化，第三是物联网络泛在化。

移动物联网正是在这样的背景下，由移动通信、智能终端、互联网三大领域相互碰撞和融合而发展起来的，是物联网发展的最新模式和途径。移动物联网最为明显的特征是物联网络泛在化、服务范围无缝化，通过最新一代的蜂窝通信等无线传输技术，实现万物互联。

1.2 移动物联网的基本架构

国际电信联盟（ITU-T）定义了IoT通用参考架构模型，在此基础上，基于广电网络现状及特点，提出一种简化架构，由应用层、网络层、核心层构成，如图1所示。

图1 基于广电5G+WiFi6+LoRa融合组网的企业移动物联专网系统架构

基于广电5G+WiFi6+LoRa融合组网的企业移动物联网系统，各组成部分如下。

（1）设备层

设备层主要包含企业物联网应用终端，如：专用三防终端、移动终端、传感器设备等。设备的主要功能是，感知、识别物体或环境状态并且实时采集、捕获信息，信息则通过相应的通信模组接收和发送。

（2）网络层

网络层，依托广电融合组网架构，能够全面纳管5G、WiFi6、LoRa物联网、有线网络等基础连接；同时，实现应用层管理信息和数据信息的传送，提供网络连接的相关接入控制和安全功能。

（3）核心层

通过网络层进行接收和发送设备层所采集数据信息，最终达到核心层，实现数据存储、共享、处理、分析决策及与外部系统的扩展对接。

可以看到，网络层承担了物联网系统承上启下的关键功能，可以说是企业构建移动物联网的重中之重。

1.3 企业对移动物联专网的需求分析

各级政府、各个行业都在加快5G、物联网等新型基础设施建设和应用的决策部署，加速传统产业数字化转型，《工业和信息化部办公厅关于深入推进移动物联网全面发展的通知》已于2020年4月30日正式发布。可以预计，物联网的跨界融合、集成创新和规模化发展，在促进传统产业转型升级方面能够起到巨大的作用。越来越多的大中型企业、园区将有更多的基于移动物联网技术的数字化、信息化需求。

随着万物互联的蓬勃发展，企业专网接入的用户和设备越来越多，无论是个人用户，还是物联网接入设备，每时每刻都在产生大量的数据。随着数据量不断增多，对于网络的承载能力、扩展能力的要求越来越高；随着社会的发展，对运营商建网成本、运维质量的要求越来越高；随着企业的发展，对于可观可控的移动物联专网需求也越来越高[2]。

目前，大中型企业，特别是工业/制造业等传统企业，普遍面临着传统布线难、网络升级难、数据信息多，应用终端多样等情况，企业专网既需满足人的办公及消费娱乐接入需求，也需满足企业生产经营过程中物的连接需求。所以，亟需构建一张泛在、安全、可控、自主的企业移动物联专网。

2 广电5G的技术特点及组网优势

众所周知，三大传统电信运营商目前的5G网络部署主要集中在城区，由于中高频段的覆盖有限、传播损耗、穿透损耗较高和成本高昂的影响，欠发达地区、偏远地区、工厂园区等难以享受到5G发展红利。

2020年1月，国家广电总局发布《全国地面数字电视广播频率规划》，对构建新型地面数字电视传输覆盖网进行指导；3月19日中国广电700MHz频段2×30/40MHz技术提案获采纳列入5G国际标准，成为全球首个5G低频段（Sub-1GHz）大带宽5G网络标准；3月24日，工信部发布的《关于推动5G加快发展的通知》指出，调整700MHz频段频率使用规划，加快实施700MHz频段5G频率使用许可。由此，为未来700MHz频段的5G建设奠基了基础。

基于以上背景，广电700MHz从“默默无闻”成为“备受瞩目”的频段。作为“黄金频段”的700MHz，它具有信号传播损耗低、穿透/绕射能力强、覆盖范围广、组网成本低等优势特性，能够更好地支持在5G高质量广域覆盖和高速移动场景下的通信体验以及海量的设备连接，可与中高频的频谱形成互补，提供适宜的5G网络覆盖方案。可以说，广电700MHz是我国电信普遍化服务一步迈入5G大带宽时代的终极利器。5G各频段覆盖范围及路径损耗对比，如图2所示。

图2 5G各频段覆盖范围及路径损耗对比

根据我国当前的频谱分配情况，广电5G 网络将可采用700MHz频段（NR FDD N28）以及4.9GHz频段（NR TDD N79）作为5G工作频段，综合来看，广电5G具有如下优势：

（1）频谱资源优势。业界普遍认为广电拥有极佳的频率，700MHz频谱作为移动通信黄金频率，具有覆盖范围广的特点，绕射能力强，700MHz在信号传输中损耗小，可有效解决覆盖死角问题，非常适合复杂环境下的网络覆盖；传输效率高，更小的多普勒频移，信号解调更可靠，可在高铁、高速公路等高速移动场景应用中取得更加的效果。同时，在高容量区域，也可通过系统容量更大的4.9GHz频段进行高低频组合覆盖，更好的支撑企业、用户开展大容量的5G应用发展。

（2）工程投资优势。700MHz频段具有非常明显的频谱传播优势，经测算，在自由空间传播模型下，以农村覆盖场景为例，比1.9GHz路损少8.2 dB，比2.6GHz路损少11.4dB。相对于采用传统频率进行组网建设，广电5G最高可减少最高80%的站址投入，大幅节约网络投资，所需的基站数量少，工程建设周期短，投资造价低等特点。

（3）业务发展优势。700MHz采用FDD，上下行频率不同，具备上下行收发同时进行的特点；而TDD上下行采用相同频率，通过时隙配置来区分上下行，上下行转换需要转换器，会带来约1 dB的插损和噪声系数，同时会产生一定时延。因此700MHz FDD在uRLLC低时延业务传输上也具备一定的优势，能够为企业客户提供更高质量的5G数据和语音服务。

（4）网络架构优势。区别于运营商先NSA后SA的组网策略，广电由于没有历史包袱，能够直接以SA组网为高起点，更好的支撑企业mMTC类的应用需求。同时，具备网络架构极简、运营维护极简及商业模式极简的特征，可实现云上一张网与云下一张网的构造，极简建网更加敏捷、智能、高效。

不同频段不同场景下需要基站数对比，如表1所示。

表1 不同频段不同场景下需要基站数对比

3 WiFi6的技术特点及组网优势

WiFi技术经过多年发展，技术平滑演进，从早期的单天线、低速率、窄带宽，主要面向公众用户的消费者应用；逐步演进后，增加MIMO天线数量，频谱拓展至160MHz，同时引入MU-MIMO（类似5G的Massive MIMO）技术、OFDM编码、OFDMA编码，实现了网络能力的大幅提升，同时能够面向物联网服务。WiFi历代标准演进和新技术应用情况，如表2所示。

表2 WiFi历代标准演进和新技术应用情况

WiFi6与5G的对比，如表3所示，WiFi6相对于5G技术主要具备以下特点。

（1）部署成本：WiFi设备成本较低，每Bit成本约5G设备的1/30；

（2）流量费用：WiFi使用固网流量，整体资费不变的情况下可以实现速率和容量的提升；

（3）网络覆盖：5G主流频段为2.6GHz、3.5GHz和4.9GHz等中高频频谱，而Wi-Fi使用2.4GHz为主、5GHz为辅的免费频段，室内穿透能力和覆盖能力更强；

（4）峰值速率：WiFi6峰值速率与5G峰值速率基本相当，最大传输速率理论都可以达到10Gbps左右。

（5）终端类型：WiFi基于MAC和IP地址寻址，不需要SIM卡，而5G设备需要SIM卡或USIM卡等模组才可以上网，终端类型相对受限。

综合来看，WiFi6能够提供更大的容量、更低的时延，拥有更高的频谱效率、覆盖范围，能够进一步扩展WiFi的应用场景，低时延高可靠的特性能够实现从企业家庭网络向企业生产网络的扩展。WiFi 6在带宽、时延、连接密度等方面性能提升后，就增强了其场景适应性，意味着其可应用于多种业务场景。

表3 WiFi6与5G的对比

5G连续广覆盖的特点适合大范围、高移动性、超低时延等应用；WiFi6则更加适合室内大容量高并发场景，能够以更低的网络成本，实现局域高性能无线网络覆盖；5G与WiFi6在网络性能和适用场景下，天然的具有差异化和互补性。虽然5G可以通过大量小基站实现室内覆盖、WiFi6也可以通过漫游调度功能实现室外连续覆盖，但附加成本均很高。因此，在大中型企业，多种应用场景需求下，出于成本和组网便捷性考虑，5G和WiFi6的互补性，将能得到充分发挥。

4 LoRa的技术特点及组网优势

LoRa（Long Range）作为低功耗广域网（LPWAN）中的一种代表性技术，具有得天独厚的技术优势，专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的LPWAN应运而生。它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3～5倍。它能够很好地实现远距离通讯、长电池寿命、大系统容量、低硬件成本。而这些，正是物联网（IoT）所需要的。

LoRa在ISM（工业，科学，医疗）频段使用未经许可的无线电频谱，频率约为900MHz或430Mhz（世界各地的精确频率各不相同）。使用未经许可的频谱意味着公司可以轻松推出网络，并为企业提供专用网络。LoRa的网络架构比较简单：终端节点采集数据，然后把数据发送给网关基站，再汇总到网络服务器，最终送到应用服务器。

相较于大多数的网络采用网状拓扑，易于不断扩张网络规模，但缺点在于使用各种不相关的节点转发消息，路由迂回，增加了路由延时和总功耗。LoRa采用星状拓扑（TMD组网方式），网关星状连接终端节点，但终端节点并不绑定唯一网关，相反，终端节点的上行数据可发送给多个网关。理论上来说，用户可以通过Mesh、点对点或者星形的网络协议和架构实现灵活组网。LoRa组网架构，如图3所示。

图3 LoRa组网架构

LoRa与NB-IoT的对比[3]，如表4所示，LoRa主要有以下优势特点：

（1）自主性方面

对客户而言，使用NB-IoT主要依赖于运营商的基础网络设施，在很多条件恶劣的地方，运营商的基础设施并没有完全覆盖。而LoRa是一个更灵活的自主网络，工作在1GHz以下的非授权频段（中国主要使用470-518MHz），不需要建设基站，无需申请即可进行网络的建设，在任何需要的地方，都可以进行部署，企业能够更加自主可控。

（2）安全性方面

LoRa专为安全性而设计，随着更智能的解决方案被内置到业务的各个方面，网络安全变得至关重要。网络需要既可靠运行又主动防御漏洞和恶意攻击。只有正版和授权的设备才能成功连接到正版和授权的LoRaWAN网络。这种端到端加密为每个网络提供了全局唯一的标识符，并且需要每个连接的设备提供有效的128位AES密钥和标识符。NBIoT是运营商网络，因此数据需先上传传到运营商的承载及核心网络，而部署属于企业自己的私有LoRa网络后，则更具安全性。

（3）覆盖性能方面

LoRa工作在1GHz以下的非授权频段（中国主要使用470-518MHz），频谱优势更明显，最远可覆盖15KM，这意味着单个网关可以覆盖700平方公里周围的所有设备，且信息接收灵敏度最低可支持-148dBm。LoRa无线电调制允许深度室内穿透，并增加了到达位于地下的水表或煤气表的传感器的能力。

（4）投资成本方面

基于LoRa网络的私有特性，企业完成部署后，后续在承载应用时不需要额外支付通信服务或流量费用。且，LoRa设备的通信模组价格也普遍比NB-IoT更低，对于企业的物联网终端的一次性投入也能大幅下降。同时，LoRa设备待机功耗200nA级别，电池寿命高达10年，对于企业物联网的低成本运营意义重大。对于设备，通信模块的价格在10美元范围内，未经许可的频谱意味着连接的成本仅为1美元/年[4]。

表4 LoRa与NB-IoT的对比

LoRa 因其功耗低，传输距离远，组网灵活等诸多特性与物联网碎片化、低成本、大连接的需求十分的契合，因此被广泛部署在智慧园区、智能楼宇、智能仪表、智慧农业、智能物流等多个垂直行业，前景广阔。

5 基于广电5G+WiFi6+LoRa融合组网的解决方案

依托得天独厚的有线电视网络资源及移动通信频谱资源，广电网络公司可致力于有线/无线通信技术、信息技术与行业应用的加速融合，在为用户提供传统的视频应用服务的同时，也可进行广电5G、WiFi6无线专网、LoRa物联专网及宽带接入网的建设及运营，共同组成多网一体、宽窄兼容、动静结合、人机互联、先进泛在的新一代融合通信网络[5]。

基于广电5G+WiFi6+LoRa融合组网架构，如图4所示。

图4 基于广电5G+WiFi6+LoRa融合组网架构

因此，基于广电5G+WiFi6+LoRa，采用统分结合、高低搭配、室内外协同的融合组网解决方案，将能充分发挥移动通信网络与私有无线专网的互补优势，满足企业内部不同的应用场景需求：针对室外广覆盖的高速率、高可靠性需求，可通过5G连接；针对室内大带宽、多连接的需求，可通过WiFi6连接；针对广覆盖的低带宽、低功耗需求，可通过LoRa连接。企业内部不同的应用场景需求，如图5所示。

图5 企业内部不同的应用场景需求

6 总结及展望

移动物联网引爆数字经济时代，企业生产方式从过去的机械式生产变为现在的智能化生产为主，企业数据来源从过去的人工收集变为现在的自动回传分析，企业经营从过去的粗放探索变为现在的精细管理。

如果继续使用传统组网模式，势必会延续覆盖质量不佳的现状，造成网络频繁拥塞的情况，无法保证企业多场景、多业务应用的需求。基于广电5G+WiFi6+LoRa融合组网的解决方案，将能充分发挥移动通信网络与私有无线专网的互补优势，构建一张泛在、安全、可控、自主的企业移动物联专网，为企业用户带来高速率、高安全、高自主、高可控的网络运营及体验。从而支撑行业数字化转型更广泛的场景与更大的价值创造，实现企业人与物、物与物、物与网络之间的全面互联，提升企业的管理水平和运营效率。