北斗的下一個機遇
——基于星基LPWAN的物聯網體系

● 文 |中國航天工業科學技術咨詢有限公司 藺陸洲

武漢艾斯迪信息技術有限公司 闞志峰

北斗的下一個機遇
——基于星基LPWAN的物聯網體系

● 文 |中國航天工業科學技術咨詢有限公司 藺陸洲

武漢艾斯迪信息技術有限公司 闞志峰

低功耗廣域網絡（Low Power Wide Area Network， LPWAN）的出現成為滿足物聯網遠距離和大數量無線通信的關鍵性技術。與當初設計移動蜂窩通信技術主要是用于人與人的通信不同，LPWAN技術是一種革命性的物聯網接入技術，具有遠距離、低功耗、低運維成本、大接入量等特點，與現有的WiFi、藍牙、ZigBee等短距離無線通信技術和3G、4G、5G等蜂窩網絡遠距無線通信技術相比，LPWAN真正實現了大區域物聯網的低成本和全覆蓋[1]。LPWAN的數據傳輸距離，在復雜的城市環境中達到3km以上，空曠地域高達15km以上，穿透性較強，很多惡劣環境下也能保證信號的穩定；它還支持窄帶數據傳輸，網絡通信成本極低；此外，由于低數據傳輸速率，基于LPWAN的設備功耗極低，一個普通電池便可支撐數年甚至十多年之久[2]。雖然3G、4G蜂窩網絡的快速部署和5G的研發在一定程度上推進了物聯網的落地，但是當前移動蜂窩網絡的承載能力并不足以支撐物與物的連接，最終實現物聯網的將是LPWAN。由于物聯網碎片化需求的典型特征，一張廣域覆蓋的LPWAN網絡可以實現不同行業、不同用戶隨時隨地的設備接入，成為單個用戶、行業應用乃至智慧城市發展的重要基礎設施。

物聯網是通過通信技術在人與物、物與物之間進行連接的網絡。目前的發展方興未艾，但在目前成熟的物聯網構成技術中，信息通信無法在較大范圍內接入大量終端設備，同時終端能量供應的持續性也存在很大問題。當前，新興的LPWAN作為一種低功率遠距離的數據傳輸技術，解決了制約物聯網發展的這一瓶頸，特別是在通信網絡覆蓋困難的應用場景中，如果能利用北斗衛星導航系統的短報文通信功能，可實現LPWAN的網絡無障礙全覆蓋，從而建立星基LPWAN的物聯網體系。星基LPWAN的建立，將補充物聯網在信息通信方面的短板，這一突破性技術的應用，不僅是物聯網發展中的重要機遇，也是北斗衛星導航系統在其應用發展中不可錯過的機遇。

一、LPWAN在物聯網體系中的應用

物聯網的出現為世界信息產業帶來了繼計算機、互聯網和移動通信網之后的又一次發展浪潮，給IT和通信業帶來了廣闊的新市場[3]。物聯網作為一個全新的技術領域，在現有的網絡連接中，短距離的連接可以通過WiFi、藍牙、Zigbee等局域網的通信連接方式進行連接，但是對于范圍廣、距離遠的情況，則缺乏有效的遠距離通信技術。目前，在物聯網的廣域連接方面，一般是借助電信運營商提供的GPRS、3G、4G、5G等蜂窩網絡進行連接，實現不同地域之間物聯網終端之間的互聯互通。

雖然在交通、物流、制造、科研等各個行業的物聯網應用終端目前可以廣泛采用蜂窩網絡進行連接，但是蜂窩網絡技術在廣域和復雜環境下存在網絡覆蓋和信號強度不足的問題，無法保障數據的穩定傳輸，而且對接入數量的限制也使得大量設備接入的需求無法得到滿足。實際上，現有物聯網中的大量終端設備分布在廣闊的領域[4]。這類設備需要傳輸的數據量少且傳輸頻率不高，例如市政網絡中的水、燃氣等計量表，路燈，井蓋與戶外的氣象、水文、山體數據采集設備等，這些設備如果采用當前電信運營商提供的為高寬帶而設計的網絡，則不僅占用網絡、號碼等資源，浪費帶寬，而且還會產生不小的費用。此外，高耗電量帶來的對持續電力供應需求的壓力，也將成為一個難以解決的問題。

看到LPWAN技術的優勢，不少公司已經開始行動，并推動了SigFox和LoRa等多種LPWAN技術標準的商業化，另外也有不少其他的技術標準正處在不斷的研發和商業化的過程中[5]。然而，目前將數據進行互聯的LPWAN技術重點在于解決終端設備接入網關的問題，如何將數據從網關傳輸到廣域網并為用戶所用這一問題，尚未得到有效的解決。

當前解決數據從網關（即LPWAN到廣域網的協議轉換器）傳輸到廣域網的方式，主要依靠2G、3G、4G等蜂窩通信技術進行數據的匯集傳輸。考慮一些特殊應用場景中沒有主干通信網絡的情況，使用衛星通信成為了一個很好的選擇。特別是世界范圍內，大范圍分布的設備由于所在地難以接入主干通信網絡，嚴重地限制了LPWAN網絡的架設。例如，分布在一個偏遠地區的氣象數據采集傳感器就存在這樣的困難。同時，考慮到很多發展中國家缺少主干通信網絡的現實情況，使用衛星通信的LPWAN網絡為這些地區建立物聯網提供了可能，見圖1。

圖1 星基LPWAN物聯網體系示意圖

二、北斗與LPWAN的結合

北斗衛星導航系統是我國自主建設、獨立運行，并與世界其他衛星導航系統兼容共用的全球衛星導航系統。北斗導航系統從最初的設計開始，就實現了導航通信的一體化，而這正是北斗系統的后發優勢所在。北斗系統的主任務是衛星導航，提供定位、測速、單雙向授時的服務，同時還具備短報文的通信功能。從技術特性上看，短報文已經屬于衛星通信業務。北斗系統的短報文通信功能，使用的頻率包括S頻段（2491.75±4.08）MHz和L頻段（1615.68±4.08）MHz[6]。北斗系統短報文通信具有用戶機與用戶機、用戶機與地面控制中心之間雙向數字報文通信功能，一般的用戶機一次可傳輸36個漢字或72個字節，申請核準的用戶可以一次傳送120個漢字或240個字節。短報文不僅可進行點對點的雙向通信，而且可進行一點對多點的廣播傳輸，為各種平臺應用提供了極大便利。

短報文通信作為北斗的特色優勢，從目前來看尚未得到充分的挖掘和運用，不論在海洋、漁業領域的短消息應用還是應急通信領域中的應用，均是基于傳統的信息通信模式，尚無顛覆性的技術和模式能夠發揮北斗短報文通信所具有的特殊優勢。在物聯網如火如荼的發展中，LPWAN技術的發展為北斗應用的發展帶來了前所未有的機遇。LPWAN傳輸的信息均為傳輸量少且通信頻率不高的數據，完全符合北斗短報文通信的要求。只需要在LPWAN技術中進行簡單的改造，即可實現基于星基的LPWAN技術，從而解決在特定場景中LPWAN網絡數據從網關傳輸到廣域網困難的問題，使得分布廣泛且連接形式多樣、數量眾多的終端設備，可以在缺少主干通信網絡的情況下接入廣域網，進而形成物聯網服務。具體而言，在一般的LPWAN網關中加入北斗短報文模塊即可實現這一功能（見圖2）。物聯網中各終端設備產生的數據，通過LPWAN進入網關，由處理器對數據進行處理后，向北斗短報文模塊發送數據，最后由北斗短報文模塊將其發出。

LPWAN的網絡運營商可以通過星基LPWAN技術解決特定場景下與主干通信網絡難以連接的問題，從而大大提高了LPWAN的連接效率，這不僅對LPWAN技術的發展有著革命性的推動，同時也對北斗的應用有極大的促進作用，將對北斗RDSS的應用產生顛覆性影響。原有的北斗短報文應用模式要求每個終端都配備一個北斗RDSS的模塊，較高的花費、高耗電量等問題嚴重的限制了北斗短報文通信功能的應用。在應用終端加入了LPWAN技術后，可以在5～40km的范圍內布設LPWAN網絡，然后在LPWAN網絡的網關內加入北斗RDSS終端，由北斗終端進行收集、編輯和傳輸，不僅解決了物聯網信息傳輸的問題，同時也有效地推動了北斗短報文的廣泛應用。LPWAN與北斗的結合，拓展了北斗短報文通信功能在新領域的應用，北斗系統可以為數據傳輸量小且傳輸頻率低的終端系統提供服務，星基LPWAN技術的創新服務應用，將成為北斗產業發展新的增長點。

圖2 星基LPWAN網關結構圖

三、構建基于星基LPWAN技術的物聯網體系

物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和拓展的網絡，其用戶端延伸和拓展到了任何物品與物品之間，進行信息的交換和通信。物聯網的實現需要依靠可靠的傳遞，只有通過各種網絡與互聯網的融合，才能將物品的信息實時準確地傳遞出去。物聯網信息的傳遞需要依靠各種專用網絡、互聯網、有線和無線通信網、網絡管理系統和云計算平臺等，通信技術是傳遞和處理各種傳感器信息的基礎。星基LPWAN物聯網體系的構建，對于物聯網的技術進步、產業鏈發展、國家戰略的實施和國際合作的開展具有重要的意義。

首先，在技術進步的層面上，星基LPWAN物聯網體系的建立可以推動相關技術的進步?；谛腔鵏PWAN技術可以解決物聯網在現有蜂窩技術下不能大規模應用的問題，特別是滿足了大量設備之間聯網的需求。通過利用北斗短報文的功能，不僅可以節省大量電信運營商的高寬帶網絡資源，降低物聯網的建設成本，同時可以提高北斗短報文通信業務的使用效率，進而刺激相關技術的研究和發展，在各個應用行業內開發出基于LPWAN技術的其它突破性技術，并形成新的商業模式。作為一種高回報的投入領域，星基LPWAN必將引領相關技術的快速發展。作為高回報的投入模式，星基LPWAN的物聯網體系建設是通信技術、物聯網技術和北斗系統相關技術發展中一個不可錯過的機遇。

其次，在產業發展的層面上，星基LPWAN物聯網體系的建立可以形成新的產業鏈，帶動導航產業和通信產業的新一輪發展，是衛星應用產業的下一個熱點。與任何通信網絡的建設相伴的，是整個產業鏈的協同發展和成熟，這對于星基LPWAN網絡的發展也同樣重要，廣域覆蓋的基于星基的運營商級LPWAN網絡，需要標準、硬件、軟件、運營、服務等產業鏈各環節企業和相關主管部門的共同努力。LPWAN家族中LoRa技術的發展，就始于研發廠商SemTech發起成立的LoRa聯盟，聯盟帶動了產業鏈各環節的重點企業開展標準研發和應用推廣[7]。相對于單個用戶或行業自建的網絡，建設廣域覆蓋的星基LPWAN運營商級網絡難度更大，其中網關與導航衛星短報文通信的結合就是難點之一。在傳統的短報文通信中，信息可以進行簡單的傳輸，而在運營商級網絡中，大量不同行業、不同用戶接入的設備會有很多并發性數據傳輸需求，網關需要將所有信息進行整理和分類并排列優先級，相關技術的研究需要投入大量的人力、物力和財力。圍繞網關設備推出通信轉換模組、數據交換中心等融合的一體化方案，才可能支撐星基LPWAN運營商級網絡的建設。相關企業在模組、軟件、應用等方面的研發也同樣重要。作為北斗衛星導航系統的全新應用領域，接下來還需要更多合作方的共同參與，才能將該產業鏈推向成熟。當然，在經濟進入新常態后，星基LPWAN產業的發展將是經濟增長的新引擎，其帶動作用使得阻礙產業鏈形成的困難基本都可以被有效的克服。

再次，在國家戰略的層面上，星基LPWAN物聯網體系的建設是落實國家戰略的有力抓手。國家大力支持北斗衛星導航和物聯網的建設，在2016年6月發布的《中國北斗衛星導航系統》白皮書中提出了“構建產業創新體系”的要求，其中特別指出“促進產業融合發展?！七M衛星導航與物聯網、地理信息、衛星遙感/通信、移動互聯網等新興產業融合發展，推動大眾創業、萬眾創新，大力提升產業創新能力?！毙腔鵏PWAN物聯網體系的建設將成為國家落實衛星導航和物聯網發展的重要項目，在國家發展的層面上具有重要意義。

最后，在國際合作的層面上，星基LPWAN物聯網體系的建設是推進國際合作的強勁動力。隨著北斗系統全球建設的逐步開展，如果短報文通信的業務區由現在的區域擴展到全球，那么星基LPWAN的服務也將覆蓋全球。當然，如果北斗短報文通信服務未能在全球開展，其技術驗證的結果，也可以為基于其它衛星通信手段的星基LPWAN提供重要而有益的參考?？紤]到目前一些發展中國家沒有主干通信網絡，同時建設主干通信網絡存在各類困難，建設星基LPWAN的網絡為這些發展中國家提供了使用物聯網的可能，特別是針對“一帶一路”沿線國家，受制于自然地理條件、資金、技術、國家體制等多方面的困難，星基LPWAN的物聯網體系為這些國家的發展注入了全新的動力，而星基LPWAN物聯網的建設與北斗系統“服務全球、造福人類”的理念是完全一致的，發展中國家和絲路國家的星基LPWAN網絡建設，將是推動中國開展各類國際合作的有效手段。

物聯網需求的碎片化決定了設備連接形式的多樣性和分布的廣泛性，就低功耗設備來說，基于安全、便捷接入、成本收益等方面考慮，基于星基LPWAN網絡為物聯網的實現提供了可能。物聯網需要一個全新的專用網絡和通信方式，這個專用網絡就是由運營商搭建的星基LPWAN網絡。在政府、企業、行業協會、媒體的推動下，相信不久的將來就可以建成星基LPWAN的物聯網體系，這一革命性和突破性的技術發展，不僅是物聯網在全球發展的重要機遇，也是北斗系統不可錯過的下一個機遇。

[1]ReportsnReports： The LPWA (Low Power Wide Area) Networks Ecosystem： 2015 - 2030 - Opportunities, Challenges, Strategies, lndustry Verticals & Forecasts, November 2015, http：//www.reportsnreports.com/reports/435673-the-lpwalow-power-wide-area-networks-ecosystem-2015-2030-opportunities-challenges-strategies-industry-verticalsforecasts.html.

[2]趙小飛.物聯網產業發展需要瞄準彌補短板[J].中國戰略新興產業，2016(4).

[3]郭信平,曹洪杰.衛星導航系統應用大全[M].北京：電子工業出版社，2011：374.

[4][美]塞繆爾·格林加德.物聯網[M].北京：中信出版社，劉林德譯，2016：151.

[5]魯義軒.中興通訊基于LoRa通訊技術開創智能電表新模式[J].通信世界，2016(3).

[6]李輝.功在當代利在百年“北斗”短報文系統頻率問題簡析[J].國際太空，2016(4).

[7]About the LoRa? Alliance： The LoRa? Alliance Wide Area networks for lnternet of Things https：//www.loraalliance.org/The-Alliance/About-the-Alliance.