物聯(lián)網與中國的下一代廣播技術展望

汪凱凱，羅 寧，曹 志，何大治，丁良輝

(1.上海交通大學，上海 200240； 2.上海中僑職業(yè)技術學院，上海 20131； 3.國家廣播電影電視總局廣播電視規(guī)劃院，北京 100866)

隨著科技的進步，通信網絡由原來的人與人、人與物之間的網絡，發(fā)展到現(xiàn)在的物與物之間的互聯(lián)，這就是物聯(lián)網(Internet of Things，IOT)。物聯(lián)網在物與物之間協(xié)作連接，可以應用到各種不同的領域，比如農業(yè)、工業(yè)、環(huán)境、能源、醫(yī)療、智能家居等領域。物聯(lián)網的業(yè)務種類繁多，難以用單一技術滿足。針對大帶寬、低時延的高速率(>10 Mbps)業(yè)務，比如自動駕駛，一般采用LTE-V技術；針對時延在100 ms級的中速率(<1 Mbps)業(yè)務，比如穿戴設備、POS機等，主要采用的是eMTC和2G M2M等技術。近些年來，低速率(<200 Kbps)業(yè)務增長迅速，這類業(yè)務具有深度覆蓋、超低功耗、超低成本、海量鏈接和時延不敏感的特點，被統(tǒng)稱為LPWA(Low Power Wide Area, 低功耗廣覆蓋)類業(yè)務[1]，現(xiàn)有的3G/4G技術從成本上無法滿足要求。目前全球范圍內，針對LPWA業(yè)務的物聯(lián)網技術從頻段授權情況角度可以兩類：一類是授權頻段的廣域網技術，以3GPP定義的窄帶物聯(lián)網(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)技術為代表；另一類是非授權頻段的廣域網技術，主要以Lora等技術為代表[2]。

目前，全球對于部署NB-IOT的主流頻段分別是800 MHz和900 MHz，中國電信會選擇將NB-IOT部署在800 MHz頻段上，中國聯(lián)通會選擇900 MHz來部署NB-IOT，中國移動則會重耕現(xiàn)有的900 MHz頻段[3]。根據通信原理，載波頻率與信號的傳輸距離呈負相關，載波頻率越高，信號的傳輸距離越短，從而使得基站的覆蓋面積也就越小，因此采用低頻段更有利于建設網絡。在中國，無線電管理委員會負責頻譜的行政分配制度，由廣電控制的頻率為500 MHz到900 MHz左右的頻段用于傳播廣播電視使用，隨著電視由原來的模擬信號轉向數(shù)字信號，多套不同的節(jié)目可以壓縮到原來模擬頻段的帶寬內，可以釋放出約100 MHz的帶寬[4]。由于500 MHz頻段的低頻特性，基站的覆蓋面積大，將會大大降低建造成本，因此廣電在建造物聯(lián)網網絡時，可以考慮在500 MHz頻段上建立物聯(lián)網。此外，由于廣電一直負責廣播電視的傳播，在全國各地建設了大量廣播電視塔，這些廣播電視塔的覆蓋半徑超過50 km，豐富的塔站資源使廣電有能力進行物聯(lián)網技術的研究和部署。

黨的十九大提出要推進新型城鎮(zhèn)化建設，新型城鎮(zhèn)化很重要的一點就是進行集約化、綠色化發(fā)展，在這個過程中，信息化手段能夠提供重要的支持。利用信息化技術和物聯(lián)網技術進行感知，將城市與農村的醫(yī)療、養(yǎng)老、教育等民生系統(tǒng)進行對接[5]，促進新型城鎮(zhèn)化的發(fā)展。小城鎮(zhèn)在發(fā)展過程中，3G/4G等技術才剛剛起步，但廣播電視技術在農村地區(qū)具備深厚的基礎，覆蓋范圍廣，廣電在新型城鎮(zhèn)化過程中應該抓住機遇，開展圍繞廣播的物聯(lián)網網絡的建設。

1 NB-IOT技術方案

2015年12月，華為、高通、愛立信等公司組成的NB-IOT工作組，提出了NB-IOT技術方案，并在2016年6月獲得3GPP RAN批準。NB-IOT技術是一種可與現(xiàn)有蜂窩網融合演進的低成本、高可靠性、超低功耗廣域物聯(lián)網技術，其網絡架構與現(xiàn)有的4G網絡架構基本一致[3]，NB-IOT的網絡總體架構如圖1所示。在NB-IOT的網絡架構中，包括：NB-IOT用戶終端、E-UTRAN基站(即eNodeB)、服務網關(S-SW)、移動性管理實體(MME)、歸屬用戶簽約服務器(HSS)、PDN網關(P-GW)、服務能力開放單元(SCEF)、第三方應用服務器(AS)和第三方服務能力服務器(SCS)[6]。

圖1 NB-IOT網絡總體架構

NB-IOT支持三種操作模式，分別是：(1)Stand-alone：獨立載波組網；(2)Guard-band：利用LTE系統(tǒng)邊緣保護帶上未被使用的資源塊進行部署；(3)In-band：資源塊來自LTE系統(tǒng)。

NB-IOT的下行鏈路和上行鏈路帶寬都是180 kHz，對于下行鏈路，采用的是OFDM方式，在上述三種操作模式下都是15kHz的子載波間隔[6]，而對于上行鏈路，NB-IOT的技術方案提供了兩種傳輸方式，單頻音(Single-tone)傳輸和多頻音(Multi-tone)傳輸，其中Single-tone技術是為了支持更好的覆蓋、獲得更大的容量與降低終端損耗，而Multi-tone技術是為了支持更大的峰值速率，Single-tone傳輸采用15 kHz和3.75 kHz兩種子載波間隔，而Multi-tone模式僅采用15 kHz這一種子載波間隔。在覆蓋增強場景下，3.75 kHz子載波間隔比15 kHz子載波間隔性能更好，可以提供更大的系統(tǒng)容量。在In-band場景下，采用15 kHz子載波間隔則比3.75 kHz子載波間隔效果更好，因為采用15 KHz子載波間隔使得IOT系統(tǒng)具有更好的LTE兼容性[3]。NB-IOT系統(tǒng)的小區(qū)上行峰值速率為261.6 Kbps，下行峰值速率為226.6 Kbps，對于時延不敏感的應用場景上，NB-IOT的單個扇區(qū)可以支持大約50 K的用戶接入，覆蓋范圍為15 km。

2 LoRa

LoRa(Long Range)技術是由Semetech公司在2013年發(fā)布的。傳統(tǒng)無線系統(tǒng)一般采用頻移鍵控(FSK)作為物理層的調制方式，F(xiàn)SK是一種低功耗調制手段。LoRa采用chirp擴頻調制的方式，其在低功率特性方面的表現(xiàn)與FSK相當，但由于chirp調頻信號占用的頻帶帶寬遠大于信息帶寬，因此可以得到較高的系統(tǒng)處理增益，使得采用chirp調制技術的LoRa覆蓋范圍大大增加。在軍事通信領域，chirp擴頻調制由于通信距離遠，抗干擾能力強，得到了廣泛的應用，但是在民用方面用的較少，主要是成本太高，不利于推廣，LoRa是第一個采用這種擴頻方式實現(xiàn)的低成本商業(yè)應用。LoRa網絡工作在非授權的頻段上，前期的基礎建設和運營投入不高，成本較低。

圖2所示為LoRa的網絡架構，由四個部分組成，分別是終端節(jié)點、集中器/網關、網絡服務器以及應用層服務器。網狀網絡架構在部署網絡的時候經常被使用，在網狀網絡中，各個端節(jié)點轉發(fā)其他節(jié)點的信息以增加網絡的通信范圍和小區(qū)大小。盡管通過節(jié)點信息轉發(fā)可以增加覆蓋范圍，但復雜性也因此大幅增加，因為節(jié)點接收并轉發(fā)來自其他節(jié)點的信息可能與其無關，降低了網絡容量，并減少了電池的使用壽命。LoRa采用的是長距離星型架構，終端節(jié)點和網關之間可以直接進行通信，避免了因為轉發(fā)無用信息造成某個節(jié)點的資源浪費，從而影響整個網絡的生存周期，有效延長了電池的使用壽命[7]。LoRa的終端節(jié)點有三種工作模式，即Class A(功率最低的雙向終端設備)、Class B(具有確定性下行鏈路延遲的雙向終端設備)和Class C(最低延遲的雙向終端設備)，但同一時間只能選取一種工作模式。不同工作模式的能量消耗和數(shù)據傳輸?shù)乃俾什煌?，一般通過軟件根據不同的場景進行選取。

圖2 LoRa網絡架構

針對中國的農村地區(qū)來說，大規(guī)模地實行基于NB-IOT或LoRa的物聯(lián)網技術缺陷較為突出。主要原因包含以下幾個方面：

(1)農村地區(qū)沒有高大的建筑物，干擾較小，適用于大范圍覆蓋的技術的應用，而NB-IOT技術和LoRa技術的覆蓋范圍在15 km左右。為了將農村地區(qū)全部覆蓋，需要建立更多的基站和配套設施，不利于物聯(lián)網技術在農村地區(qū)的拓展；

(2)NB-IOT技術需要與現(xiàn)有的網絡架構進行融合，由于農村地區(qū)的網絡建設不完善，可能需要先對農村地區(qū)的網絡進行升級，但是農村地區(qū)相對于城市地區(qū)來說，人口密集度小，運營商提供的服務相對有限，因此在農村地區(qū)建設基于NB-IOT的物聯(lián)網網絡成本非常高，且收益不明顯；

(3)基于LoRa技術物聯(lián)網技術采用獨立建網的方式，且LoRa技術工作在非授權頻段，會受到其他頻率的干擾，干擾不可控，可靠性差。

(4)由于基于NB-IOT技術和LoRa技術一個扇區(qū)類的用戶的數(shù)量分別為50 k和10 k，為了滿足農村的用戶接入數(shù)量的要求，需要建立多個扇區(qū)進行覆蓋。

農村地區(qū)的物聯(lián)網服務包含多種方面的內容，比如應急廣播系統(tǒng)、智慧農業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等等，對推進智慧農村建設和新型城鎮(zhèn)化進程具有重要意義。但由于農村地區(qū)本身的條件限制，現(xiàn)有的物聯(lián)網技術框架并不能直接應用于農村地區(qū)物聯(lián)網的建設，農村地區(qū)的物聯(lián)網發(fā)展需要一種符合農村地區(qū)實際情況的新技術。

上海交通大學和數(shù)字電視國家工程中心為美國下一代數(shù)字電視標準ATSC 3.0設計了專用回傳信道的提案，此方案現(xiàn)在已經是ATSC3.0 A/323的候選標準，利用此方案可以很好地解決農村地區(qū)目前物聯(lián)網建設中遇到的問題。數(shù)字電視廣播服務在中國農村地區(qū)具有良好的基礎，通過在中國發(fā)展下一代數(shù)字電視廣播技術，農村地區(qū)不僅可以接受到更高質量的音視頻服務，還可以通過專用回傳信道，將信息回傳到服務端。通過這項技術，可以圍繞數(shù)字電視廣播技術構建中國農村地區(qū)的物聯(lián)網。

3 DRC概述

專用回傳信道(Dedicated Return Channel, DRC)支持ATSC 3.0系統(tǒng)中的交互式服務，而不依賴于其他非ATSC 3.0網絡基礎設施。在ATSC 3.0中，用于交互式服務的下行鏈路廣播信道和專用返回信道使用不同的RF頻率(即頻分雙工，F(xiàn)DD)。這意味著，在原有的ATSC3.0 系統(tǒng)中，不僅可以傳輸廣播電視信息到用戶端，而且用戶端可以將用戶側的數(shù)據通過DRC回傳到服務器。這種數(shù)據傳輸策略為ATSC 3.0系統(tǒng)與物聯(lián)網的結合提供了契機，從而可以構建一套新的依賴于廣播系統(tǒng)的物聯(lián)網技術。

3.1 DRC上行終端

圖3為DRC上行終端的系統(tǒng)架構。DRC上行鏈路終端包含三個模塊，分別是：自動重傳請求(Automatic Repeat-reQuest，ARQ)模塊、鏈路自適應模塊以及隨機接入模塊。ARQ模塊用于重傳在傳輸過程中丟失的數(shù)據包；鏈路自適應模塊用于DRC上行鏈路的自適應調制和信道編碼；當DRC上行終端與BTS(帶DRC基站模塊的ATSC3.0發(fā)射機)有建立連接時，隨機接入模塊用于DRC上行終端的初始接入。當BAT(帶DRC基站模塊的ATSC3.0接收機)失去與BTS的同步時，該過程也被啟動。

圖3 DRC上行終端的系統(tǒng)架構

3.2 DRC的典型應用

當存在BAT和BTS之間的視距路徑時，DRC上行鏈路的覆蓋范圍可達100 km[8]。但是，在城市地區(qū)，由于路徑損耗較大，覆蓋范圍會縮小。考慮到不同的路徑損耗，在DRC系統(tǒng)操作中DRC上行鏈路與中繼是可行的。

圖4為BTS和BAT使用中繼與不使用中繼的兩種場景。若不使用中繼，所有的BAT都和BTS進行直接通信。在使用中繼的情況下，下行鏈路廣播應直接從BTS傳輸?shù)剿蠦AT。然而，DRC上行鏈路應從BAT傳輸?shù)街欣^站，然后中繼站應通過高速有線或無線網絡將收到的信號轉發(fā)到BTS，延遲時間較短。中繼站對所有的BAT都應該是透明的，從中繼站到BTS的轉發(fā)信號應該是來自模數(shù)轉換或解碼后的MAC PDU(Protocol Data Unit，協(xié)議數(shù)據單元)的原始數(shù)據。中繼站的數(shù)量、中繼站將信號轉發(fā)給BTS的方案以及BTS利用該信號的方案由網絡運營商確定。

圖4 DRC的兩種典型應用

3.3 DRC上行鏈路幀結構和調制

DRC上行鏈路采用具有循環(huán)前綴(CP)的單載波頻分多址(SC-FDMA)方式。圖5描述了數(shù)據比特通過卷積Turbo編碼、調制、NDFT點DFT變換、子載波映射、NIFFT點IFFT變換、P/S(IFFT產生的復數(shù)值的并行到串行轉換)、添加循環(huán)前綴、DAC/RF(數(shù)模轉換/射頻)等過程產生SC-FDMA的信號。在調制方式上，DRC采用BPSK，QPSK和16QAM三種不同的調制方式[9]。

圖5 SC-FDMA信號生成結構圖

在時域上，上行鏈路每個上行幀的長度TF= 10 msec，包含44個SC-FDMA符號以及一個保護間隔(GP)，DRC不能在GP上傳送信息。在頻域上有2048個子載波，這些子載波編號從0到2047。DRC上行鏈路支持不同的傳輸帶寬，為了適應不同的帶寬，DRC系統(tǒng)將不同帶寬下的有效子載波數(shù)量定義為NA。時域上的一個SC-FDMA符號和頻域上的一個子載波組成的資源單元被稱為一個小區(qū)，若用k和l分別表示頻域和時域的索引，則一個小區(qū)可由索引對(k,l)唯一指定。頻域上子載波索引為1到180的小區(qū)和時域上索引為0到15的SC-FDMA符號將被保留為用于隨機接入的物理隨機接入信道(PRACH)資源，DRC上行鏈路幀內其他有效的小區(qū)可用作物理層上行共享信道(PUSCH)的傳輸。

4 基于DRC的物聯(lián)網系統(tǒng)方案

圖6表示的是包含DRC功能的ATSC3.0系統(tǒng)架構。BTS和BAT通過無線信道進行通信，BTS在頻率f0上發(fā)送下行鏈路的有效數(shù)據，接收機在頻率f1上接收DRC上行鏈路數(shù)據；相反的，BAT在頻率f0上接收下行鏈路的數(shù)據，在f1上發(fā)送DRC上行鏈路數(shù)據。其中下行鏈路數(shù)據包含音視頻數(shù)據、交互服務器的指令數(shù)據以及物聯(lián)網服務器對物聯(lián)網節(jié)點發(fā)送的請求信息，上行數(shù)據主要是用戶向交互服務器發(fā)送的請求以及物聯(lián)網節(jié)點根據收到的請求發(fā)送到物聯(lián)網服務器業(yè)務信息。

在BTS中，通過ATSC3.0的網關，可以將音視頻信息發(fā)送到ATSC3.0的發(fā)射機。ATSC3.0網關的主要功能是將ATSC3.0數(shù)據鏈路層(ALP)的數(shù)據包封裝成基帶(BBP)數(shù)據包，并把這些數(shù)據包送到發(fā)射機進行發(fā)送。在網關配置上，ATSC3.0系統(tǒng)采用特有的PLP(物理層管道)技術，每個PLP都映射到IP協(xié)議的不同端口，DRC下行鏈路信令和數(shù)據也以具有特定IP端口的ALP數(shù)據包的形式發(fā)送到網關。BAT中的ATSC 3.0接收機接收來自不同PLP的信息，并將DRC的同步信息，信令信息以及與DRC相關得數(shù)據信息與傳統(tǒng)廣播服務數(shù)據分離，DRC同步和信令數(shù)據被發(fā)送到DRC上行鏈路網關以便處理和維護。

圖6 基于DRC的物聯(lián)網系統(tǒng)結構圖

5 DRC與LPWA技術對比

表1為DRC技術與常見的物聯(lián)網技術NB-IOT，LoRa以及Sigfox在技術指標上的對比，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，DRC技術的峰值速率、典型容量以及覆蓋范圍方面明顯優(yōu)于其他幾種技術。圖7所示DRC與其他幾種LPWA技術的包錯誤率(RER)與每分鐘接收信息的關系曲線，通過圖中的曲線可以看出，DRC和NB-IOT在PER上的表現(xiàn)遠遠優(yōu)于LoRa和Sigfox。當每分鐘信息數(shù)達到2.1×104時，Sigfox和LoRa技術的PER接近100%，也就是說此時Sigfox和LoRa在此時已經完全失效。DRC和NB-IOT由于帶寬大，峰值速率高，支持的用戶數(shù)量多，因此保持相對比較低的PER。DRC占用的帶寬比NB-IOT要多，因此其在PER上的表現(xiàn)優(yōu)于NB-IOT。

表11 DRC與LPWA技術參數(shù)對比

技術參數(shù)NB-IOTLoRaSigfoxDRC信道帶寬200KHz7.8 KHz-500 KHz多種帶寬100 Hz6 MHz調制方式下行:OFDMA上行:SC-FDMALoRa(線性擴頻調制)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覆蓋距離城區(qū):1-8 km郊區(qū):～25 km城區(qū):2～5 km郊區(qū):～15 km城區(qū):3～10 km郊區(qū):30～50 km郊區(qū):>50 km移動性<30 km/h低速或靜止靜止低速或靜止頻譜安全性授權頻段GUL牌照波段,有基于成熟核心網認證鑒權機制無執(zhí)照波段,用戶認證鑒權由應用層完成,安全性低國內無可用頻段,用戶鑒權由應用層完成,安全性低采用廣播授權頻段,支持多種帶寬模式,有成熟的用戶認證鑒權建網成本可復用LTE頻譜和站點,若無LTE站點,則需要建立先LTE站點獨立建設網絡獨立建設網絡,成本投入大依托數(shù)字電視廣播,成本低

圖7 包錯誤率對比

DRC具備長距離、高速率、容量大、易于部署等特點，未來必定會成為LPWA技術之一。針對中國農村地區(qū)面積大，干擾小，且基礎網絡建設相對落后的現(xiàn)狀，DRC技術相對于其他的物聯(lián)網技術方案具有非常大的優(yōu)越性。因此，廣電在中國開展下一代數(shù)字電視廣播技術的研究時，不僅要提升數(shù)字電視廣播質量，還要積極投入到物聯(lián)網部署當中，充分利用500 MHz頻段的優(yōu)勢和廣電現(xiàn)有豐富的塔站資源，將DRC的優(yōu)越性與農村現(xiàn)有的條件結合起來，在新型城鎮(zhèn)化建設過程中抓住機遇。

6 結束語

目前，基于DRC的物聯(lián)網系統(tǒng)方案樣機系統(tǒng)已經搭建完成，通過這套系統(tǒng)，用戶不僅可以接收到高質量的音視頻資源，還可以實時地通過DRC與交互服務器進行交互。此外，通過DRC構建的智能家居監(jiān)測系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測室內的溫度、濕度、PM2.5等環(huán)境信息。未來此系統(tǒng)將會應用到更多其他方面，比如教育、醫(yī)療、智慧農業(yè)、環(huán)境監(jiān)測。伴隨著人工智能，大數(shù)據的興起，具有廣覆蓋、高速率等特點的DRC技術對于未來農村地區(qū)的物聯(lián)網建設具有重要的意義。