北斗的下一个机遇——基于星基LPWAN的物联网体系

● 文 |中国航天工业科学技术咨询有限公司 蔺陆洲

武汉艾斯迪信息技术有限公司 阚志峰

北斗的下一个机遇
——基于星基LPWAN的物联网体系

● 文 |中国航天工业科学技术咨询有限公司 蔺陆洲

武汉艾斯迪信息技术有限公司 阚志峰

低功耗广域网络（Low Power Wide Area Network， LPWAN）的出现成为满足物联网远距离和大数量无线通信的关键性技术。与当初设计移动蜂窝通信技术主要是用于人与人的通信不同，LPWAN技术是一种革命性的物联网接入技术，具有远距离、低功耗、低运维成本、大接入量等特点，与现有的WiFi、蓝牙、ZigBee等短距离无线通信技术和3G、4G、5G等蜂窝网络远距无线通信技术相比，LPWAN真正实现了大区域物联网的低成本和全覆盖[1]。LPWAN的数据传输距离，在复杂的城市环境中达到3km以上，空旷地域高达15km以上，穿透性较强，很多恶劣环境下也能保证信号的稳定；它还支持窄带数据传输，网络通信成本极低；此外，由于低数据传输速率，基于LPWAN的设备功耗极低，一个普通电池便可支撑数年甚至十多年之久[2]。虽然3G、4G蜂窝网络的快速部署和5G的研发在一定程度上推进了物联网的落地，但是当前移动蜂窝网络的承载能力并不足以支撑物与物的连接，最终实现物联网的将是LPWAN。由于物联网碎片化需求的典型特征，一张广域覆盖的LPWAN网络可以实现不同行业、不同用户随时随地的设备接入，成为单个用户、行业应用乃至智慧城市发展的重要基础设施。

物联网是通过通信技术在人与物、物与物之间进行连接的网络。目前的发展方兴未艾，但在目前成熟的物联网构成技术中，信息通信无法在较大范围内接入大量终端设备，同时终端能量供应的持续性也存在很大问题。当前，新兴的LPWAN作为一种低功率远距离的数据传输技术，解决了制约物联网发展的这一瓶颈，特别是在通信网络覆盖困难的应用场景中，如果能利用北斗卫星导航系统的短报文通信功能，可实现LPWAN的网络无障碍全覆盖，从而建立星基LPWAN的物联网体系。星基LPWAN的建立，将补充物联网在信息通信方面的短板，这一突破性技术的应用，不仅是物联网发展中的重要机遇，也是北斗卫星导航系统在其应用发展中不可错过的机遇。

一、LPWAN在物联网体系中的应用

物联网的出现为世界信息产业带来了继计算机、互联网和移动通信网之后的又一次发展浪潮，给IT和通信业带来了广阔的新市场[3]。物联网作为一个全新的技术领域，在现有的网络连接中，短距离的连接可以通过WiFi、蓝牙、Zigbee等局域网的通信连接方式进行连接，但是对于范围广、距离远的情况，则缺乏有效的远距离通信技术。目前，在物联网的广域连接方面，一般是借助电信运营商提供的GPRS、3G、4G、5G等蜂窝网络进行连接，实现不同地域之间物联网终端之间的互联互通。

虽然在交通、物流、制造、科研等各个行业的物联网应用终端目前可以广泛采用蜂窝网络进行连接，但是蜂窝网络技术在广域和复杂环境下存在网络覆盖和信号强度不足的问题，无法保障数据的稳定传输，而且对接入数量的限制也使得大量设备接入的需求无法得到满足。实际上，现有物联网中的大量终端设备分布在广阔的领域[4]。这类设备需要传输的数据量少且传输频率不高，例如市政网络中的水、燃气等计量表，路灯，井盖与户外的气象、水文、山体数据采集设备等，这些设备如果采用当前电信运营商提供的为高宽带而设计的网络，则不仅占用网络、号码等资源，浪费带宽，而且还会产生不小的费用。此外，高耗电量带来的对持续电力供应需求的压力，也将成为一个难以解决的问题。

看到LPWAN技术的优势，不少公司已经开始行动，并推动了SigFox和LoRa等多种LPWAN技术标准的商业化，另外也有不少其他的技术标准正处在不断的研发和商业化的过程中[5]。然而，目前将数据进行互联的LPWAN技术重点在于解决终端设备接入网关的问题，如何将数据从网关传输到广域网并为用户所用这一问题，尚未得到有效的解决。

当前解决数据从网关（即LPWAN到广域网的协议转换器）传输到广域网的方式，主要依靠2G、3G、4G等蜂窝通信技术进行数据的汇集传输。考虑一些特殊应用场景中没有主干通信网络的情况，使用卫星通信成为了一个很好的选择。特别是世界范围内，大范围分布的设备由于所在地难以接入主干通信网络，严重地限制了LPWAN网络的架设。例如，分布在一个偏远地区的气象数据采集传感器就存在这样的困难。同时，考虑到很多发展中国家缺少主干通信网络的现实情况，使用卫星通信的LPWAN网络为这些地区建立物联网提供了可能，见图1。

图1 星基LPWAN物联网体系示意图

二、北斗与LPWAN的结合

北斗卫星导航系统是我国自主建设、独立运行，并与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统。北斗导航系统从最初的设计开始，就实现了导航通信的一体化，而这正是北斗系统的后发优势所在。北斗系统的主任务是卫星导航，提供定位、测速、单双向授时的服务，同时还具备短报文的通信功能。从技术特性上看，短报文已经属于卫星通信业务。北斗系统的短报文通信功能，使用的频率包括S频段（2491.75±4.08）MHz和L频段（1615.68±4.08）MHz[6]。北斗系统短报文通信具有用户机与用户机、用户机与地面控制中心之间双向数字报文通信功能，一般的用户机一次可传输36个汉字或72个字节，申请核准的用户可以一次传送120个汉字或240个字节。短报文不仅可进行点对点的双向通信，而且可进行一点对多点的广播传输，为各种平台应用提供了极大便利。

短报文通信作为北斗的特色优势，从目前来看尚未得到充分的挖掘和运用，不论在海洋、渔业领域的短消息应用还是应急通信领域中的应用，均是基于传统的信息通信模式，尚无颠覆性的技术和模式能够发挥北斗短报文通信所具有的特殊优势。在物联网如火如荼的发展中，LPWAN技术的发展为北斗应用的发展带来了前所未有的机遇。LPWAN传输的信息均为传输量少且通信频率不高的数据，完全符合北斗短报文通信的要求。只需要在LPWAN技术中进行简单的改造，即可实现基于星基的LPWAN技术，从而解决在特定场景中LPWAN网络数据从网关传输到广域网困难的问题，使得分布广泛且连接形式多样、数量众多的终端设备，可以在缺少主干通信网络的情况下接入广域网，进而形成物联网服务。具体而言，在一般的LPWAN网关中加入北斗短报文模块即可实现这一功能（见图2）。物联网中各终端设备产生的数据，通过LPWAN进入网关，由处理器对数据进行处理后，向北斗短报文模块发送数据，最后由北斗短报文模块将其发出。

LPWAN的网络运营商可以通过星基LPWAN技术解决特定场景下与主干通信网络难以连接的问题，从而大大提高了LPWAN的连接效率，这不仅对LPWAN技术的发展有着革命性的推动，同时也对北斗的应用有极大的促进作用，将对北斗RDSS的应用产生颠覆性影响。原有的北斗短报文应用模式要求每个终端都配备一个北斗RDSS的模块，较高的花费、高耗电量等问题严重的限制了北斗短报文通信功能的应用。在应用终端加入了LPWAN技术后，可以在5～40km的范围内布设LPWAN网络，然后在LPWAN网络的网关内加入北斗RDSS终端，由北斗终端进行收集、编辑和传输，不仅解决了物联网信息传输的问题，同时也有效地推动了北斗短报文的广泛应用。LPWAN与北斗的结合，拓展了北斗短报文通信功能在新领域的应用，北斗系统可以为数据传输量小且传输频率低的终端系统提供服务，星基LPWAN技术的创新服务应用，将成为北斗产业发展新的增长点。

图2 星基LPWAN网关结构图

三、构建基于星基LPWAN技术的物联网体系

物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和拓展的网络，其用户端延伸和拓展到了任何物品与物品之间，进行信息的交换和通信。物联网的实现需要依靠可靠的传递，只有通过各种网络与互联网的融合，才能将物品的信息实时准确地传递出去。物联网信息的传递需要依靠各种专用网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等，通信技术是传递和处理各种传感器信息的基础。星基LPWAN物联网体系的构建，对于物联网的技术进步、产业链发展、国家战略的实施和国际合作的开展具有重要的意义。

首先，在技术进步的层面上，星基LPWAN物联网体系的建立可以推动相关技术的进步。基于星基LPWAN技术可以解决物联网在现有蜂窝技术下不能大规模应用的问题，特别是满足了大量设备之间联网的需求。通过利用北斗短报文的功能，不仅可以节省大量电信运营商的高宽带网络资源，降低物联网的建设成本，同时可以提高北斗短报文通信业务的使用效率，进而刺激相关技术的研究和发展，在各个应用行业内开发出基于LPWAN技术的其它突破性技术，并形成新的商业模式。作为一种高回报的投入领域，星基LPWAN必将引领相关技术的快速发展。作为高回报的投入模式，星基LPWAN的物联网体系建设是通信技术、物联网技术和北斗系统相关技术发展中一个不可错过的机遇。

其次，在产业发展的层面上，星基LPWAN物联网体系的建立可以形成新的产业链，带动导航产业和通信产业的新一轮发展，是卫星应用产业的下一个热点。与任何通信网络的建设相伴的，是整个产业链的协同发展和成熟，这对于星基LPWAN网络的发展也同样重要，广域覆盖的基于星基的运营商级LPWAN网络，需要标准、硬件、软件、运营、服务等产业链各环节企业和相关主管部门的共同努力。LPWAN家族中LoRa技术的发展，就始于研发厂商SemTech发起成立的LoRa联盟，联盟带动了产业链各环节的重点企业开展标准研发和应用推广[7]。相对于单个用户或行业自建的网络，建设广域覆盖的星基LPWAN运营商级网络难度更大，其中网关与导航卫星短报文通信的结合就是难点之一。在传统的短报文通信中，信息可以进行简单的传输，而在运营商级网络中，大量不同行业、不同用户接入的设备会有很多并发性数据传输需求，网关需要将所有信息进行整理和分类并排列优先级，相关技术的研究需要投入大量的人力、物力和财力。围绕网关设备推出通信转换模组、数据交换中心等融合的一体化方案，才可能支撑星基LPWAN运营商级网络的建设。相关企业在模组、软件、应用等方面的研发也同样重要。作为北斗卫星导航系统的全新应用领域，接下来还需要更多合作方的共同参与，才能将该产业链推向成熟。当然，在经济进入新常态后，星基LPWAN产业的发展将是经济增长的新引擎，其带动作用使得阻碍产业链形成的困难基本都可以被有效的克服。

再次，在国家战略的层面上，星基LPWAN物联网体系的建设是落实国家战略的有力抓手。国家大力支持北斗卫星导航和物联网的建设，在2016年6月发布的《中国北斗卫星导航系统》白皮书中提出了“构建产业创新体系”的要求，其中特别指出“促进产业融合发展。……推进卫星导航与物联网、地理信息、卫星遥感/通信、移动互联网等新兴产业融合发展，推动大众创业、万众创新，大力提升产业创新能力。”星基LPWAN物联网体系的建设将成为国家落实卫星导航和物联网发展的重要项目，在国家发展的层面上具有重要意义。

最后，在国际合作的层面上，星基LPWAN物联网体系的建设是推进国际合作的强劲动力。随着北斗系统全球建设的逐步开展，如果短报文通信的业务区由现在的区域扩展到全球，那么星基LPWAN的服务也将覆盖全球。当然，如果北斗短报文通信服务未能在全球开展，其技术验证的结果，也可以为基于其它卫星通信手段的星基LPWAN提供重要而有益的参考。考虑到目前一些发展中国家没有主干通信网络，同时建设主干通信网络存在各类困难，建设星基LPWAN的网络为这些发展中国家提供了使用物联网的可能，特别是针对“一带一路”沿线国家，受制于自然地理条件、资金、技术、国家体制等多方面的困难，星基LPWAN的物联网体系为这些国家的发展注入了全新的动力，而星基LPWAN物联网的建设与北斗系统“服务全球、造福人类”的理念是完全一致的，发展中国家和丝路国家的星基LPWAN网络建设，将是推动中国开展各类国际合作的有效手段。

物联网需求的碎片化决定了设备连接形式的多样性和分布的广泛性，就低功耗设备来说，基于安全、便捷接入、成本收益等方面考虑，基于星基LPWAN网络为物联网的实现提供了可能。物联网需要一个全新的专用网络和通信方式，这个专用网络就是由运营商搭建的星基LPWAN网络。在政府、企业、行业协会、媒体的推动下，相信不久的将来就可以建成星基LPWAN的物联网体系，这一革命性和突破性的技术发展，不仅是物联网在全球发展的重要机遇，也是北斗系统不可错过的下一个机遇。

[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]赵小飞.物联网产业发展需要瞄准弥补短板[J].中国战略新兴产业，2016(4).

[3]郭信平,曹洪杰.卫星导航系统应用大全[M].北京：电子工业出版社，2011：374.

[4][美]塞缪尔·格林加德.物联网[M].北京：中信出版社，刘林德译，2016：151.

[5]鲁义轩.中兴通讯基于LoRa通讯技术开创智能电表新模式[J].通信世界，2016(3).

[6]李辉.功在当代利在百年“北斗”短报文系统频率问题简析[J].国际太空，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.