無線遠程抄表網絡解決方案研究

王玉靜

近年來，作為物聯網重要分支的無線遠程抄表網絡（WRMRN）受到業界的廣泛關注并發展迅速。WRMRN打破了以往人工抄表技術的種種弊端并開始應用在越來越多的行業當中，可以實現人、機器、環境等各方面信息參數的遠程化精確實時收集，從而提高工業、農業、公共服務、醫療保健等領域信息收集的廣度和效率，從而使各行業信息自動化水平得到跨越式的提升，為物聯網大數據挖掘技術的發展奠定了堅實基礎。

遠程抄表;物聯網;Zigbee;GPRS;窄帶物聯網;LoRa

1.WRMRN的主要特性和要求

1.1低功耗性

無線遠程抄表網絡通常工作在長期無人執守的偏遠偏僻地區，無法進行電池的頻繁替換。同時，在許多場合中需要保證抄表的全天運行和實時監測狀態。這就要求網絡中節點都要盡可能降低功耗，以保較長的工作壽命。

1.2高可靠性

由于涉及到費用和安全等因素，無線遠程抄表網絡往往要求網絡節點具有很高的可靠性，如某些節點需要進行替換或者調整時，其他節點仍然可以工作，以避免因個別節點故障而影響整個網絡系統的正常運行。

2.WRMRN解決方案分析比較

2.1WRMRN解決方案

當前較為常見的WRMRN技術主要有ZigBee、LoRa、GPRS和NB-IoT等技術。本文將針對這些WRMRN解決方案進行介紹與分析。第一，ZigBee，是由ZigBee聯盟發展起來的低傳輸速率、短距離應用的一種成熟無線網絡技術，曾用名還包括“HomeRFLite”、“RF-EasyLink”、“FireFly”等，目前統一稱為ZigBee技術。ZigBee中物理層（PHY）和數據鏈路控制層（MAC）協議棧采用IEEE802.15.4標準進行定義。但國內主要使用2.4GHz免授權頻段，因此下文中主要針對其2.4GHz模式進行說明。ZigBee以半雙工模式工作，采用偏置正交相移鍵控調制（O-QPSK），并結合直接序列擴頻（DSSS），可實現250kbps的數據傳輸率。ZigBee的MAC層采用了帶有碰撞避免（CA）的載波偵聽多址接入（CSMA）機制，包括了信標模式（Beacon-Enabled）和無信標模式（Beaconless）兩種信道接入模式，并允許使用確定應答（ACKs）進行單播傳輸。ZigBee可將裝置定義為三種角色：路由器、協調器和終端節點，支持樹狀、網狀的拓撲尋址和路由。在網狀拓撲中，采用了基于自組網按需平面距離向量（AODC）的路由協議設定和維護路由，可用于任意點對點通信，也提供多點對單點路由，用于多點裝置節點與中央收集節點或者接收節點之間的通信;第二，LoRa。LoRa（LongRang）技術是由Semtech公司發布的一種面向無線傳感網絡與控制應用的通信技術，屬于低功耗物聯網通信技術中的一員。LoRa物理層上主要在433MHz/868MHz/915MHz等Sub-GHz授權頻段中運行，信道帶寬125kHz并采用半雙工模式，可實現0.3kbps～50kbps的傳輸速率，能夠實現-148dBm的接收靈敏度;結合線性調頻擴頻調制技術和前向糾錯編碼技術，以實現更強的抗干擾性和安全性。目前，基于LoRa技術研發的MAC協議只有LoRaWAN協議，它是由LoRa聯盟發布的，針對集中式的星型拓撲結構而設計的。根據LoRa通信過程中終端設備與網關之間的上行下行信息需求，LoRaWAN協議特定將LoRa終端設備定義了三種不同的工作模式，分別為ClassA、ClassB和ClassC。終端在一個時間內只能允許工作于一種模式，以實現不同的業務模型和省電模式。當前ClassA工作模式因能夠滿足抄表應用的省電需求而被廣泛應用。在ClassA模式下不主動進行終端設備的下行鏈路發送，而在上行鏈路傳輸后存在兩次很短的下行鏈路接收窗口。終端設備可根據LoRaWAN協議并結合自身的通訊需求對傳輸時隙進行隨機微調從而實現省電。根據LoRaWAN協議，LoRa網絡架構由四部分構成：終端節點（包含傳感器）、網關/中繼、網絡服務器、應用服務器。LoRa技術采用透明傳輸的中繼作為網關，連接LoRa終端設備和后端網絡服務器;LoRa網關與網絡服務器間通過標準IP連接。第三，GPRS。通用分組無線業務（GPRS）是全球移動通信系統（GSM）向第三代移動通信（3G）演變的過渡技術，所以亦稱為“2.5G”。GPRS網絡是在現有GSM網絡中增加GGSN（網關支持節點）和SGSN（GPRS服務支持節點）來實現的，使得用戶能夠在端到端分組方式下發送和接收數據。GPRS的協議較為復雜，包括了物理層、MAC層、網絡層等在內的5級層次。其繼承了GSM的無線調制技術、頻段、頻帶寬度、突發結構、跳頻規則以及TDMA幀結構，采用FDMA/TDMA方式將運營商的上/下行授權900MHz/1800MHz頻段分成200kHz帶寬的多個載頻;同時在時域上，將每個TDMA幀分成8個時隙而實現單載頻，其最多同時承載8個移動客戶。

2.2WRMRN解決方案的性能分析比較

首先，從頻段來看，除了ZigBee外，其他3種技術主要工作在Sub-GHz頻段，因而具有較好的電波繞射能力，適合工作在城市樓宇環境;LoRa和ZigBee采用非授權頻段且網絡部署成本低;而NB-IoT和GPRS則在授權頻段上運行，因而更加穩定安全。在調制技術方面，LoRa、GPRS分別使用GFSK和GMSK調制方式，收發電路較為簡單并且發射功耗更低;相比之下，ZigBee和NB-IoT都采用PSK調制而需使用相對復雜的電路，并且發射功耗較高[1]。在傳輸速率方面，ZigBee速率固定為250kbps，LoRa（0.3kbps～50kbps）、GPRS（9.05kbps～171.2kbps）和NB-IoT（<100kbps）則可根據通信質量靈活調整速率。在鏈路預算方面，ZigBee只有100dB的鏈路預算，這決定了其只適合于小范圍的網絡布置。相比較而言，GPRS的144dB、NB-IoT的154dB、LoRa的162dB鏈路預算，將使它們在面對復雜通信環境時更加游刃有余。另外LoRa和ZigBee網絡一般采用簡單的星狀（STAR）結構，以降低網絡的復雜性和能量損耗，但ZigBee保留了樹狀（TREE）、網狀（MESH）組網方式。GPRS和NB-IoT則基于蜂窩網實現終端的網絡接入，具有很高的網絡穩定性。在網絡容量上，ZigBee網絡理論上允許65536個網絡節點接入;LoRa則宣稱其單網容量可達62500個;GPRS和NB-IoT全網的網絡容量非常大，但單基站可允許終端接入數分別在1000和5萬左右。在覆蓋范圍方面，星狀組網和較低鏈路預算極大地限制了ZigBee網絡覆蓋能力，一般只能提供幾百米范圍的覆蓋;LoRa則依靠其162dB鏈路預算能夠提供公里級網絡覆蓋;GPRS與NB-IoT憑借蜂窩網技術能夠提供跨區域的網絡接入能力。在移動性方面，由于GPRS和NB-IoT本身屬于移動網絡分支技術，因此基本上沒有移動性方面的問題;相對而言，ZigBee和LoRa則移動性欠佳[2]。

結論：

文章針對無線遠程抄表網絡解決方案方面進行了詳細的闡述，希望能給相關人士提供參考建議。

參考文獻

[1]劉穎.基于ZigBee和GPRS的遠程無線抄表系統設計[D].西安科技大學，2016.

[2]李小玲.心電參數的檢測與短距離無線傳輸[D].重慶郵電大學，2017.源技術，2018，35（03）：178-179.

[2]許茂森.關于網絡安全分析的大數據技術實踐解析[J].網絡安全技術與應用，2018（08）：61+72.