P-IoT自組網模式研究

孫鵬飛　于洋　孫紅

【摘? 要】為降低專網物聯網（P-IoT）的建網成本，實現靈活部署和增強抗毀性以滿足行業用戶的應用要求，需對P-IoT自組網模式進行研究。首先，闡述了P-IoT自組網模式的重要性;在此基礎上，從系統架構、支持的拓撲類型、協議棧設計以及技術優勢對P-IoT自組網模式加以分析;最后，分析了P-IoT自組網模式在智能抄表與智能林防領域的創新應用。P-IoT自組網模式在多種應用環境下都能很好地滿足行業用戶的需求，在未來專網市場P-IoT自組網模式必將具備極強的競爭力。

【關鍵詞】物聯網;專網物聯網;自組網模式

Research on Self-Organizing Network Mode for Private Internet of Things

SUN Pengfei1， YU Yang2， SUN Hong2

（1. Institute of Communication Technology， Harbin University of Technology， Harbin 150080， China;

2. Hytera Science&Technology Co.， Ltd.， Shenzhen 518057， China）

[Abstract]?For reducing the capital expenditure of private Internet of Things （P-IoT）， realizing flexible deployment and enhancing the robustness of P-IoT， P-IoT self-organizing network mode should be studied to satisfy the application requirements of industry users. Firstly， the importance of P-IoT self-organizing network technology is elaborated. P-IoT self-organizing network technology is further analyzed in terms of the system architecture， network topology， protocol stack design and technical advantages. Finally， the innovative applications of P-IoT self-organizing network mode are discussed in the fields of intelligent meter reading and intelligent forest defense. P-IoT self-organizing network mode can meet the needs of industry users well in a variety of application environments and will have a strong competitiveness in future private network market.

[Key words]Internet of Things; private-internet of things; self-organizing network mode

0? ?引言

物聯網擴展了移動通信的服務范圍，從人與人通信延伸到人與物、物與物的智能互聯[1]。全球范圍內物聯網產業在不斷進步的網絡技術、平臺技術等推動下掀起了新一輪發展熱潮[2]。隨著物聯網的蓬勃發展，專網用戶對物聯網的需求日益迫切[3]。據IDC預測：2019年至2022年期間全球物聯網支出將保持兩位數的年增長率，在2022年超過1萬億美元大關[4]。另據賽迪顧問預測：2025年我國物聯網連接數將達到53.8億[5]。面向未來，物聯網應用將會呈爆發式增長，數以億計的設備將接入網絡，締造出規模空前的新興產業，為專網通信帶來無限生機。

P-IoT利用行業用戶的VHF、UHF窄帶授權頻譜，通過多種傳輸模式為行業用戶提供多樣化專網物聯網服務[6]。在滿足物聯網對遠距離無線接入技術低功耗、廣覆蓋、海量連接等要求的同時，因其是依托于行業專網構建的專屬通信管道，P-IoT具有自主可控的特點，在安全性、可靠性、終端功耗等多方面優勢顯著，更貼合專網行業用戶的特殊需求[7-9]。目前，P-IoT在石油化工、森林防火、地質災害救援等應急領域已經應用于實戰[10]，這些應用案例有力證明了P-IoT技術的先進性、實用性和有效性。同時，文獻[10]指出在應急場景中用自組網技術作為專網的備份或延伸網絡。將P-IoT技術與自組網技術結合，網絡將兼具專網安全可靠和自組網靈活抗毀的優點，為P-IoT技術的發展和演進指明了方向。

1? ?P-IoT自組網模式的意義

P-IoT自組網模式是指大量P-IoT終端之間有序互通并自動組成大面積覆蓋網絡的工作模式。P-IoT自組網模式具有以下特點：

（1）自組織與獨立組網。P-IoT自組網模式不需要任何預先架設的無線通信基礎設施，所有節點通過分層的協議體系與分布式算法來協調每個節點各自的行為。節點可以快速、自主和獨立地組網。

（2）多跳路由。由于每個節點的無線發射功率的限制，每個節點的覆蓋范圍都是有限的。有效覆蓋范圍之外的節點之間通信，必須通過中間節點的多跳轉發來完成。P-IoT自組網模式中的分組轉發由多跳節點按照路由協議來協同完成。

（3）動態拓撲。P-IoT自組網模式允許特定類型的節點在沒有數據上報的時候進入休眠狀態，同時網絡中的個別節點可能由于技術故障、自然原因等出現宕機，因而為了保證網絡的正常工作，P-IoT自組網模式支持網絡拓撲的動態變化。

基于以上特點，P-IoT自組網模式一方面可以在無基站情況下完成終端的靈活組網和對目標區域的完整覆蓋，能夠滿足對無網絡覆蓋地區進行關鍵信息采集的需求，如應用于地震災區、礦區礦道、地鐵隧道等基站信號覆蓋不良的特殊場景。另一方面，P-IoT自組網模式可以通過網絡中的協調器節點將自組網網絡與外部系統互連，打通目標區域與外部的數據通道，將目標區域內的關鍵數據信息回傳至數據中心，便于后方了解目標區域的實時態勢，同時結合數據庫中的歷史數據，利用大數據技術進行數據分析比對和未來態勢預測等。例如，在地質災害救援場景使用自組網模式的P-IoT終端，將現場環境監測數據、救援人員監測管理數據、物質監測管理數據等回傳至現場指揮中心，便于指揮員綜合研判后下達指令。

2? ? P-IoT自組網模式

2.1? 系統架構

在P-IoT自組網模式的系統架構中，根據P-IoT自組網模式設備功能以及復雜程度的差異，將設備分為全功能設備（FFD ， Full-Function Device）和精簡功能設備（RFD， Reduced-Function Device）。其中，全功能設備可以存儲完整路由信息，可以作為遠程設備之間的中繼器來進行通信，能夠拓展網絡的范圍，負責搜尋網絡，并可在任意兩個設備之間建立端到端的傳輸，具有更多的存儲和計算能力，其復雜度相對較高。精簡功能設備負責數據的采集，其附帶有限的功能來控制成本和復雜性，只能與全功能設備交互。設備的類型決定了其在系統架構中擁有不同的角色和任務分工。P-IoT自組網系統架構包含三種設備角色，分別是端設備、路由器和網絡協調器。P-IoT自組網模式的系統架構如圖1所示。端設備處于網絡的末端位置，即MS1、MS2和MS5所在位置，只具有簡單的收發功能，不能進行分組的轉發，它可以是RFD或FFD。路由器可位于網絡中的任何位置，通常通過發送信標實現與周圍節點的同步，且具有轉發分組的功能。圖1中的MS3、MS4、MS6～MS9均為路由器，MS1、MS2和MS5可以是路由器，也可以是端設備，路由器只能由FFD充當。網絡協調器一般處于網絡的非末端位置，為整個網絡的主控節點，并且每個網絡只能有一個網絡協調器。圖1中的MS-Target即為網絡協調器，它是三種設備類型中最復雜的一種，存儲容量最大、計算能力最強。網絡協調器負責建立、啟動并維護一個網絡，具體職責包括選擇合適的射頻信道、選擇唯一的網絡標識符、發送網絡信標、建立一個網絡、管理網絡節點、存儲網絡節點信息、建立路由和持續接收信息。網絡協調器只能由FFD充當。

2.2? 拓撲結構

如圖2所示，P-IoT自組網模式支持多種拓撲結構，包括星型拓撲、鏈型拓撲、樹型拓撲和網型拓撲。星型拓撲主要用在直通模式下，所有從設備都要連接網絡協調器，協調器負責網絡的建立維護和數據轉發，從設備只能和協調器進行直接數據傳輸，而與其他設備之間數據傳輸必須經過網絡協調器轉發。鏈型拓撲中的一個端節點是網絡協調器，中間節點是路由器，另一個端節點為路由器或端設備。樹型拓撲的樹根節點是網絡協調器，既有父節點又有子節點的設備是路由器，只有父節點沒有子節點的設備可以是路由器，也可以是端設備。在樹型網絡中，端設備只能和自己的父設備進行通信，如果要與父設備以外的其他設備通信，必須經過樹型路由完成通信。網型拓撲中，每個設備都可以與在無線通信范圍內的其他任何設備進行通信。理論上任何一個設備都可定義為PAN主協調器，設備之間通過競爭的關系競爭主協調器。但是在實際應用中，用戶往往通過軟件定義協調器并建立網絡，路由器和端設備加入此網絡。網型拓撲中設備之間傳輸數據時，可以通過路由器轉發，即多跳的傳輸方式，以增大網絡的覆蓋范圍。

2.3? 協議棧設計

增加自組網模式的P-IoT協議棧由物理層、媒體接入層、網絡層和應用層組成。物理層負責無線數據的發送和接收、射頻收發器的激活和關閉、接收包鏈路質量指示以及物理層屬性參數的獲取與設置。媒體接入層的功能包括：網絡協調器產生網絡信標，與信標同步，鏈路的建立和斷開，為設備的安全提供支持，提供CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid，帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問）機制的信道接入。網絡層負責網絡的建立，網絡設備的入網與脫網管理，路由的發現和維護以及網絡地址的分配。應用層的功能可根據使用需求做定制化設計。協議棧分層結構如圖3所示：

3? ? P-IoT自組網技術優勢

3.1? 安全可靠

安全性方面，P-IoT自組網模式采用中心節點管控的機制，實現對網絡中每個節點的統一管理。接入網絡中的節點需要向中心節點登記，并獲得由網絡分配的網絡地址。網絡可根據節點地址的特點來防范非法終端。P-IoT自組網模式也可采用鑒權機制來進一步保證網絡的安全性。另外，P-IoT自組網模式可采用統一的數據加密技術，防止非法設備對網絡數據進行竊取，保證整個網絡數據的安全性。

可靠性方面，專網自組網有著專網先天性的優勢，工作在獨立的授權頻段，相較于公網受到的外界干擾更小，管道質量更優異。對于采用多跳的自組網，無論是在單跳數據傳輸的質量上，還是在多跳傳輸的能力上提供了更加可靠的保證與支持。P-IoT自組網模式對網絡有著更好的自主可控性。P-IoT自組網模式采用中心節點管控的機制，可實現對網絡的管理與監測。中心節點可根據應用場景確定網絡的拓撲結構以及網絡的規模，同時能監測到網絡節點的狀態，通過對網絡的管控能夠實現自組網高質量、高可靠的服務。

3.2? 低功耗

P-IoT自組網模式支持端設備的休眠機制。在整個時間軸上，端設備的狀態區可分為活動區和非活動區，非活動區階段端設備處于休眠狀態，以達到省電的效果。其中活動區和非活動區的長度可根據端設備的業務量的多少進行配置。由于P-IoT自組網模式采用信標同步機制，因此不必擔心端設備休眠后無法與網絡同步。P-IoT自組網模式端設備的休眠機制很好地做到業務實現與省電的完美結合。端設備休眠機制超幀結構如圖4所示：

3.3? 靈活的傳輸模式

P-IoT自組網模式支持兩種傳輸模式：4FSK模式和QAM模式。可根據實際業務需求對網絡節點的傳輸模式進行靈活配置，使P-IoT自組網模式適用于更多的業務場景。當用戶對數據的傳輸速率有一定要求時，可選擇QAM模式。16/64QAM傳輸模式能夠更快速地實現數據端到端的傳輸，滿足用戶對數據高速傳輸要求;當用戶通信環境相對惡劣并且對自組網的傳輸數據量要求相對較低時，可選擇4FSK模式。4FSK能夠提供相對穩定的數據傳輸，滿足用戶對數據傳輸可靠性的要求。

3.4? 多拓撲多場景應用

P-IoT自組網模式支持星型拓撲、鏈型拓撲、樹型拓撲、網型拓撲等多種拓撲結構。其中，星型拓撲適用于小范圍區域內布網，可用于樓宇抄表、工廠廠房監測等，例如應用于熱能工廠廠房中進行溫度檢測及數據上報。鏈型拓撲適用于長距離鏈狀分布的應用場景，例如智慧路燈和隧道照明等。樹型拓撲和網型拓撲適用于廣覆蓋、多節點數據采集的應用場景，例如智能林防等。多種拓撲結構的優勢使得P-IoT自組網模式能夠適用于更多的生活工作場景之中，滿足多行業用戶的使用需求。

3.5? 支持多種路由算法

P-IoT自組網模式的網型拓撲支持多種路由算法，可分成按需路由和表驅動路由兩類。無論采用哪種路由算法P-IoT自組網模式都具備靈活的網絡自愈能力。P-IoT自組網模式網型拓撲可根據應用場景的網絡特點配置不同的路由算法。在網絡節點數量較少，且對數據業務的實時性要求較高時可采用按表路由;在網絡節點數量較多，且對數據業務實時性要求不高的情況下可采用按需路由。P-IoT自組網模式的多路由算法特點使其在應對不同環境時都能夠有著很好的傳輸效率。

4? ? P-IoT自組網模式應用場景

4.1? 智能抄表

現代生活中，水表、電表和煤氣表的抄錄和收費，是城市生活的一個大問題。近年來，信息化社會在逐步改變人們的生活方式與工作習慣的同時，也對一些傳統的理念提出了挑戰。人們出于對隱私、安全、便利等方面的考慮，漸漸排斥入戶抄表，如圖5所示。另一方面，隨著供水、供電、供氣、供熱等部門對“一戶一表”工程改造的推進以及對自動化的要求，遠程自動抄表系統已成為水、電、氣、熱自動化管理和智能化控制不可缺少的組成部分，融入物聯時代實現智能有效的管理已成必然。特別是國家無委會將原來模擬電視的470 MHz-510 MHz頻段釋放用于民用計量，無線抄表方案發展進一步加速。

相比于免授權頻段（如LoRa）和公網授權頻段（如NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯網））的無線抄表技術，P-IoT自組網模式具有很大技術優勢。一方面P-IoT自組網模式可以自動組建網絡、自動發現與自動刪除節點，無需手動設置路由，組網靈活，維護簡單。另一方面，P-IoT自組網模式基于P-IoT技術，在數據安全方面防控全面：一是防竊聽能力強，對關鍵數據、用戶隱私及終端位置等信息進行全方位保護;二是防偽造能力強，對非法感知設備和偽造的數據鑒別能力強;三是防攻擊能力強，對非法設備利用竊取到的歷史數據發起攻擊的抵御能力強;四是訪問控制能力強，防止設備與數據被非法使用或訪問的措施完善。

4.2? 智能林防

隨著國家做出一系列加快林業發展的重大戰略部署，全國森林資源總量在不斷增長，對森林防火工作也提出了更高的要求。森林防火必須貫徹“預防為主，積極撲救”的方針，真正做到早發現，早解決。因而采用技術手段進行林火監測報警是必由之路。由于林區有其地理特點，部署有線網絡異常困難，無線通訊以其配置靈活、建設快捷、性能高效、低成本等特點正廣泛應用于森林防火上，而在公網和專網基站信號無法覆蓋的監測盲區，可搭建P-IoT自組網模式實現最后幾公里的信息監測覆蓋。

在監測盲區有針對性地對林地被監測區域進行監測布控，利用P-IoT自組網模式建成監測傳感器網絡，根據監測需要和具體環境將端設備和路由器以壁掛或抱桿的方式部署在監測位置，對森林顆粒物、溫度、濕度、風速、風向、氣壓等數據進行連續監測，當測得數據符合林火特征時發出報警信號。網絡協調器負責網絡的建立和維護，并將采集到的數據傳輸至固定基站，最終回傳至后方監控中心。自組網設備支持太陽能供電，可配置端設備為半休眠模式，節省用電。森林作業環境復雜、天氣多變，對設備的環境適應性提出了更高的要求。一旦設備因技術故障、自然原因等引發故障，導致節點退網，P-IoT自組網模式可自動調整網絡拓撲結構，重新建立路由，保證整個網絡的正常運行，確保了森林盲區監測的連續穩定。利用P-IoT自組網模式可實現森林監控區域全覆蓋，一旦出現火情可第一時間通知防火值班人員，做到及時發現、及時撲救，使火災隱患消亡在萌芽狀態。

智能林防應用場景如圖6所示。

5? ?結束語

P-IoT自組網模式在行業用戶對專網自組網需求迫切的背景下應運而生。該技術是一種高安全、高可靠、能為行業用戶提供多種應用需求的自組網技術。本文重點介紹了P-IoT自組網的工作模式、技術優勢以及應用場景。靈活的傳輸模式、多種拓撲結構及路由算法使P-IoT自組網模式在多種應用環境下都能很好地滿足行業用戶的需求，在未來專網市場P-IoT自組網模式必將具備極強的競爭力。

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作者簡介

孫鵬飛：副教授，碩士畢業于哈爾濱工業大學，現任哈爾濱工業大學通信技術研究所教師，兼任哈爾濱海能達科技有限公司總經理，主要從事專網移動通信技術研究、產品研發及相關標準的制定工作。

于洋（orcid.org/0000-0002-1026-9797）：

工程師，博士畢業于哈爾濱工業大學，現任職于海能達通信股份有限公司，主要從事標準規劃與制定、專網通信及寬帶技術研究等工作。

孫紅：工程師，碩士畢業于哈爾濱工程大學，現任職于海能達通信股份有限公司，主要從事標準規劃與制定、O-RAN技術研究、自組網技術研究等工作。