基于廣電5G+WiFi6+LoRa融合的企業移動物聯專網方案研究*

王斯薈

（廣東智慧廣電物聯網科技有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引言

移動物聯網的發展讓大中型企業不論是在運作方式還是在業務拓展范圍方面都產生許多變化，而且對一個企業規模發展和運營都具有重大意義。目前，大中型企業普遍面臨著傳統布線難、網絡升級難、數據信息多，應用終端豐富等情況，亟需構建一張泛在、安全、可控、自主的企業移動物聯專網。

本文主要分析了，自從廣電獲得5G商用牌照正式入局移動通信以來，同時手握700MHz黃金頻譜資源，基于廣5G+WiFi6+LoRa的融合組網，能夠保證企業多場景、多業務應用的需求，將會成為企業構建移動物聯專網的首選解決方案。

1 移動物聯網概述

1.1 移動物聯網的發展現狀

物聯網（Internet of things）的概念，最早是在1999年提出的，它的定義很簡單：把所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理。用通俗的話來講，物聯網就是讓所有的東西都“連”起來，讓本來沒有生命的東西能“感應”并“處理”信息，通過傳輸的網絡傳送到指定的地方或人那里，反過來還可以進行控制和指揮[1]。

經過近二十年的發展，物聯網技術的應用已經滲透到各行各業及尋常百姓家。同時，物聯網的發展也呈現出一些新的趨勢：第一為連接對象普遍化，第二是應用終端移動化，第三是物聯網絡泛在化。

移動物聯網正是在這樣的背景下，由移動通信、智能終端、互聯網三大領域相互碰撞和融合而發展起來的，是物聯網發展的最新模式和途徑。移動物聯網最為明顯的特征是物聯網絡泛在化、服務范圍無縫化，通過最新一代的蜂窩通信等無線傳輸技術，實現萬物互聯。

1.2 移動物聯網的基本架構

國際電信聯盟（ITU-T）定義了IoT通用參考架構模型，在此基礎上，基于廣電網絡現狀及特點，提出一種簡化架構，由應用層、網絡層、核心層構成，如圖1所示。

圖1 基于廣電5G+WiFi6+LoRa融合組網的企業移動物聯專網系統架構

基于廣電5G+WiFi6+LoRa融合組網的企業移動物聯網系統，各組成部分如下。

（1）設備層

設備層主要包含企業物聯網應用終端，如：專用三防終端、移動終端、傳感器設備等。設備的主要功能是，感知、識別物體或環境狀態并且實時采集、捕獲信息，信息則通過相應的通信模組接收和發送。

（2）網絡層

網絡層，依托廣電融合組網架構，能夠全面納管5G、WiFi6、LoRa物聯網、有線網絡等基礎連接；同時，實現應用層管理信息和數據信息的傳送，提供網絡連接的相關接入控制和安全功能。

（3）核心層

通過網絡層進行接收和發送設備層所采集數據信息，最終達到核心層，實現數據存儲、共享、處理、分析決策及與外部系統的擴展對接。

可以看到，網絡層承擔了物聯網系統承上啟下的關鍵功能，可以說是企業構建移動物聯網的重中之重。

1.3 企業對移動物聯專網的需求分析

各級政府、各個行業都在加快5G、物聯網等新型基礎設施建設和應用的決策部署，加速傳統產業數字化轉型，《工業和信息化部辦公廳關于深入推進移動物聯網全面發展的通知》已于2020年4月30日正式發布。可以預計，物聯網的跨界融合、集成創新和規模化發展，在促進傳統產業轉型升級方面能夠起到巨大的作用。越來越多的大中型企業、園區將有更多的基于移動物聯網技術的數字化、信息化需求。

隨著萬物互聯的蓬勃發展，企業專網接入的用戶和設備越來越多，無論是個人用戶，還是物聯網接入設備，每時每刻都在產生大量的數據。隨著數據量不斷增多，對于網絡的承載能力、擴展能力的要求越來越高；隨著社會的發展，對運營商建網成本、運維質量的要求越來越高；隨著企業的發展，對于可觀可控的移動物聯專網需求也越來越高[2]。

目前，大中型企業，特別是工業/制造業等傳統企業，普遍面臨著傳統布線難、網絡升級難、數據信息多，應用終端多樣等情況，企業專網既需滿足人的辦公及消費娛樂接入需求，也需滿足企業生產經營過程中物的連接需求。所以，亟需構建一張泛在、安全、可控、自主的企業移動物聯專網。

2 廣電5G的技術特點及組網優勢

眾所周知，三大傳統電信運營商目前的5G網絡部署主要集中在城區，由于中高頻段的覆蓋有限、傳播損耗、穿透損耗較高和成本高昂的影響，欠發達地區、偏遠地區、工廠園區等難以享受到5G發展紅利。

2020年1月，國家廣電總局發布《全國地面數字電視廣播頻率規劃》，對構建新型地面數字電視傳輸覆蓋網進行指導；3月19日中國廣電700MHz頻段2×30/40MHz技術提案獲采納列入5G國際標準，成為全球首個5G低頻段（Sub-1GHz）大帶寬5G網絡標準；3月24日，工信部發布的《關于推動5G加快發展的通知》指出，調整700MHz頻段頻率使用規劃，加快實施700MHz頻段5G頻率使用許可。由此，為未來700MHz頻段的5G建設奠基了基礎。

基于以上背景，廣電700MHz從“默默無聞”成為“備受矚目”的頻段。作為“黃金頻段”的700MHz，它具有信號傳播損耗低、穿透/繞射能力強、覆蓋范圍廣、組網成本低等優勢特性，能夠更好地支持在5G高質量廣域覆蓋和高速移動場景下的通信體驗以及海量的設備連接，可與中高頻的頻譜形成互補，提供適宜的5G網絡覆蓋方案。可以說，廣電700MHz是我國電信普遍化服務一步邁入5G大帶寬時代的終極利器。5G各頻段覆蓋范圍及路徑損耗對比，如圖2所示。

圖2 5G各頻段覆蓋范圍及路徑損耗對比

根據我國當前的頻譜分配情況，廣電5G 網絡將可采用700MHz頻段（NR FDD N28）以及4.9GHz頻段（NR TDD N79）作為5G工作頻段，綜合來看，廣電5G具有如下優勢：

（1）頻譜資源優勢。業界普遍認為廣電擁有極佳的頻率，700MHz頻譜作為移動通信黃金頻率，具有覆蓋范圍廣的特點，繞射能力強，700MHz在信號傳輸中損耗小，可有效解決覆蓋死角問題，非常適合復雜環境下的網絡覆蓋；傳輸效率高，更小的多普勒頻移，信號解調更可靠，可在高鐵、高速公路等高速移動場景應用中取得更加的效果。同時，在高容量區域，也可通過系統容量更大的4.9GHz頻段進行高低頻組合覆蓋，更好的支撐企業、用戶開展大容量的5G應用發展。

（2）工程投資優勢。700MHz頻段具有非常明顯的頻譜傳播優勢，經測算，在自由空間傳播模型下，以農村覆蓋場景為例，比1.9GHz路損少8.2 dB，比2.6GHz路損少11.4dB。相對于采用傳統頻率進行組網建設，廣電5G最高可減少最高80%的站址投入，大幅節約網絡投資，所需的基站數量少，工程建設周期短，投資造價低等特點。

（3）業務發展優勢。700MHz采用FDD，上下行頻率不同，具備上下行收發同時進行的特點；而TDD上下行采用相同頻率，通過時隙配置來區分上下行，上下行轉換需要轉換器，會帶來約1 dB的插損和噪聲系數，同時會產生一定時延。因此700MHz FDD在uRLLC低時延業務傳輸上也具備一定的優勢，能夠為企業客戶提供更高質量的5G數據和語音服務。

（4）網絡架構優勢。區別于運營商先NSA后SA的組網策略，廣電由于沒有歷史包袱，能夠直接以SA組網為高起點，更好的支撐企業mMTC類的應用需求。同時，具備網絡架構極簡、運營維護極簡及商業模式極簡的特征，可實現云上一張網與云下一張網的構造，極簡建網更加敏捷、智能、高效。

不同頻段不同場景下需要基站數對比，如表1所示。

表1 不同頻段不同場景下需要基站數對比

3 WiFi6的技術特點及組網優勢

WiFi技術經過多年發展，技術平滑演進，從早期的單天線、低速率、窄帶寬，主要面向公眾用戶的消費者應用；逐步演進后，增加MIMO天線數量，頻譜拓展至160MHz，同時引入MU-MIMO（類似5G的Massive MIMO）技術、OFDM編碼、OFDMA編碼，實現了網絡能力的大幅提升，同時能夠面向物聯網服務。WiFi歷代標準演進和新技術應用情況，如表2所示。

表2 WiFi歷代標準演進和新技術應用情況

WiFi6與5G的對比，如表3所示，WiFi6相對于5G技術主要具備以下特點。

（1）部署成本：WiFi設備成本較低，每Bit成本約5G設備的1/30；

（2）流量費用：WiFi使用固網流量，整體資費不變的情況下可以實現速率和容量的提升；

（3）網絡覆蓋：5G主流頻段為2.6GHz、3.5GHz和4.9GHz等中高頻頻譜，而Wi-Fi使用2.4GHz為主、5GHz為輔的免費頻段，室內穿透能力和覆蓋能力更強；

（4）峰值速率：WiFi6峰值速率與5G峰值速率基本相當，最大傳輸速率理論都可以達到10Gbps左右。

（5）終端類型：WiFi基于MAC和IP地址尋址，不需要SIM卡，而5G設備需要SIM卡或USIM卡等模組才可以上網，終端類型相對受限。

綜合來看，WiFi6能夠提供更大的容量、更低的時延，擁有更高的頻譜效率、覆蓋范圍，能夠進一步擴展WiFi的應用場景，低時延高可靠的特性能夠實現從企業家庭網絡向企業生產網絡的擴展。WiFi 6在帶寬、時延、連接密度等方面性能提升后，就增強了其場景適應性，意味著其可應用于多種業務場景。

表3 WiFi6與5G的對比

5G連續廣覆蓋的特點適合大范圍、高移動性、超低時延等應用；WiFi6則更加適合室內大容量高并發場景，能夠以更低的網絡成本，實現局域高性能無線網絡覆蓋；5G與WiFi6在網絡性能和適用場景下，天然的具有差異化和互補性。雖然5G可以通過大量小基站實現室內覆蓋、WiFi6也可以通過漫游調度功能實現室外連續覆蓋，但附加成本均很高。因此，在大中型企業，多種應用場景需求下，出于成本和組網便捷性考慮，5G和WiFi6的互補性，將能得到充分發揮。

4 LoRa的技術特點及組網優勢

LoRa（Long Range）作為低功耗廣域網（LPWAN）中的一種代表性技術，具有得天獨厚的技術優勢，專為低帶寬、低功耗、遠距離、大量連接的LPWAN應運而生。它最大特點就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠，實現了低功耗和遠距離的統一，它在同樣的功耗下比傳統的無線射頻通信距離擴大3～5倍。它能夠很好地實現遠距離通訊、長電池壽命、大系統容量、低硬件成本。而這些，正是物聯網（IoT）所需要的。

LoRa在ISM（工業，科學，醫療）頻段使用未經許可的無線電頻譜，頻率約為900MHz或430Mhz（世界各地的精確頻率各不相同）。使用未經許可的頻譜意味著公司可以輕松推出網絡，并為企業提供專用網絡。LoRa的網絡架構比較簡單：終端節點采集數據，然后把數據發送給網關基站，再匯總到網絡服務器，最終送到應用服務器。

相較于大多數的網絡采用網狀拓撲，易于不斷擴張網絡規模，但缺點在于使用各種不相關的節點轉發消息，路由迂回，增加了路由延時和總功耗。LoRa采用星狀拓撲（TMD組網方式），網關星狀連接終端節點，但終端節點并不綁定唯一網關，相反，終端節點的上行數據可發送給多個網關。理論上來說，用戶可以通過Mesh、點對點或者星形的網絡協議和架構實現靈活組網。LoRa組網架構，如圖3所示。

圖3 LoRa組網架構

LoRa與NB-IoT的對比[3]，如表4所示，LoRa主要有以下優勢特點：

（1）自主性方面

對客戶而言，使用NB-IoT主要依賴于運營商的基礎網絡設施，在很多條件惡劣的地方，運營商的基礎設施并沒有完全覆蓋。而LoRa是一個更靈活的自主網絡，工作在1GHz以下的非授權頻段（中國主要使用470-518MHz），不需要建設基站，無需申請即可進行網絡的建設，在任何需要的地方，都可以進行部署，企業能夠更加自主可控。

（2）安全性方面

LoRa專為安全性而設計，隨著更智能的解決方案被內置到業務的各個方面，網絡安全變得至關重要。網絡需要既可靠運行又主動防御漏洞和惡意攻擊。只有正版和授權的設備才能成功連接到正版和授權的LoRaWAN網絡。這種端到端加密為每個網絡提供了全局唯一的標識符，并且需要每個連接的設備提供有效的128位AES密鑰和標識符。NBIoT是運營商網絡，因此數據需先上傳傳到運營商的承載及核心網絡，而部署屬于企業自己的私有LoRa網絡后，則更具安全性。

（3）覆蓋性能方面

LoRa工作在1GHz以下的非授權頻段（中國主要使用470-518MHz），頻譜優勢更明顯，最遠可覆蓋15KM，這意味著單個網關可以覆蓋700平方公里周圍的所有設備，且信息接收靈敏度最低可支持-148dBm。LoRa無線電調制允許深度室內穿透，并增加了到達位于地下的水表或煤氣表的傳感器的能力。

（4）投資成本方面

基于LoRa網絡的私有特性，企業完成部署后，后續在承載應用時不需要額外支付通信服務或流量費用。且，LoRa設備的通信模組價格也普遍比NB-IoT更低，對于企業的物聯網終端的一次性投入也能大幅下降。同時，LoRa設備待機功耗200nA級別，電池壽命高達10年，對于企業物聯網的低成本運營意義重大。對于設備，通信模塊的價格在10美元范圍內，未經許可的頻譜意味著連接的成本僅為1美元/年[4]。

表4 LoRa與NB-IoT的對比

LoRa 因其功耗低，傳輸距離遠，組網靈活等諸多特性與物聯網碎片化、低成本、大連接的需求十分的契合，因此被廣泛部署在智慧園區、智能樓宇、智能儀表、智慧農業、智能物流等多個垂直行業，前景廣闊。

5 基于廣電5G+WiFi6+LoRa融合組網的解決方案

依托得天獨厚的有線電視網絡資源及移動通信頻譜資源，廣電網絡公司可致力于有線/無線通信技術、信息技術與行業應用的加速融合，在為用戶提供傳統的視頻應用服務的同時，也可進行廣電5G、WiFi6無線專網、LoRa物聯專網及寬帶接入網的建設及運營，共同組成多網一體、寬窄兼容、動靜結合、人機互聯、先進泛在的新一代融合通信網絡[5]。

基于廣電5G+WiFi6+LoRa融合組網架構，如圖4所示。

圖4 基于廣電5G+WiFi6+LoRa融合組網架構

因此，基于廣電5G+WiFi6+LoRa，采用統分結合、高低搭配、室內外協同的融合組網解決方案，將能充分發揮移動通信網絡與私有無線專網的互補優勢，滿足企業內部不同的應用場景需求：針對室外廣覆蓋的高速率、高可靠性需求，可通過5G連接；針對室內大帶寬、多連接的需求，可通過WiFi6連接；針對廣覆蓋的低帶寬、低功耗需求，可通過LoRa連接。企業內部不同的應用場景需求，如圖5所示。

圖5 企業內部不同的應用場景需求

6 總結及展望

移動物聯網引爆數字經濟時代，企業生產方式從過去的機械式生產變為現在的智能化生產為主，企業數據來源從過去的人工收集變為現在的自動回傳分析，企業經營從過去的粗放探索變為現在的精細管理。

如果繼續使用傳統組網模式，勢必會延續覆蓋質量不佳的現狀，造成網絡頻繁擁塞的情況，無法保證企業多場景、多業務應用的需求。基于廣電5G+WiFi6+LoRa融合組網的解決方案，將能充分發揮移動通信網絡與私有無線專網的互補優勢，構建一張泛在、安全、可控、自主的企業移動物聯專網，為企業用戶帶來高速率、高安全、高自主、高可控的網絡運營及體驗。從而支撐行業數字化轉型更廣泛的場景與更大的價值創造，實現企業人與物、物與物、物與網絡之間的全面互聯，提升企業的管理水平和運營效率。