无线远程抄表网络解决方案研究

王玉静

近年来，作为物联网重要分支的无线远程抄表网络（WRMRN）受到业界的广泛关注并发展迅速。WRMRN打破了以往人工抄表技术的种种弊端并开始应用在越来越多的行业当中，可以实现人、机器、环境等各方面信息参数的远程化精确实时收集，从而提高工业、农业、公共服务、医疗保健等领域信息收集的广度和效率，从而使各行业信息自动化水平得到跨越式的提升，为物联网大数据挖掘技术的发展奠定了坚实基础。

远程抄表;物联网;Zigbee;GPRS;窄带物联网;LoRa

1.WRMRN的主要特性和要求

1.1低功耗性

无线远程抄表网络通常工作在长期无人执守的偏远偏僻地区，无法进行电池的频繁替换。同时，在许多场合中需要保证抄表的全天运行和实时监测状态。这就要求网络中节点都要尽可能降低功耗，以保较长的工作寿命。

1.2高可靠性

由于涉及到費用和安全等因素，无线远程抄表网络往往要求网络节点具有很高的可靠性，如某些节点需要进行替换或者调整时，其他节点仍然可以工作，以避免因个别节点故障而影响整个网络系统的正常运行。

2.WRMRN解决方案分析比较

2.1WRMRN解决方案

当前较为常见的WRMRN技术主要有ZigBee、LoRa、GPRS和NB-IoT等技术。本文将针对这些WRMRN解决方案进行介绍与分析。第一，ZigBee，是由ZigBee联盟发展起来的低传输速率、短距离应用的一种成熟无线网络技术，曾用名还包括“HomeRFLite”、“RF-EasyLink”、“FireFly”等，目前统一称为ZigBee技术。ZigBee中物理层（PHY）和数据链路控制层（MAC）协议栈采用IEEE802.15.4标准进行定义。但国内主要使用2.4GHz免授权频段，因此下文中主要针对其2.4GHz模式进行说明。ZigBee以半双工模式工作，采用偏置正交相移键控调制（O-QPSK），并结合直接序列扩频（DSSS），可实现250kbps的数据传输率。ZigBee的MAC层采用了带有碰撞避免（CA）的载波侦听多址接入（CSMA）机制，包括了信标模式（Beacon-Enabled）和无信标模式（Beaconless）两种信道接入模式，并允许使用确定应答（ACKs）进行单播传输。ZigBee可将装置定义为三种角色：路由器、协调器和终端节点，支持树状、网状的拓扑寻址和路由。在网状拓扑中，采用了基于自组网按需平面距离向量（AODC）的路由协议设定和维护路由，可用于任意点对点通信，也提供多点对单点路由，用于多点装置节点与中央收集节点或者接收节点之间的通信;第二，LoRa。LoRa（LongRang）技术是由Semtech公司发布的一种面向无线传感网络与控制应用的通信技术，属于低功耗物联网通信技术中的一员。LoRa物理层上主要在433MHz/868MHz/915MHz等Sub-GHz授权频段中运行，信道带宽125kHz并采用半双工模式，可实现0.3kbps～50kbps的传输速率，能够实现-148dBm的接收灵敏度;结合线性调频扩频调制技术和前向纠错编码技术，以实现更强的抗干扰性和安全性。目前，基于LoRa技术研发的MAC协议只有LoRaWAN协议，它是由LoRa联盟发布的，针对集中式的星型拓扑结构而设计的。根据LoRa通信过程中终端设备与网关之间的上行下行信息需求，LoRaWAN协议特定将LoRa终端设备定义了三种不同的工作模式，分别为ClassA、ClassB和ClassC。终端在一个时间内只能允许工作于一种模式，以实现不同的业务模型和省电模式。当前ClassA工作模式因能够满足抄表应用的省电需求而被广泛应用。在ClassA模式下不主动进行终端设备的下行链路发送，而在上行链路传输后存在两次很短的下行链路接收窗口。终端设备可根据LoRaWAN协议并结合自身的通讯需求对传输时隙进行随机微调从而实现省电。根据LoRaWAN协议，LoRa网络架构由四部分构成：终端节点（包含传感器）、网关/中继、网络服务器、应用服务器。LoRa技术采用透明传输的中继作为网关，连接LoRa终端设备和后端网络服务器;LoRa网关与网络服务器间通过标准IP连接。第三，GPRS。通用分组无线业务（GPRS）是全球移动通信系统（GSM）向第三代移动通信（3G）演变的过渡技术，所以亦称为“2.5G”。GPRS网络是在现有GSM网络中增加GGSN（网关支持节点）和SGSN（GPRS服务支持节点）来实现的，使得用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。GPRS的协议较为复杂，包括了物理层、MAC层、网络层等在内的5级层次。其继承了GSM的无线调制技术、频段、频带宽度、突发结构、跳频规则以及TDMA帧结构，采用FDMA/TDMA方式将运营商的上/下行授权900MHz/1800MHz频段分成200kHz带宽的多个载频;同时在时域上，将每个TDMA帧分成8个时隙而实现单载频，其最多同时承载8个移动客户。

2.2WRMRN解决方案的性能分析比较

首先，从频段来看，除了ZigBee外，其他3种技术主要工作在Sub-GHz频段，因而具有较好的电波绕射能力，适合工作在城市楼宇环境;LoRa和ZigBee采用非授权频段且网络部署成本低;而NB-IoT和GPRS则在授权频段上运行，因而更加稳定安全。在调制技术方面，LoRa、GPRS分别使用GFSK和GMSK调制方式，收发电路较为简单并且发射功耗更低;相比之下，ZigBee和NB-IoT都采用PSK调制而需使用相对复杂的电路，并且发射功耗较高[1]。在传输速率方面，ZigBee速率固定为250kbps，LoRa（0.3kbps～50kbps）、GPRS（9.05kbps～171.2kbps）和NB-IoT（<100kbps）则可根据通信质量灵活调整速率。在链路预算方面，ZigBee只有100dB的链路预算，这决定了其只适合于小范围的网络布置。相比较而言，GPRS的144dB、NB-IoT的154dB、LoRa的162dB链路预算，将使它们在面对复杂通信环境时更加游刃有余。另外LoRa和ZigBee网络一般采用简单的星状（STAR）结构，以降低网络的复杂性和能量损耗，但ZigBee保留了树状（TREE）、网状（MESH）组网方式。GPRS和NB-IoT则基于蜂窝网实现终端的网络接入，具有很高的网络稳定性。在网络容量上，ZigBee网络理论上允许65536个网络节点接入;LoRa则宣称其单网容量可达62500个;GPRS和NB-IoT全网的网络容量非常大，但单基站可允许终端接入数分别在1000和5万左右。在覆盖范围方面，星状组网和较低链路预算极大地限制了ZigBee网络覆盖能力，一般只能提供几百米范围的覆盖;LoRa则依靠其162dB链路预算能够提供公里级网络覆盖;GPRS与NB-IoT凭借蜂窝网技术能够提供跨区域的网络接入能力。在移动性方面，由于GPRS和NB-IoT本身属于移动网络分支技术，因此基本上没有移动性方面的问题;相对而言，ZigBee和LoRa则移动性欠佳[2]。

结论：

文章针对无线远程抄表网络解决方案方面进行了详细的阐述，希望能给相关人士提供参考建议。

参考文献

[1]刘颖.基于ZigBee和GPRS的远程无线抄表系统设计[D].西安科技大学，2016.

[2]李小玲.心电参数的检测与短距离无线传输[D].重庆邮电大学，2017.源技术，2018，35（03）：178-179.

[2]许茂森.关于网络安全分析的大数据技术实践解析[J].网络安全技术与应用，2018（08）：61+72.