自低功耗廣域物聯網 (LPWAN) 出現之后，經過短短幾年的發展，如今已經成為行業關注的焦點。騰訊云在 LPWAN 方面積累了很多的經驗和教訓，本文將詳細介紹我們在 LPWAN 接入網絡和終端解決方案方面的技術探索和應用實踐。
LPWAN，新一代物聯網底層通訊技術
回到 2000 年左右，物聯網的底層技術支撐還是「ZigBee」，雖然當時 ZigBee 的終端功耗指標其實也并不龐大，但是，「拓撲復雜導致工程實施難度大」、「網絡規模小導致的整體效率低下」都成為限制其發展的主要因素。
LPWAN 技術的出現解決了上面的幾個問題，從而正式作為新一代的物聯網底層通訊技術出現在公眾的視野中。不過決定一項技術能否規模應用的關鍵主要還是該技術的投入產出比，相比前代是否有了數量級上的優勢。
在這兩個方面，LPWAN 都優勢明顯。比如在低功耗方面，LPWAN 達到了「能在電池供電的情況下工作數年同時又能通過無線聯網」的標志性里程碑;其次，在網絡規模上，LPWAN 追求 1000 倍，甚至 10000 倍的比值，覆蓋半徑達到 2～10 公里。這意味著可以以較少的基站就能夠支撐大量的終端設備工作。
目前國內可用的 LPWAN 技術主要包括 NB-IoT(授權頻段) 以及 LoRa(開放頻段)。
值得注意的是，與 ZigBee、藍牙 Mesh 等技術不同，LPWAN 技術采用了更為簡單的星型拓撲設計。
騰訊云自主研發 Alpha 協議，歷經長期演進與大規模應用，
騰訊云 LPWAN 的出現為低功耗廣域物聯網提供了新的思路。該協議的設計與物理層選型無關，也就是相同的協議架構可以構建在各種不同的物理層之上，比如 433M、UNB、OFSK 等。其中，騰訊云首先基于 LoRa 物理層來構建 LPWAN 接入方案。
實際上，評價一項技術網絡能力的高低，必須從覆蓋和容量上入手。而在這之中，「覆蓋」即通訊距離，主要取決于物理層無線電調制方案的技術選型?！溉萘俊辜淳W絡規模，主要取決于通訊協議本身的設計思想。經過大量的測試得出，騰訊云 LPWAN 在開闊環境中，通訊距離可以達到 10Km 以上。在典型城市環境中，通訊距離也可達到 3～5Km。這樣的成績，足以證明 LoRa 在通信距離上的優異性能。
而另一方面，由于空中的無線信道本質上是由區域內所有的終端與基站一起共享的資源，所以，容量方面，最主要的考慮是通訊交互對于空中信道的使用效率。對此，騰訊云 LPWAN 網絡協議以「最輕量的通訊」作為設計目標。完成一次通訊交互，最低限度需要幾個無線電發射行為? 在各種典型場景下，是否有可能優化交互時序，節約幾次發射行為? 在特殊情形下，是否會出現自激和群驚效應，惡化信道占用? 這些是在協議設計視角最為關心的考量。
基于對這些考量，騰訊云 LPWAN 網絡技術團隊創造性地反向優化協議本身，積累了很多獨家的優化策略。
作為一個完全自主研發獨立知識產權的通訊協議，在長期演進與大規模的應用之中，因應具體應用的需求，不斷大膽迭代，不停引入特性。但這并不意味著騰訊云 LPWAN 在兼容性上存在著問題。實際上，騰訊云 LPWAN 的網絡技術團隊，通過額外的技術手段，仍然保持了與標準 LoRaWan 通訊行為的兼容。
騰訊云 LPWAN 的 Alpha 協議設計與頻譜無關，相同的協議架構可應用于任何頻段。然而，涉及到具體的設備生產和網絡搭建，就不允許有任何的不確定性變量，落地必須確定頻段。目前騰訊云 LPWAN 網絡的 Alpha 協議、芯片和基站，在中國大陸主要工作在 470MHz～510MHz 頻段。
基礎網絡服務先行 騰訊云 LPWAN 打造最好用的網絡側設備
核心網：騰訊云 Alpha 協議主要由三個彼此緊密耦合的部分構成。其中，一部分邏輯運行在終端芯片的固件之中，一部分邏輯運行在基站芯片的固件之中，最復雜的那部分邏輯運行在一個被稱作「核心網」的云端系統之中。
所有基站的通訊數據全部匯集到這個云端，進行協同，并根據歸屬把數據路由到相應的應用服務器。特別是在經歷過大規模城市級網絡部署考驗之后，功能成熟只是 Alpha 核心網的一個方面。與此同時，可水平擴展的系統負載承接架構也讓其性能可靠。除此之外，在監測、監控、操作、運維、生產等緯度內，核心網展現了強大實力。
基站：騰訊云 LPWAN(LoRa) 基站主要是為了滿足規?；鞘薪ňW需求而研發的產品，基站依賴于核心網的功能支撐，接受它的集中管理。在大量的實際部署之中，經歷嚴酷的工況與復雜實際應用的考驗，基站產品具有很多獨到的設計。
建網服務：城市級的物聯網網絡實施仍然是一個復雜工程。在過程中，不僅需要較強的組織協調能力，完備的工具鏈支撐，地面團隊的掌控能力以及施工質量的控制流程，具體建網步驟這里不再贅述。
以北京市網絡建設為例來看，北京市網絡屬于一次性規劃一次性覆蓋的典型案例。五環以內城市主要區域，共計包括 500 多臺基站，安裝在中國鐵塔的站址上。前期準備勘查 1 個月，安裝實施過程為期 2 個月，最高峰同時對接 13 個鐵塔施工團隊，通過嚴格的培訓和驗收流程掌控實施質量，在實際測試過程中，成果顯著。
發力終端硬件產品 構建物聯時代下的最佳解決方案
在當基礎網絡服務搭建完成之后，接下來的重頭戲將落在終端硬件產品的身上。
芯片：主要是為了滿足大量終端設備的整合需求而研發的產品，芯片內置 Alpha 協議的終端側邏輯，對外輸出一個標準硬件串口。
通訊模組：騰訊 LPWAN(LoRa) 的模組，是一個非常簡單的構建模塊，由芯片以及六個外圍原件組成，主要是為了滿足外部合作伙伴快速驗證技術對接而研發。
自研終端：主要集中在「消防」以及「空氣凈化」方面。
結語
本文詳細介紹了騰訊云在低功耗廣域物聯網 LPWAN 方面的的技術探索和實踐，目前騰訊云 LPWAN(LoRa) 接入網絡&終端解決方案已經在智慧消防服務、智慧園區方案以及數字工廠領域成功應用。后續，騰訊云將繼續加大在物聯網領域的研發和投入，加快物聯網落地更多場景。
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