P-IoT自组网模式研究
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【摘 要】为降低专网物联网（P-IoT）的建网成本，实现灵活部署和增强抗毁性以满足行业用户的应用要求，需对P-IoT自组网模式进行研究。首先，阐述了P-IoT自组网模式的重要性;在此基础上，从系统架构、支持的拓扑类型、协议栈设计以及技术优势对P-IoT自组网模式加以分析;最后，分析了P-IoT自组网模式在智能抄表与智能林防领域的创新应用。P-IoT自组网模式在多种应用环境下都能很好地满足行业用户的需求，在未来专网市场P-IoT自组网模式必将具备极强的竞争力。
【关键词】物联网;专网物联网;自组网模式
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
物联网扩展了移动通信的服务范围，从人与人通信延伸到人与物、物与物的智能互联[1]。全球范围内物联网产业在不断进步的网络技术、平台技术等推动下掀起了新一轮发展热潮[2]。随着物联网的蓬勃发展，专网用户对物联网的需求日益迫切[3]。据IDC预测：2019年至2022年期间全球物联网支出将保持两位数的年增长率，在2022年超过1万亿美元大关[4]。另据赛迪顾问预测：2025年我国物联网连接数将达到53.8亿[5]。面向未来，物联网应用将会呈爆发式增长，数以亿计的设备将接入网络，缔造出规模空前的新兴产业，为专网通信带来无限生机。
P-IoT利用行业用户的VHF、UHF窄带授权频谱，通过多种传输模式为行业用户提供多样化专网物联网服务[6]。在满足物联网对远距离无线接入技术低功耗、广覆盖、海量连接等要求的同时，因其是依托于行业专网构建的专属通信管道，P-IoT具有自主可控的特点，在安全性、可靠性、终端功耗等多方面优势显著，更贴合专网行业用户的特殊需求[7-9]。目前，P-IoT在石油化工、森林防火、地质灾害救援等应急领域已经应用于实战[10]，这些应用案例有力证明了P-IoT技术的先进性、实用性和有效性。同时，文献[10]指出在应急场景中用自组网技术作为专网的备份或延伸网络。将P-IoT技术与自组网技术结合，网络将兼具专网安全可靠和自组网灵活抗毁的优点，为P-IoT技术的发展和演进指明了方向。
1 P-IoT自组网模式的意义
P-IoT自組网模式是指大量P-IoT终端之间有序互通并自动组成大面积覆盖网络的工作模式。P-IoT自组网模式具有以下特点：
（1）自组织与独立组网。P-IoT自组网模式不需要任何预先架设的无线通信基础设施，所有节点通过分层的协议体系与分布式算法来协调每个节点各自的行为。节点可以快速、自主和独立地组网。
（2）多跳路由。由于每个节点的无线发射功率的限制，每个节点的覆盖范围都是有限的。有效覆盖范围之外的节点之间通信，必须通过中间节点的多跳转发来完成。P-IoT自组网模式中的分组转发由多跳节点按照路由协议来协同完成。 （3）动态拓扑。P-IoT自组网模式允许特定类型的节点在没有数据上报的时候进入休眠状态，同时网络中的个别节点可能由于技术故障、自然原因等出现宕机，因而为了保证网络的正常工作，P-IoT自组网模式支持网络拓扑的动态变化。
基于以上特点，P-IoT自组网模式一方面可以在无基站情况下完成终端的灵活组网和对目标区域的完整覆盖，能够满足对无网络覆盖地区进行关键信息采集的需求，如应用于地震灾区、矿区矿道、地铁隧道等基站信号覆盖不良的特殊场景。另一方面，P-IoT自组网模式可以通过网络中的协调器节点将自组网网络与外部系统互连，打通目标区域与外部的数据通道，将目标区域内的关键数据信息回传至数据中心，便于后方了解目标区域的实时态势，同时结合数据库中的历史数据，利用大数据技术进行数据分析比对和未来态势预测等。例如，在地质灾害救援场景使用自组网模式的P-IoT终端，将现场环境监测数据、救援人员监测管理数据、物质监测管理数据等回传至现场指挥中心，便于指挥员综合研判后下达指令。
2 P-IoT自组网模式
2.1 系统架构
在P-IoT自组网模式的系统架构中，根据P-IoT自组网模式设备功能以及复杂程度的差异，将设备分为全功能设备（FFD ， Full-Function Device）和精简功能设备（RFD， Reduced-Function Device）。其中，全功能设备可以存储完整路由信息，可以作为远程设备之间的中继器来进行通信，能够拓展网络的范围，负责搜寻网络，并可在任意两个设备之间建立端到端的传输，具有更多的存储和计算能力，其复杂度相对较高。精简功能设备负责数据的采集，其附带有限的功能来控制成本和复杂性，只能与全功能设备交互。设备的类型决定了其在系统架构中拥有不同的角色和任务分工。P-IoT自组网系统架构包含三种设备角色，分别是端设备、路由器和网络协调器。P-IoT自组网模式的系统架构如图1所示。端设备处于网络的末端位置，即MS1、MS2和MS5所在位置，只具有简单的收发功能，不能进行分组的转发，它可以是RFD或FFD。路由器可位于网络中的任何位置，通常通过发送信标实现与周围节点的同步，且具有转发分组的功能。图1中的MS3、MS4、MS6～MS9均为路由器，MS1、MS2和MS5可以是路由器，也可以是端设备，路由器只能由FFD充当。网络协调器一般处于网络的非末端位置，为整个网络的主控节点，并且每个网络只能有一个网络协调器。图1中的MS-Target即为网络协调器，它是三种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。网络协调器负责建立、启动并维护一个网络，具体职责包括选择合适的射频信道、选择唯一的网络标识符、发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、建立路由和持续接收信息。网络协调器只能由FFD充当。
2.2 拓扑结构
如图2所示，P-IoT自组网模式支持多种拓扑结构，包括星型拓扑、链型拓扑、树型拓扑和网型拓扑。星型拓扑主要用在直通模式下，所有从设备都要连接网络协调器，协调器负责网络的建立维护和数据转发，从设备只能和协调器进行直接数据传输，而与其他设备之间数据传输必须经过网络协调器转发。链型拓扑中的一个端节点是网络协调器，中间节点是路由器，另一个端节点为路由器或端设备。树型拓扑的树根节点是网络协调器，既有父节点又有子节点的设备是路由器，只有父节点没有子节点的设备可以是路由器，也可以是端设备。在树型网络中，端设备只能和自己的父设备进行通信，如果要与父设备以外的其他设备通信，必须经过树型路由完成通信。网型拓扑中，每个设备都可以与在无线通信范围内的其他任何设备进行通信。理论上任何一个设备都可定义为PAN主协调器，设备之间通过竞争的关系竞争主协调器。但是在实际应用中，用户往往通过软件定义协调器并建立网络，路由器和端设备加入此网络。网型拓扑中设备之间传输数据时，可以通过路由器转发，即多跳的传输方式，以增大网络的覆盖范围。
2.3 协议栈设计
增加自组网模式的P-IoT协议栈由物理层、媒體接入层、网络层和应用层组成。物理层负责无线数据的发送和接收、射频收发器的激活和关闭、接收包链路质量指示以及物理层属性参数的获取与设置。媒体接入层的功能包括：网络协调器产生网络信标，与信标同步，链路的建立和断开，为设备的安全提供支持，提供CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid，带有冲突避免的载波侦听多路访问）机制的信道接入。网络层负责网络的建立，网络设备的入网与脱网管理，路由的发现和维护以及网络地址的分配。应用层的功能可根据使用需求做定制化设计。协议栈分层结构如图3所示：
3 P-IoT自组网技术优势
3.1 安全可靠
安全性方面，P-IoT自组网模式采用中心节点管控的机制，实现对网络中每个节点的统一管理。接入网络中的节点需要向中心节点登记，并获得由网络分配的网络地址。网络可根据节点地址的特点来防范非法终端。P-IoT自组网模式也可采用鉴权机制来进一步保证网络的安全性。另外，P-IoT自组网模式可采用统一的数据加密技术，防止非法设备对网络数据进行窃取，保证整个网络数据的安全性。
可靠性方面，专网自组网有着专网先天性的优势，工作在独立的授权频段，相较于公网受到的外界干扰更小，管道质量更优异。对于采用多跳的自组网，无论是在单跳数据传输的质量上，还是在多跳传输的能力上提供了更加可靠的保证与支持。P-IoT自组网模式对网络有着更好的自主可控性。P-IoT自组网模式采用中心节点管控的机制，可实现对网络的管理与监测。中心节点可根据应用场景确定网络的拓扑结构以及网络的规模，同时能监测到网络节点的状态，通过对网络的管控能够实现自组网高质量、高可靠的服务。 3.2 低功耗
P-IoT自组网模式支持端设备的休眠机制。在整个时间轴上，端设备的状态区可分为活动区和非活动区，非活动区阶段端设备处于休眠状态，以达到省电的效果。其中活动区和非活动区的长度可根据端设备的业务量的多少进行配置。由于P-IoT自组网模式采用信标同步机制，因此不必担心端设备休眠后无法与网络同步。P-IoT自组网模式端设备的休眠机制很好地做到业务实现与省电的完美结合。端设备休眠机制超帧结构如图4所示：
3.3 灵活的传输模式
P-IoT自组网模式支持两种传输模式：4FSK模式和QAM模式。可根据实际业务需求对网络节点的传输模式进行灵活配置，使P-IoT自组网模式适用于更多的业务场景。当用户对数据的传输速率有一定要求时，可选择QAM模式。16/64QAM传输模式能够更快速地实现数据端到端的传输，满足用户对数据高速传输要求;当用户通信环境相对恶劣并且对自组网的传输数据量要求相对较低时，可选择4FSK模式。4FSK能够提供相对稳定的数据传输，满足用户对数据传输可靠性的要求。
3.4 多拓扑多场景应用
P-IoT自组网模式支持星型拓扑、链型拓扑、树型拓扑、网型拓扑等多种拓扑结构。其中，星型拓扑适用于小范围区域内布网，可用于楼宇抄表、工厂厂房监测等，例如应用于热能工厂厂房中进行温度检测及数据上报。链型拓扑适用于长距离链状分布的应用场景，例如智慧路灯和隧道照明等。树型拓扑和网型拓扑适用于广覆盖、多节点数据采集的应用场景，例如智能林防等。多种拓扑结构的优势使得P-IoT自组网模式能够适用于更多的生活工作场景之中，满足多行业用户的使用需求。
3.5 支持多种路由算法
P-IoT自组网模式的网型拓扑支持多种路由算法，可分成按需路由和表驱动路由两类。无论采用哪种路由算法P-IoT自组网模式都具备灵活的网络自愈能力。P-IoT自组网模式网型拓撲可根据应用场景的网络特点配置不同的路由算法。在网络节点数量较少，且对数据业务的实时性要求较高时可采用按表路由;在网络节点数量较多，且对数据业务实时性要求不高的情况下可采用按需路由。P-IoT自组网模式的多路由算法特点使其在应对不同环境时都能够有着很好的传输效率。
4 P-IoT自组网模式应用场景
4.1 智能抄表
现代生活中，水表、电表和煤气表的抄录和收费，是城市生活的一个大问题。近年来，信息化社会在逐步改变人们的生活方式与工作习惯的同时，也对一些传统的理念提出了挑战。人们出于对隐私、安全、便利等方面的考虑，渐渐排斥入户抄表，如图5所示。另一方面，随着供水、供电、供气、供热等部门对“一户一表”工程改造的推进以及对自动化的要求，远程自动抄表系统已成为水、电、气、热自动化管理和智能化控制不可缺少的组成部分，融入物联时代实现智能有效的管理已成必然。特别是国家无委会将原来模拟电视的470 MHz-510 MHz频段释放用于民用计量，无线抄表方案发展进一步加速。
相比于免授权频段（如LoRa）和公网授权频段（如NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网））的无线抄表技术，P-IoT自组网模式具有很大技术优势。一方面P-IoT自组网模式可以自动组建网络、自动发现与自动删除节点，无需手动设置路由，组网灵活，维护简单。另一方面，P-IoT自组网模式基于P-IoT技术，在数据安全方面防控全面：一是防窃听能力强，对关键数据、用户隐私及终端位置等信息进行全方位保护;二是防伪造能力强，对非法感知设备和伪造的数据鉴别能力强;三是防攻击能力强，对非法设备利用窃取到的历史数据发起攻击的抵御能力强;四是访问控制能力强，防止设备与数据被非法使用或访问的措施完善。
4.2 智能林防
随着国家做出一系列加快林业发展的重大战略部署，全国森林资源总量在不断增长，对森林防火工作也提出了更高的要求。森林防火必须贯彻“预防为主，积极扑救”的方针，真正做到早发现，早解决。因而采用技术手段进行林火监测报警是必由之路。由于林区有其地理特点，部署有线网络异常困难，无线通讯以其配置灵活、建设快捷、性能高效、低成本等特点正广泛应用于森林防火上，而在公网和专网基站信号无法覆盖的监测盲区，可搭建P-IoT自组网模式实现最后几公里的信息监测覆盖。
在监测盲区有针对性地对林地被监测区域进行监测布控，利用P-IoT自组网模式建成监测传感器网络，根据监测需要和具体环境将端设备和路由器以壁挂或抱杆的方式部署在监测位置，对森林颗粒物、温度、湿度、风速、风向、气压等数据进行连续监测，当测得数据符合林火特征时发出报警信号。网络协调器负责网络的建立和维护，并将采集到的数据传输至固定基站，最终回传至后方监控中心。自组网设备支持太阳能供电，可配置端设备为半休眠模式，节省用电。森林作业环境复杂、天气多变，对设备的环境适应性提出了更高的要求。一旦设备因技术故障、自然原因等引发故障，导致节点退网，P-IoT自组网模式可自动调整网络拓扑结构，重新建立路由，保证整个网络的正常运行，确保了森林盲区监测的连续稳定。利用P-IoT自组网模式可实现森林监控区域全覆盖，一旦出现火情可第一时间通知防火值班人员，做到及时发现、及时扑救，使火灾隐患消亡在萌芽状态。
智能林防应用场景如图6所示。
5 结束语
P-IoT自组网模式在行业用户对专网自组网需求迫切的背景下应运而生。该技术是一种高安全、高可靠、能为行业用户提供多种应用需求的自组网技术。本文重点介绍了P-IoT自组网的工作模式、技术优势以及应用场景。灵活的传输模式、多种拓扑结构及路由算法使P-IoT自组网模式在多种应用环境下都能很好地满足行业用户的需求，在未来专网市场P-IoT自组网模式必将具备极强的竞争力。 参考文献：
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作者简介
孙鹏飞：副教授，硕士毕业于哈尔滨工业大学，现任哈尔滨工业大学通信技术研究所教师，兼任哈尔滨海能达科技有限公司总经理，主要从事专网移动通信技术研究、产品研发及相关标准的制定工作。
于洋（orcid.org/0000-0002-1026-9797）：
工程师，博士毕业于哈尔滨工业大学，现任职于海能达通信股份有限公司，主要从事标准规划与制定、专网通信及宽带技术研究等工作。
孙红：工程师，硕士毕业于哈尔滨工程大学，现任职于海能达通信股份有限公司，主要从事标准规划与制定、O-RAN技术研究、自组网技术研究等工作。
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