隨著國(guó)家《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》和《物聯(lián)網(wǎng)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)三年行動(dòng)計(jì)劃（2021-2023年）》的政策出臺(tái)，物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展迎來(lái)了新一波浪潮。在農(nóng)業(yè)、制造業(yè)、生態(tài)環(huán)境、智慧消防等場(chǎng)景下，以數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化升級(jí)為動(dòng)力，物聯(lián)網(wǎng)承載了各種感知終端數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹厝巍?/p>

升哲科技：自研發(fā)Alpha/Alpha+協(xié)議

升哲科技從成立之處，就致力于物理世界的數(shù)據(jù)采集，從最早的藍(lán)牙信標(biāo)（Beacon），到后來(lái)的IoT，再到后來(lái)的AIoT升級(jí)，均是圍繞著數(shù)據(jù)的收集、應(yīng)用。在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，升哲科技結(jié)合場(chǎng)景需求，先后推出了MAC層的自主協(xié)議，一是面向突發(fā)性業(yè)務(wù)的Alpha協(xié)議，二是面向突發(fā)性及周期性業(yè)務(wù)的Alpha+協(xié)議，并依托于自主協(xié)議，已經(jīng)完成了從田間地頭到高樓大廈的應(yīng)用項(xiàng)目落地。

Alpha/Alpha+協(xié)議對(duì)比

Alpha/Alpha+協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用典型的星型拓?fù)?#xff0c;包含終端、基站、中繼器和服務(wù)平臺(tái)，其中中繼器為可選節(jié)點(diǎn)。服務(wù)平臺(tái)與基站之間采用4G、5G或以太網(wǎng)多種方式熱備連接通訊。

1、基站

業(yè)務(wù)匯聚點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)空口數(shù)據(jù)采集、空口資源管理、時(shí)鐘同步、下級(jí)設(shè)備管理以及數(shù)據(jù)回傳至服務(wù)平臺(tái)，支持遠(yuǎn)程固件升級(jí)、配置等功能。

2、終端/中繼器

數(shù)據(jù)透?jìng)髂K，外接傳感器搜集業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

• 雙向通信；
• 自主入網(wǎng)、配置；
• 可靠傳輸；
• 鏈路自適應(yīng)，包括功率自適應(yīng)和速率自適應(yīng)。

Alpha協(xié)議

Alpha 協(xié)議支持終端進(jìn)行上下行雙向通信，上行通信通常由定時(shí)心跳或者指定事件來(lái)驅(qū)動(dòng)，而對(duì)于下行通信來(lái)說(shuō)，只有當(dāng)終端開(kāi)啟接收窗口時(shí)基站才能與終端進(jìn)行下行通信。

1、工作模式

根據(jù)不同的場(chǎng)景需求和時(shí)間同步原理，定義了 A、C、D、G、M等幾種工作模式。

2、上行策略

（1）碰撞檢測(cè)機(jī)制

終端在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送前進(jìn)行信道碰撞檢測(cè)，對(duì)于密集部署的場(chǎng)景可以極大地提高網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量。

（2）閉環(huán)功率控制

針對(duì)固定部署的終端，基站可根據(jù)接收到的終端信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算出功率調(diào)整值，然后通過(guò)下行數(shù)據(jù)傳遞給終端，終端修改功率等參數(shù)，降低系統(tǒng)內(nèi)的自擾。

（3）上行確認(rèn)

分為確認(rèn)上行和非確認(rèn)上行。確認(rèn)上行，終端每發(fā)送一次數(shù)據(jù)均需要基站確認(rèn)回復(fù)，適合對(duì)上行成功率敏感的場(chǎng)景。非確認(rèn)上行，終端僅發(fā)送一次數(shù)據(jù)無(wú)需基站確認(rèn)回復(fù)，適合頻繁周期上行不關(guān)心成功率的場(chǎng)景。

（4）選擇性回復(fù)

Alpha 協(xié)議設(shè)計(jì)了一種選擇性確認(rèn)回復(fù)機(jī)制，以減少多次非確認(rèn)上行帶來(lái)的額外冗余消耗。

3、下行策略

在下行策略上，Alpha協(xié)議通過(guò)基站選擇邏輯和下行緩存2種方式，解決基站下行擁塞、沖突、互干擾等問(wèn)題。

4、安全機(jī)制

在安全機(jī)制上，通過(guò)加密密鑰、加密算法和幀號(hào)自增等手段，從根源上避免重放、破解、偽造或因攻擊而產(chǎn)生的大規(guī)模安全問(wèn)題。

5、信道規(guī)劃

根據(jù)工信部的頻譜使用規(guī)定，對(duì)分配帶寬小的頻段，采用上下行同頻，對(duì)分配帶寬大的頻段，采用上下行異頻，盡最大可能提供網(wǎng)絡(luò)容量。例如470-510mhz頻段，其中470-490mhz按照200khz劃分出96個(gè)上行信道，500-510mhz按照200khz劃分出48個(gè)下行信道，490-500mhz為上下行隔離帶。同時(shí)Alpha協(xié)議設(shè)計(jì)了獨(dú)特的頻點(diǎn)掃描機(jī)制，終端會(huì)定時(shí)進(jìn)行當(dāng)前信道可用性檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)信道不可用時(shí)會(huì)觸發(fā)批量頻點(diǎn)掃描，根據(jù)基站確認(rèn)回復(fù)情況自動(dòng)切換到最優(yōu)信道，實(shí)現(xiàn)終端對(duì)網(wǎng)絡(luò)信道計(jì)劃修改的自適應(yīng)。

6、落地案例

依托Alpha協(xié)議，升哲科技在智慧城市、智慧消防領(lǐng)域，在學(xué)校、九小場(chǎng)所、老舊社區(qū)、工業(yè)、企業(yè)、文物古建、醫(yī)院、養(yǎng)老院等場(chǎng)景完成項(xiàng)目落地。例如在廣東省的深圳、珠海、汕尾等城市，通過(guò)Alpha協(xié)議，完成了應(yīng)急業(yè)務(wù)實(shí)施。

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Alpha+協(xié)議

Alpha+協(xié)議是升哲科技結(jié)合業(yè)務(wù)場(chǎng)景的需求，采用CDMA+FDMA機(jī)制，自主開(kāi)發(fā)的一套Alpha增強(qiáng)協(xié)議，簡(jiǎn)稱Alpha+協(xié)議。其具備如下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

·可靠性傳輸和及時(shí)傳輸

Alpha+協(xié)議通過(guò)對(duì)所有數(shù)據(jù)包進(jìn)行確認(rèn)，包括上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)。上行采用一對(duì)多的廣播確認(rèn)機(jī)制，更為高效和低耗。如果發(fā)送方?jīng)]有收到確認(rèn)，發(fā)送方立即開(kāi)啟重傳機(jī)制。

·高資源利用率

Alpha+協(xié)議采用雙通道方案，設(shè)置專用信道和共享信道。共用信道采用CSMA/CA技術(shù)，滿足信令、突發(fā)警報(bào)等突發(fā)緊急業(yè)務(wù)的傳輸需求，由于系統(tǒng)在時(shí)域劃分時(shí)隙，信道的利用率是Alpha協(xié)議的2倍；專用信道是基站為終端分配專用資源，滿足周期和大數(shù)據(jù)的傳輸需求，可以100%避免沖突，除去開(kāi)銷，時(shí)隙利用率最高可達(dá)80%，最大上行業(yè)務(wù)速率可達(dá)32kbps。

·支持大數(shù)據(jù)包傳輸

協(xié)議對(duì)大數(shù)據(jù)包進(jìn)行分段后，在多個(gè)時(shí)隙傳輸，接收端將多個(gè)分段重新拼成完成的數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層數(shù)據(jù)包的透明傳輸。相比較LoRaWAN協(xié)議的最大數(shù)據(jù)包255Byte，大大擴(kuò)展了應(yīng)用場(chǎng)景，滿足工業(yè)、地質(zhì)災(zāi)害等場(chǎng)景中幾百到上千Byte數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

·低功耗支持

通過(guò)終端節(jié)點(diǎn)定時(shí)喚醒和發(fā)射功率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，降低終端節(jié)點(diǎn)功耗。

·遠(yuǎn)程固件升級(jí)

Alpha+協(xié)議具有下行廣播、組播能力，傳遞大文件給多個(gè)終端，可支持遠(yuǎn)程升級(jí)終端設(shè)備固件。

·服務(wù)等級(jí)

Alpha+協(xié)議根據(jù)不同業(yè)務(wù)的緊急情況，將業(yè)務(wù)劃分為多個(gè)優(yōu)先級(jí)，高優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)擁有更多接入機(jī)會(huì)和優(yōu)先發(fā)送的權(quán)力。

·多基站共存干擾避免

不同基站上下行采用分頻或不同的跳頻圖樣，實(shí)現(xiàn)相同區(qū)域的基站互不干擾。

·中繼傳輸

協(xié)議支持中繼傳輸，終端可以被配置成中繼器。

·信息備份

所有注冊(cè)的終端信息，分別在基站及云端進(jìn)行備份，避免因?yàn)閿嚯娀蚱渌惓Ｓ|發(fā)設(shè)備重啟而導(dǎo)致的信息丟失。

1、工作模式

支持兩種工作模式模式：專用模式（D模式）和共享模式（S模式）。例如基站總計(jì)有8個(gè)信道，系統(tǒng)默認(rèn)為4個(gè)共享信道，4個(gè)專用信道，比例可以根據(jù)應(yīng)用求進(jìn)行更改。

2、私網(wǎng)劃分

Beacon消息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)ID進(jìn)行加密，可以保證用戶的構(gòu)建“私有”網(wǎng)絡(luò)，屏蔽使用該協(xié)議的其他網(wǎng)絡(luò)用戶。

3、入網(wǎng)注冊(cè)

終端開(kāi)機(jī)后，在默認(rèn)的下行頻點(diǎn)上搜索beacon。在成功接收beacon后，完成與基站的同步，完成同步后，終端在共享信道上發(fā)起入網(wǎng)注冊(cè)過(guò)程，基站將為終端分配網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)標(biāo)識(shí)，用于后續(xù)空口通信使用，為終端分配專用時(shí)隙資源。

4、上行信道跳頻

上行信道跳頻僅適用于共享信道。多基站共存時(shí)，通過(guò)使用不同的跳頻圖樣，避免上行沖突。同時(shí)當(dāng)區(qū)域內(nèi)固定頻域干擾時(shí)，采用上行跳頻可避免通信中斷，具有一定的抗干擾性。

5、數(shù)據(jù)傳輸

下行業(yè)務(wù)，采用一對(duì)一的確認(rèn)機(jī)制，上行業(yè)務(wù)采用一對(duì)多的確認(rèn)機(jī)制。下行時(shí)隙支持多個(gè)數(shù)據(jù)包級(jí)聯(lián)傳輸，采用級(jí)聯(lián)可以有效提高下行傳輸能力。

6、低功耗

A模式屬于低功耗模式，在沒(méi)有業(yè)務(wù)時(shí)，終端處于睡眠狀態(tài)。當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先在下行頻點(diǎn)上開(kāi)啟接收，接收beacon，重新調(diào)整時(shí)間同步。由于A模式下行接收受限，終端會(huì)定時(shí)醒來(lái)，上報(bào)設(shè)備狀態(tài)，基站在此時(shí)開(kāi)啟下行數(shù)據(jù)傳遞。

C模式為常規(guī)模式，下行永遠(yuǎn)處于接收狀態(tài)。

7、大數(shù)據(jù)包傳輸

當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包較大，在一個(gè)時(shí)隙無(wú)法完成整包傳輸，協(xié)議將對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分段處理，在多個(gè)時(shí)隙進(jìn)行傳輸。當(dāng)某一分段傳輸失敗后，終端只需要重新發(fā)送失敗的分段，不需要重新傳輸整個(gè)數(shù)據(jù)包，增加傳輸?shù)臅r(shí)效性，減少信道占用。

8、服務(wù)等級(jí)管理

基站中攜帶服務(wù)質(zhì)量等級(jí)信息QoS。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，終端可以發(fā)送高于或等于該服務(wù)等級(jí)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，低于該等級(jí)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不允許發(fā)送，從而降低網(wǎng)絡(luò)擁塞的同時(shí)，可以保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)得到有效傳輸。

9、鏈路自適應(yīng)

鏈路自適應(yīng)包括速率自適應(yīng)和功率自適應(yīng)。

Beacon中每8個(gè)周期發(fā)送一次功率控制信息。包括基站的發(fā)送功率和功率限制。終端可以根據(jù)這些信息調(diào)整發(fā)送功率，降低功耗。同時(shí)終端通過(guò)接收Beacon獲得當(dāng)前鏈路質(zhì)量，根據(jù)無(wú)線環(huán)境調(diào)整業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)速率，實(shí)現(xiàn)高效傳輸。

10、安全機(jī)制

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸會(huì)采用密鑰進(jìn)行加密處理。衍生密鑰計(jì)算在入網(wǎng)注冊(cè)過(guò)程中完成。終端在工廠環(huán)節(jié)即離線完成寫入根密鑰，云平臺(tái)管理所有終端的根密鑰信息。

11、落地案例

依托Alpha+協(xié)議的眾多優(yōu)點(diǎn)，升哲科技先后在智慧安防、智慧油田等場(chǎng)景落地項(xiàng)目。

智慧安防

采用Alpha+協(xié)議的S模式可以有效滿足應(yīng)用場(chǎng)景需求。Alpha+協(xié)議采用時(shí)隙aloha的接入方式，接入的成功率是Alpha協(xié)議的2倍；突發(fā)業(yè)務(wù)接入時(shí)延平均小于2秒；業(yè)務(wù)量為小包多次，隨到隨發(fā)，無(wú)需資源預(yù)先規(guī)劃；通過(guò)app進(jìn)行下行布控，時(shí)延小于2秒。

智能油田

針對(duì)這種業(yè)務(wù)類型，采用Alpha+協(xié)議的D模式，有效適配油田物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景。

• 協(xié)議為周期業(yè)務(wù)的終端分配專用時(shí)隙資源，可以絕對(duì)避免空口傳輸沖突，上行業(yè)務(wù)速率可達(dá)32kbps；
• 協(xié)議指示數(shù)據(jù)包分段，因此對(duì)應(yīng)用層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的大小沒(méi)有嚴(yán)格限制；此外，數(shù)據(jù)分段還可以提高重傳的效率；
• 協(xié)議對(duì)所有數(shù)據(jù)包進(jìn)行確認(rèn)，保證數(shù)據(jù)的安全可靠傳輸。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的从行业应用到智慧城市，升哲科技Alpha协议如何保障物理世界的数据传输的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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