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

Posted 2022-03-04 CSDN云计算

随着国家《“十四五”信息通信行业发展规划》和《物联网新型基础设施建设三年行动计划（2021-2023年）》的政策出台，物联网的产业发展迎来了新一波浪潮。在农业、制造业、生态环境、智慧消防等场景下，以数字化转型、智能化升级为动力，物联网承载了各种感知终端数据传输的重任。

升哲科技：自研发Alpha/Alpha+协议

升哲科技从成立之处，就致力于物理世界的数据采集，从最早的蓝牙信标（Beacon），到后来的IoT，再到后来的AIoT升级，均是围绕着数据的收集、应用。在物联网领域，升哲科技结合场景需求，先后推出了MAC层的自主协议，一是面向突发性业务的Alpha协议，二是面向突发性及周期性业务的Alpha+协议，并依托于自主协议，已经完成了从田间地头到高楼大厦的应用项目落地。

Alpha/Alpha+ 协议对比

Alpha/Alpha+协议的网络结构采用典型的星型拓扑，包含终端、基站、中继器和服务平台，其中中继器为可选节点。服务平台与基站之间采用4G、5G或以太网多种方式热备连接通讯。

1、基站

业务汇聚点，主要负责空口数据采集、空口资源管理、时钟同步、下级设备管理以及数据回传至服务平台，支持远程固件升级、配置等功能。

2、终端/中继器

数据透传模块，外接传感器搜集业务数据。

• 双向通信；
• 自主入网、配置；
• 可靠传输；
• 链路自适应，包括功率自适应和速率自适应。

Alpha协议

Alpha 协议支持终端进行上下行双向通信，上行通信通常由定时心跳或者指定事件来驱动，而对于下行通信来说，只有当终端开启接收窗口时基站才能与终端进行下行通信。

1、工作模式

根据不同的场景需求和时间同步原理，定义了 A、C、D、G、M等几种工作模式。

2、上行策略

（1）碰撞检测机制

终端在进行数据发送前进行信道碰撞检测，对于密集部署的场景可以极大地提高网络通信质量。

（2）闭环功率控制

针对固定部署的终端，基站可根据接收到的终端信号强度计算出功率调整值，然后通过下行数据传递给终端，终端修改功率等参数，降低系统内的自扰。

（3）上行确认

分为确认上行和非确认上行。确认上行，终端每发送一次数据均需要基站确认回复，适合对上行成功率敏感的场景。非确认上行，终端仅发送一次数据无需基站确认回复，适合频繁周期上行不关心成功率的场景。

（4）选择性回复

Alpha 协议设计了一种选择性确认回复机制，以减少多次非确认上行带来的额外冗余消耗。

3、下行策略

在下行策略上，Alpha协议通过基站选择逻辑和下行缓存2种方式，解决基站下行拥塞、冲突、互干扰等问题。

4、安全机制

在安全机制上，通过加密密钥、加密算法和帧号自增等手段，从根源上避免重放、破解、伪造或因攻击而产生的大规模安全问题。

5、信道规划

根据工信部的频谱使用规定，对分配带宽小的频段，采用上下行同频，对分配带宽大的频段，采用上下行异频，尽最大可能提供网络容量。例如470-510mhz频段，其中470-490mhz按照200khz划分出96个上行信道，500-510mhz按照200khz划分出48个下行信道，490-500mhz为上下行隔离带。同时Alpha协议设计了独特的频点扫描机制，终端会定时进行当前信道可用性检测，当发现信道不可用时会触发批量频点扫描，根据基站确认回复情况自动切换到最优信道，实现终端对网络信道计划修改的自适应。

6、落地案例

依托Alpha协议，升哲科技在智慧城市、智慧消防领域，在学校、九小场所、老旧社区、工业、企业、文物古建、医院、养老院等场景完成项目落地。例如在广东省的深圳、珠海、汕尾等城市，通过Alpha协议，完成了应急业务实施。

 

Alpha+协议

Alpha+协议是升哲科技结合业务场景的需求，采用CDMA+FDMA机制，自主开发的一套Alpha增强协议，简称Alpha+协议。其具备如下几个优势：

·可靠性传输和及时传输

Alpha+协议通过对所有数据包进行确认，包括上行数据和下行数据。上行采用一对多的广播确认机制，更为高效和低耗。如果发送方没有收到确认，发送方立即开启重传机制。

·高资源利用率

Alpha+协议采用双通道方案，设置专用信道和共享信道。共用信道采用CSMA/CA技术，满足信令、突发警报等突发紧急业务的传输需求，由于系统在时域划分时隙，信道的利用率是Alpha协议的2倍；专用信道是基站为终端分配专用资源，满足周期和大数据的传输需求，可以100%避免冲突，除去开销，时隙利用率最高可达80%，最大上行业务速率可达32kbps。

·支持大数据包传输

协议对大数据包进行分段后，在多个时隙传输，接收端将多个分段重新拼成完成的数据包，实现应用层数据包的透明传输。相比较LoRaWAN协议的最大数据包255Byte，大大扩展了应用场景，满足工业、地质灾害等场景中几百到上千Byte数据传输的需求。

·低功耗支持

通过终端节点定时唤醒和发射功率动态调节，降低终端节点功耗。

·远程固件升级

Alpha+协议具有下行广播、组播能力，传递大文件给多个终端，可支持远程升级终端设备固件。

·服务等级

Alpha+协议根据不同业务的紧急情况，将业务划分为多个优先级，高优先级的业务拥有更多接入机会和优先发送的权力。

·多基站共存干扰避免

不同基站上下行采用分频或不同的跳频图样，实现相同区域的基站互不干扰。

·中继传输

协议支持中继传输，终端可以被配置成中继器。

·信息备份

所有注册的终端信息，分别在基站及云端进行备份，避免因为断电或其他异常触发设备重启而导致的信息丢失。

1、工作模式

支持两种工作模式模式：专用模式（D模式）和共享模式（S模式）。例如基站总计有8个信道，系统默认为4个共享信道，4个专用信道，比例可以根据应用求进行更改。

2、私网划分

Beacon消息通过网络ID进行加密，可以保证用户的构建“私有”网络，屏蔽使用该协议的其他网络用户。

3、入网注册

终端开机后，在默认的下行频点上搜索beacon。在成功接收beacon后，完成与基站的同步，完成同步后，终端在共享信道上发起入网注册过程，基站将为终端分配网络临时标识，用于后续空口通信使用，为终端分配专用时隙资源。

4、上行信道跳频

上行信道跳频仅适用于共享信道。多基站共存时，通过使用不同的跳频图样，避免上行冲突。同时当区域内固定频域干扰时，采用上行跳频可避免通信中断，具有一定的抗干扰性。

5、数据传输

下行业务，采用一对一的确认机制，上行业务采用一对多的确认机制。下行时隙支持多个数据包级联传输，采用级联可以有效提高下行传输能力。

6、低功耗

A模式属于低功耗模式，在没有业务时，终端处于睡眠状态。当需要发送数据时，首先在下行频点上开启接收，接收beacon，重新调整时间同步。由于A模式下行接收受限，终端会定时醒来，上报设备状态，基站在此时开启下行数据传递。

C模式为常规模式，下行永远处于接收状态。

7、大数据包传输

当业务数据包较大，在一个时隙无法完成整包传输，协议将对数据包进行分段处理，在多个时隙进行传输。当某一分段传输失败后，终端只需要重新发送失败的分段，不需要重新传输整个数据包，增加传输的时效性，减少信道占用。

8、服务等级管理

基站中携带服务质量等级信息QoS。当网络发生拥塞时，终端可以发送高于或等于该服务等级的业务数据，低于该等级的业务数据不允许发送，从而降低网络拥塞的同时，可以保证高优先级业务得到有效传输。

9、链路自适应

链路自适应包括速率自适应和功率自适应。

Beacon中每8个周期发送一次功率控制信息。包括基站的发送功率和功率限制。终端可以根据这些信息调整发送功率，降低功耗。同时终端通过接收Beacon获得当前链路质量，根据无线环境调整业务数据速率，实现高效传输。

10、安全机制

业务数据传输会采用密钥进行加密处理。衍生密钥计算在入网注册过程中完成。终端在工厂环节即离线完成写入根密钥，云平台管理所有终端的根密钥信息。

11、落地案例

依托Alpha+协议的众多优点，升哲科技先后在智慧安防、智慧油田等场景落地项目。

智慧安防

采用Alpha+协议的S模式可以有效满足应用场景需求。Alpha+协议采用时隙aloha的接入方式，接入的成功率是Alpha协议的2倍；突发业务接入时延平均小于2秒；业务量为小包多次，随到随发，无需资源预先规划；通过app进行下行布控，时延小于2秒。

智能油田

针对这种业务类型，采用Alpha+协议的D模式，有效适配油田物联网场景。

• 协议为周期业务的终端分配专用时隙资源，可以绝对避免空口传输冲突，上行业务速率可达32kbps；
• 协议指示数据包分段，因此对应用层业务数据包的大小没有严格限制；此外，数据分段还可以提高重传的效率；
• 协议对所有数据包进行确认，保证数据的安全可靠传输。