依托TPUNB国产LPWAN技术打造的城域物联感知专网体系

依托TPUNB国产LPWAN技术打造的城域物联感知专网体系
建设及运营实践

摘要：随着物联网技术的不断发展，LPWAN（低功耗广域网）技术在物联感知领域的应用日益广泛。TPUNB作为一种国产LPWAN技术，凭借其低功耗、远距离、低成本、自主可控等优势，已成为构建城域物联感知专网的重要技术之一。本文围绕TPUNB技术的应用，介绍了其特点与优势，并通过城域物联感知专网的实际应用案例，分析总结了建设及运营经验，可为相关领域的实践者提供参考。
Abstract: With the continuous development of Internet of Things (IoT) technology, LPWAN (Low - Power Wide - Area Network) technology has been increasingly widely applied in the field of IoT sensing. As a domestically developed LPWAN technology,TPUNB,with its advantages of low power consumption,long-distance communication, and low cost,and autonomy and controllability,has become one of the important technologies for building a metropolitan - area IoT sensing private network. This paper focuses on the application of TPUNB technology, introducing its characteristics and advantages.Through practical application cases of the metropolitan-area IoT sensing private network, this paper analyzes and summarizes the construction and operational experience, which can provide references for practitioners in related fields.
关键词：TPUNB、国产LPWAN技术、城域物联网、感知专网、体系建设、运营实践
引言
物联网作为新一代信息技术的重要组成部分，在智能城市、智能交通、智慧农业等领域具有广泛的应用前景。LPWAN技术因其低功耗、广覆盖、低成本等特点，成为实现大规模物联网部署的重要选择。TPUNB技术作为国内的领先LPWAN技术，具有与国际标准相媲美的技术水平，已经在多个行业中得到应用。然而，如何在城域范围内利用TPUNB技术构建高效的物联感知专网，并在实际运营中保证其稳定性与可扩展性，是当前亟待解决的关键问题。
TPUNB技术概述与优势
TPUNB技术概述[1]

在物联网蓬勃发展的当下，底层技术的自主创新至关重要。TPUNB 技术正是聚焦于这一关键领域，深度钻研硬核底层技术。TPUNB技术经院士科技成果鉴定：“超窄带物联网通信系统及芯片”整体技术达到国际先进水平，其基于S-FSK的低功耗广域物联网技术实现架构属国际首创，打破了国外技术的垄断，实现了我国在低功耗窄带物联网领域的自主创新发展。
凭借 TPUNB 基站、网关、模组等核心网元设备，该技术可依据不同场景需求，灵活运用多种组网方式，快速搭建安全可靠的物联专网。在网络覆盖范围内，能够轻松实现大量感知终端的超低功耗连接，不仅具备高安全性、强抗干扰能力，还能支持高并发连接，同时兼具低成本、易部署的显著优势。这些卓越特性，使其在智慧城市、智慧园区、智能电力、工业物联网等诸多领域拥有广阔的应用前景，为推动各行业的数字化、智能化转型提供了强大助力。
TPUNB 结合面向应用定制化的通信组网协议，支持433MHz、470～510MHz非授权频段，同时也支持定制开发的230MHz、800MHz等授权频段，具备高安全性、抗强干扰、多并发、低成本、易部署等特点。TPUNB技术特性如下所示：

表1 TPUNB技术特性
调制方式 S-FSK 网络拓扑星型，Mesh
发射功率网关：最大30 dBm
模组：最大20 dBm 可唤醒控制类设备
通信模组最低功耗 10μA
通信覆盖城区：3 km
郊区：10 km 通信模组静态功耗不大于3μA
物理层速率 0.2~30 kbps 芯片自主可控情况自主可控
DSME并发容量 1秒40~80个是否支持二次开发定制支持
灵敏度 -134 dBm@0.2 kbps
-111 dBm@30 kbps

TPUNB技术优势[1]

TPUNB无线窄带通信系统技术优势体现在两个方面：“底层通信能力”和“感知系统能力”。在底层能力方面，基于MuFFS 空中接口技术及芯片技术TPUNB 技术提供坚实安全的底层通信能力；在系统能力方面，基于底层通信系统，面向上游提供泛协议接入能力，面向下游提供即插即用的高效灵活的感知系统能力。既能运用灵活的多模协议控制技术，系统性地支持多样化应用，也能满足多应用场景的深度定制需求，同时保证了通信数据的安全性。

TPUNB技术与国际LPWAN标准对比分析

在全球LPWAN（低功耗广域网）技术体系中，TPUNB作为国产自主可控的LPWAN解决方案，与国际主流技术标准（如LoRa、NB-IoT等）在多个方面存在显著差异。这些差异涉及传输距离、功耗、数据速率、网络架构、安全性以及运营模式等关键因素。为了更清晰地展示TPUNB与国际LPWAN标准之间的异同点，以下表格从覆盖、物理层速率、DSME并发容量、网络拓扑、灵敏度、功耗、芯片自主可控等多个维度进行详细对比，以便更系统地体现TPUNB的技术特点及其相对优势。
表2 TPUNB与国际LPWAN标准对比
对比维度 TPUNB LoRa NB-IoT
覆盖视距: 10 km（发射功率30dBm）视距: 10 km（发射功率30dBm）视距: 10 km（发射功率43dBm）
物理层速率 0.2-30 kbps 0.3-50 kbps 最大65 kbps
DSME①并发容量 1秒40~80个 1秒8个不支持
网络拓扑星型, Mesh 星型, Mesh 星型
灵敏度 -134 dBm@0.2 kbps
-111 dBm@30 kbps -134.5 dBm@0.5 kbps
-148 dBm@<0.05 kbps -114 dBm@20 kbps
通信模组静态功耗不大于3 uA 不大于3 uA 不大于20 uA
可唤醒控制类状态的通信模组最低功耗 20 uA mA级 mA级
芯片自主可控自主非自主受限自主
①DSME：确定性同步多信道扩展(Deterministic and Synchronous Multi-channel Extension,DSME)，也叫确定性时延调度，这种调度方式通过提前为终端设备分配固定的时频资源，确保在关键时刻数据能够及时传输。
从上述对比可以看出，TPUNB技术具有更高的确定时延并发能力、具有更低的可唤醒终端设备通信模组功耗、更高的自主可控的可信传输能力，可广泛运用于工业智控、智慧城市等要求更低时延、更低功耗、更高自主可控的应用场景。

城域物联感知专网体系建设与运营实践
依托国产自主可控TPUNB技术，开展城域物联感知专网体系建设及运营，构建高效、安全、可扩展的物联网基础设施，实现城市级物联感知数据的广泛接入与智能化管理，从需求分析到技术实施，再到运营管理，各个环节的紧密衔接保证体系的长期稳定运行。

城域物联感知专网体系建设及运营需求分析

1.物联感知专网网络覆盖需求
随着城市建设的不断发展，城市治理服务工作需求的不断变化，对灾害防御、生态环境、城市运行等领域的物联感知网络服务需求愈发强烈[2][3][4][5]。当前城市治理领域物联感知终端主要通过4G\NB-IOT网络接入，经过项目实践发现4G/NB信号在隧道、井盖、建筑物等场景覆盖较差，难以穿透，造成三防场景排水管网水位监测、消防场景城中村室内烟雾监测等项目设备在线率达不到要求、数据丢失、数据频繁重发、数据上报时延高、设备功耗高等一系列问题，极大增加了项目后期的运营维护成本。因此，亟须覆盖广、低功耗、低成本、大容量的物联感知专网，保障物联感知终端设备稳定可靠的通信网络需求。
2.物联感知平台需求
在构建物联感知专网时，还需建设统一的物联感知平台，以便开展物联感知数据的采集、归集、共享和分析工作，实现城域级物联感知终端统一接入、统一数据管理、统一接口赋能，支撑各领域推进物联感知智慧应用场景建设，避免各业务部门重复性建设和共享共用困难等问题。
3.物联感知标准规范需求
城域物联感知专网体系建设与运营涉及大量不同厂家、不同类型的物联设备。需要统一的标准规范，对设备的接口、通信协议等作出明确规定，对数据的采集、传输、存储及处理等环节进行标准化约束，保证数据的准确性、完整性和一致性。此外，标准规范为产业链上下游企业提供了共同遵循的准则，有利于打破行业壁垒，促进各企业在技术研发、产品生产等方面的协同合作，推动产业健康有序发展。
4.运营服务探索
城域物联感知专网涵盖海量设备与复杂数据，不同行业、不同群体对物联感知服务的需求各异，运营服务探索可以及时响应并解决用户在使用过程中遇到的问题，同时改变传统业务部门既是建设者又是使用者的状况，探索以运营服务的方式，购买物联感知体系运营服务，搭建物联感知建设“建设运营并重”管理架构，创新建设运营模式，让各业务部门专注于物联感知业务应用，整合具有专业技术力量的市场主体保障技术运营服务质量，提高技术运营的专业性和连续性。
5.N个试点场景数据服务需求
为加快推进海珠区域物联感知体系整体建设，形成切实可行的可复制可推广的物联感知体系标准规范，结合各委办局实际业务需求，试点打造道路安全监测、文物古建安全监测、旧改社区安全监测、电动自行车违规入户充电监测等试点场景数据服务，改变传统业务部门既是建设者又是使用者的状况。

建设及运营目标

项目基于“物联、数联、智联”三位一体的建设思路搭建区级物联感知体系基础架构。项目采用100％自主知识产权的TPUNB（Techphant Ultra-Narrow Band）窄带物联通信系统，以物联网+大数据+AI技术+云计算技术，建设“4个1+N”的物联感知体系，即打造1张全国产化的物联感知专网，构建1个区级物联感知平台、制定1套物联感知标准规范、探索1套物联感知运营服务体系，打造N个物联感知试点场景。后续总结网络覆盖、场景示范、数据服务、平台运营等多方面试点成果，形成可复制可推广的标准化体系化经验，为推动国产化物联感知产业化发展奠定基础。

架构设计

图1城域物联感知专网体系建设及运营总体架构
基于TPUNB技术，构建城域物联感知专网体系建设及运营的“4个1+N”总体架构。
1张全国产化物联感知专网，为城市物联智能感知终端提供广泛且稳定的自主可控通信网络覆盖。
1个区级物联感知平台，实现全区物联感知数据的接入与汇聚、管理与共享。
1套城域物联感知标准规范体系，为城域物联感知体系建设、感知终端数据汇聚接入、物联感知平台数据汇聚、数据管理、数据共享赋能有标准可依。
1套运营服务，实现数据接入、数据挖掘分析、场景构建等于一体的常态化运营服务。
N个物联感知试点应用场景，通过智慧物联试点场景打造，促进海珠区域物联感知体系整体建设的同时，也助力提高海珠区智能物联感知实时监测与预警能力，增强应对突发事件、安全事件的反应能力，提升业务效率和社会服务水平。

构建TPUNB城域物联网专网的关键技术

1.S-FSK：高增益的S-FSK调制技术
S-FSK调制技术采用联合SIMS扩频与FSK调制的联合扩频调制，在保持低功耗无线传输的同时，实现比传统DSSS扩频更高的扩频处理增益，实现更高的并发接入。
2.自主可控的底层通信芯片
通过自主研发超低功耗窄带物联网芯片，将MuFFS物理层空口技术芯片化，同时引入底层物理层安全认证，实现芯片级通信安全。
3.轻量化安全认证
在密钥协商协议（AKA）基础上，加入物理层认证，采用对称密钥机制，国密、ZUC密钥生成算法，形成适用于窄带物理层的、高效安全的安全架构，从物理层入口到应用提供全方位的安全保障。
4.低功耗空中唤醒
通过将防串音干扰技术融入底层通信协议，实现终端设备在低功耗空中唤醒模式下的创新性应用，支持单个模组终端设备的精准唤醒，从而有效延长终端设备的电池使用寿命。
5.确定性时延传输
针对复杂场景中确定性并发时延控制通信需求，对DSME调度算法进行了定制优化，提高网络的吞吐量和可靠性。

TPUNB在实际建设及运营中的挑战与解决方案

物联感知专网的长期稳定运行是确保系统效益最大化的重要前提。在实际应用过程中，可能会遇到网络覆盖、设备运维、数据治理、安全防护等多方面挑战。城市环境中的高楼、地下设施等可能会对TPUNB信号产生衰减，影响数据传输的稳定性和可靠性。为优化信号覆盖，运营过程中需合理规划基站部署密度，利用智能天线调节技术和边缘计算数据中继手段提升网络质量。此外，随着物联网设备数量的不断增长，设备长期运行可能出现硬件故障、功耗异常等问题，因此需要远程诊断与维护系统，支持设备状态监测、智能告警和固件远程升级，以降低运维成本，提高设备的稳定性和可靠性。
物联网数据来源广泛，数据格式不统一，数据治理与共享成为另一项关键挑战。为确保数据的完整性和准确性，平台需建立标准化数据格式、自动数据清洗和异常检测算法，保障数据质量。同时，构建开放的数据共享接口，实现跨部门、跨行业的数据互联互通，提高数据的应用价值。在安全防护方面，物联感知数据涉及公共安全与个人隐私，必须符合国家安全标准。通过零信任安全架构、多级访问控制、数据加密存储、数据水印技术等手段，提升数据安全防护能力，并定期开展安全评估，修复潜在漏洞，确保数据资产安全可控。TPUNB技术在智能城市建设中展现出广覆盖、低功耗、高安全性的优势，结合科学的运营管理策略，可为未来智慧治理提供强有力的技术支撑。

TPUNB城域物联感知专网建设及运营实践成果与展望

1.建设及运营实践成果
海珠区城域物联感知专网采用TPUNB技术在琶洲地区打造了首个全国产化的物联感知专网试点，建设成了“4个1+N”的物联感知体系，使城市治理更聪明更有智慧。项目建设及运营实践成效明显，项目成果案例荣获2024第十二届中国电子信息博览会创新奖、2024第七届数字化转型与创新评选，全国城市全域数字化转型典型案例、并被南方日报、36氪等广泛宣传报道。
基于建设的TPUNB城域物联感知专网，在海珠全区18个街道推广安装了电动自行车电池违规入户充电安全监测设备，已覆盖城中村、老旧小区等高风险区近万户，并持续推广拓展中。2024年上半年，告警总数环比下降49.25%，火灾防控成效明显，其经验做法被北京市、深圳市、南京市、苏州市等先发地区复用。电动自行车电池违规入户充电安全监测场景入选2024智慧应急典型案例。
2.未来展望
未来，随着技术的不断研发和创新，TPUNB城域物联感知专网的通信性能将进一步提高。如通过优化物理层和链路层设计，提升信号传输的稳定性和抗干扰能力，扩大覆盖范围，提高数据传输速率，将满足更多高要求的万物互联应用场景[6]。未来，物联网作为一种具有广泛影响力的技术体系，将深度渗透并重塑人类生活的各个维度[7]，物联网所构建的万物互联未来，蕴含着巨大的发展潜力与无限可能，它将全方位提升人类生活的便利性、高效性与品质，为人类社会的持续进步注入强大动力。

参考文献
[1]广州技象科技有限公司（2023）.《TPUNB全景：技术与应用白皮书》白皮书 [白皮书].https://www.techphant.cn/xzzq 广州：广州技象科技有限公司
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[3]陈天祥,黄扬,张志,等.全要素清晰化：数据赋能基层治理的内在机制——苏州市姑苏区“城运平台”建设的经验启示[J].华南师范大学学报(社会科学版),2023,(06):107-121+207.
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[7]Hassoun A ,Jagtap S ,Trollman H , et al.From Food Industry 4.0 to Food Industry 5.0: Identifying technological enablers and potential future applications in the food sector.[J].Comprehensive reviews in food science and food safety,2024,23(6):e370040.