專網物聯網在寬窄帶融合網絡中的應用探索

專M

專網物聯網

在寬窄帶融合網絡中的應用探索

苗雨1邵本貴2謝威2白寶杰2張喜斌2

1 ?警用無線數字通信公安部重點實驗室2.黑龍江省哈爾濱市公安局交通警察支隊松北大隊

摘要：寬窄帶融合是警用集群專網由窄帶向寬帶平滑演進的必然方向。隨著物聯網的蓬勃發展，專網用戶對物聯網的需求

日益迫切，而現有運營商提供的公網物聯網無法滿足專網用戶對數據安全的特殊需求，因此，亟需探索物聯網在寬

窄帶融合專網中的實際應用。在闡釋專網物聯網體系結構的基礎上，重點分析了專網物聯網在安全性、可靠性等方

面的優勢及在交管、消防領域的應用案例，最后總結了相關標準的進展情況。

關鍵詞：專網物聯網寬眘帶融合網絡齡雛

—、引言

集群通信是專業無線通信的重要組成部分，在有效處

置刑事、災害等各類公共安全突發事件和有序組織日益增

多的大型群體性活動中，發揮著不可替代的重要作用。特

別是在公共安全領域，集群專網通信是反恐處突、搶險求

援、重大活動安全保衛等工作中最重要的應急通信保障手

段之一〇

物聯網是通過感知設備按照約定協議連接物、人、系

統和信息資源，以實現對物理和虛擬世界的信息處理并做出

反應的智能服務系統。其具備的實時感知、主動上報、分析

預警等功能特點，剛好滿足公安用戶的新需求。為此，以寬

窄帶融合網絡作為可靠承載網，將物聯網技術應用于公安專

網，構建警用專網物聯網，以實現公安下一^誇、視頻'

物聯網數據、情報雛一體化調度模式，齡行業用戶新需

求及技術演進方向。

二、專網物聯網體系結構及關鍵網元

專網物聯網是承載在政府、公共安全、公用事業等行業

專網上的私有物*網。其有別于^營商共的^網物聯網（如

NB-loTNarrcwBandInternetofThings

( ,窄帶物聯網）），

月路于行業用戶-具有不影響專網原有通信業務、滿

足行棚戶對物聯網麵的求等#點。

按照所實現的不同功能劃分層級，專網物聯網體系結構

專如圖1所示，可分為感知層'傳輸層、支撐層和應用層。

專網物聯網關鍵網元包括專網物聯網應用平臺、物聯網數據

中心、寬窄帶融合專網、網絡管理系統（以下簡稱網管系

統）、專網物聯網網關、多跳節點設備和單跳節點設備。

12匿邏遂a 2017年第6期

公安寬雜融

三、專網物聯網優勢分析

在警用、應急等特殊行業背景下，與公網物聯網相

比，專網物聯網不論是在系統性能與實現功能上，還是在建

網與運營成本上均存在顯著優勢。以下將分別從安全性、可

靠性、可控性、經濟性與功能性五個方面進行分析。

(-)鏈性分析

專網物聯網網關可對接入的節點設備進行鑒權認證，

圖1專網物聯網的體系架構

感知層包括專網物聯網網關和節點設備兩類網元。節

點設備包括感知設備與控制設備。感知設備是專網物聯網中

用于采集目標對象信息的設備統稱，包括但不限于傳感器、

對感知層非法設備發起的攻擊起到過濾和隔離作用。如對節

點設備每曰上行業務量的上限做出規定以防止針對傳輸層的

DoSDenialofSeivice

( ,拒絕服務）攻擊，又如網關根據

網管系統定義的安全策略，上報節點設備的異常行為，第一

時間檢測到攻擊等。此外，單跳節點設備采用特殊的接入技

術可直接無縫接入寬窄帶融合專網，實現了專網物聯網“最

后一公里”的縣安全防護。與公網物聯網相比，專網物聯

網因其承載在寬窄帶融合專網之上，所以在安全性上更勝一

籌。采用端到端加密、空口加密及與互聯網實現網絡隔離，

使得專網物聯網在數據安全性上具有先天優勢。專網物聯網

的數據中心屬于私有云，是行業用戶的專有資源。對比公有

云，私有云環德齡凈、安全性更易把控、安全威脅更低。

fe

管理者可進行統一的數據管理、軟件部署、安全控制等，并

能更可靠地進朽數據的實時監測及備份與恢復操作。專網物

聯網應用平臺首先具備訪問控制功能，根據用戶等級來控制

用戶對物聯網數據的訪問權限。此外該平臺還具備根據不同

訪問權限對同一數據庫進行數據篩選的功能。對于越權數據

訪問行為，專網物聯網應用平臺具備安全審計功能。

綜上分析，專網物聯網分別在感知層、傳輸層、支撐

層和應用層均采用了相應的防護增強機制，系統整體的安全

性優于公網物聯網。

(二）可靠性分析

RFIDRadioFrequencyIdentification

( ,射頻識別）、

MMMachinetoMachine

2 ( ,機器對機器通信）模組、音

視頻信息采集設備、定位設備等；控制設備是專網物聯網中

行業用戶期望操控的設備統稱，包括但不限于交通信號設

備、微機電系統等。根據回傳數據的不同方式，節點設備又

分為單跳節點設備和多跳節點設備。采用_接入技術、可

直接接入承載網絡的設備稱為單跳節點設備；與之相對，需

通過物聯網網關接入承載網絡的設備稱為多跳節點設備。單

跳節點設備宜采用超窄帶技術體制的物聯網接入技術，以最

大限度地兼容現有系統，實現專網物聯網"最后一公

PDT

里”的-#化。專網物聯網網關是用于實現多跳節點設

PDT

備與寬窄帶融合網絡互聯的網關設備，應提供協議轉換、地

± 止映射、數據處理、信息融合、安全認證等功能。其南向接

口 支持多種主流 (

LPWANLow-PowerWide-Area

NetworkLoRaNB

,低功耗廣域網）無線接入技術（如、-

lT

〇等），北向接口用于對接寬窄帶融合專網。

傳輸層采用寬窄帶融合專網作為專網物聯網的承載網

絡。寬窄帶融合專網能夠傳輸包括語麵、物聯網數據

在內的多種數據類型，實現對節點設備信息和信令消息的可

靠傳輸。

支撐層包括物聯網數據中心與網管系統兩類網元。物

聯網數據中4、提供對感知數據、控制數據及?務關聯數據的

數據存儲、數據融合、分析處理等功能，向專網物聯網應用

平臺提供業務與資源支撐，為行業用戶二次開發提供標準接

口。網管系統是對專網物聯網關鍵網元及用戶行為等進行監

視、測試、配置、分析、評價和控制的系統。

應用層為專網物聯網應用平臺。專網物聯網應用平臺

按類別劃分可分為監控報警類、數據采集類、信息推送類、

遠程控制類、指揮調度類等多種類型平臺。

行業用戶的物聯網應用需要高度的可靠性，特別是在

緊急事件（如暴恐、火災、自然災害等）發生時，網絡資源

應保證不被其他非緊急用戶占用，緊急告警信息可及時迅速

地被傳送。公網物聯網因其面向大眾、“盡力而為”的服務

特點，當緊急事件發生時可能會出現短時間內通信量激增造

成信道阻塞、網絡基礎設施確契、行業用戶無優先使用權限

等諸多問題，顯然無法保證行業用戶對可靠性的特殊需求。

得益于承載網絡的專用性與可靠性，專網物聯網可保證在任

何時刻網絡的可用性，對于前述公網物聯網存在的問題均可

有效規避。信道擁塞的避免，也使得緊急告警信息可及時回

傳，提高了系統的實時性，對于時間敏感的應用場景（反恐

Police Technology 2017年第6期 13

處突、搶險求援等），專網物聯網無疑是必備的殺手銅。禁停路段上機動車違停情況并上報至交管部門的智能系

(三） 可控性分析

可控性是指為行業用戶量身打造的專網物聯網是完全

的可管可控網絡。入網的節點設備存在優先等級，系統允許

高優先級節點設備或數據優先占用信道資源，同時網關可對

物聯網數據等待隊列按照優先級別進行控制。網絡資源會向

優先級別最高的物聯網數據{如緊急告警信息等）傾斜。緊

急事件發生時，專網物聯網可實時對資源分配進行調整，限

制資源的使用并進行預留，防止因網絡擁塞導致優先級最高

的告警數據無法及時傳送，最大限度地保證了特殊場景下專

網用戶通信的可靠性。專網物聯網強大的管控能力是公網物

聯網所不具備的。

(四） 經濟性分析

首先，專網物聯網的承載網絡是寬窄帶融合專網，因

此在專網基礎設施的基礎上引入物聯網，豐富了業務的同

時，最大限度地保護了行業用戶的已有投資。其次，物聯網

業務的開展也提高了專網信道資源的利用率，行業用戶據此

可更加充分地利用已有資源。然后，采用單跳節點設備接入

方式的專網物聯網只需對已有系統設備進行軟升級后即可交

付使用，節省了新建網絡的人力與資金投入，大幅縮減系統

部署周期的同時，也極大地降低了系統的部署成本。最后，

從運營成本看，專網物聯網同樣優勢顯著，行業用戶如果選

擇采用公網物聯網，在日常的使用中，運營商會收取鏈路費

用或流量費用，而這些開銷在專網物聯網中均不存在。

(五） 功能性分析

專網物聯網的基礎功能是為行業用戶提供物聯網增值

業務。通過專網物聯網的引入，寬窄帶融合專網在提供語

音、視頻、圖片等原有業務的同時，還可為行業用戶提供亟

需的如定位、環境增強感知、數據采集與分析等物聯網特色

業務，提高了專網系統的綜合服務能力。此外，專網物聯網

可獲取包括人、事、物、境在內的綜合信息，全方位、多角

度地呈現現場信息，為分析研判和決策指揮提供重要的信息

支撐，是實現公安下一{七語^、視頻、物聯網數據、情報指

揮一#化模式、構建調度指揮“全國一張網”的最后一±夬拼

圖。

統。如圖2所示，違停車輛檢測系統是專網物聯網在交管

領域中的典型應用，該系統能夠自動檢測車輛違停情況并

上報告警，在緩解交警執法壓力的同時，又能有效減少違

停衍生的交通事故。

圖2違停車輛檢測系統

1. 違停車輛檢測系統的工作流程

(1 )無線地磁檢測器置于禁停路段路面下方，以實

時監測路面狀態，當有車輛停至禁停路段時，無線地磁檢

測器感知到空閑路面占用狀態發生變化后，通過無

LPWAN

線接入技術（如 ( ,遠距離無線技術

LoRaLongRange

等））將檢測結果回傳至專網物聯網網關；

(2}專網物聯網網關對所收到的消息進行協議轉換，

再通過寬窄帶融合專網回傳至物聯網數據中4、；

(3}

物聯網數據中心對接收到的數據進行處理后產生

告警信息，上報至專網物聯網應用平臺；

(4)

專網物聯網應用平臺收到告警信息后，開啟并調

整監控嫌頭，對準告警麵器所在路織行抓拍，攝錄，

以確認路面違俜情況并保留證據，同時，平臺對檢測結果進

行分析統計，并通過指揮中心顯示屏幕直觀呈現系統覆蓋區

內的違停情況；

(5)

當某路段新增違停車輛達到預設閾值時，違停告

警處置信息將經由寬窄帶融合專網下發至手臺或由調度員語

音通知路段附近的執勤交警，完成告警過程；

(6) 執勤交警收到告警信息后到達相應路段進行執法

賭。

2. 違停車輛檢測系統的優勢

(1)無線地磁檢測器自動周期上報檢測數據，檢測系

四、應用前景分析

(—)交管領域應用

隨著城市機動車數量曰益增多，違法停車行為大量涌

現，由機動車違停弓發的交通事故頻發。由于城市道路分

I

布密集且交警警力有限，交管部門亟需一類能夠自動檢測

統全天部署路段的鮮情況，能有效節省交瞥縦執

勤的人力投入；

(2}無線地磁檢測器技術成熟，具有成本低'易部署

和高靈敏度的特點，漏檢、誤檢概率低，能精準打擊違法停

車行為；

(3 )

寬窄帶融合專網為地磁檢測數據、攝錄的視頻和

14 I警親涿j 2017年第6期

彼寬雜融

指揮調度指令數據提供安全可靠的傳輸，滿足交管部門對業

務數據安全性及支持多種數據類型傳輸的需求；退。

(4 )專網物聯網的數據中;、具備強大的數據存取、整

L

合和分析能力，支持海量數據和業務的并發處理，系統擴展 (1) 支持視《監控和室內定位功能，提供實時、準確

性好，能靈活適應違停車輛數據總量大、并發業務多及系統 的火場實況和人員分布情況，為正確決策和指揮提供直觀'

數據不斷增長的特點。

(二）消防領域應用

火災現場環境極其惡劣，受高溫、煙氣等影響，場外

指揮人員無法精確獲知進入火場內作業的消防員的實時情

況，同時也無法獲知被困人員或危化物品的準確位置，因此

不能有效地決策與指揮，給搜救與抗災帶來了極大困難。如

圖3所示，專網物聯網在消防領域中的典型應用消防應急定

位系統能夠完美解決前述問題。

(5)消防員收到指令后根據指示路線進行増援或撤

2■消防應急定位系統的優勢

可靠的數據支撐，提高消防部門健碰、統一構、協同

作戰能力；

(2) 支持手動報蓄、30秒靜止自動報警、倒地自動

報警和撤退報警等功能，第一時間營救火場中遇險的消防

員，最大程度保證消防員的人身安全；

(3) 支持實時、準確、多樣的現場環境數據采集，適

用于大跨度空間、地下空間和高層建筑等復雜災害場景。

五、織進展情況

我國物聯網領域的標準化工作總體處于起步階段，其

中在專網物聯網領域標準缺失的情況尤為突出，目前已發布

的相關專網物聯網標準僅有《公安物聯網術語

》（GM

( 1267-2015 )兩項。

GA/T

依托于國家物聯網基礎標準工作組，由多家成員單位

共同參與成立的編輯/組正積極有序地籌備與探討專網物聯

h

網國家標準的制定方案，為填補專網物聯網領域的標準化空

白打下堅實基礎。預計該提案在2017年底通過工作組全會

圖3消防應急定位系統

1266-2015 )和《公安物聯網感知層信息安全技術導則》

審議，初步完成標準的立項工作。專網物聯網領域的標準化

工作條重飯。

1.消防應急定位系統的工作流程

(1 )消防員進入火場前，幵啟佩戴的無線定位裝置、

可穿戴感知終端和攝像頭，實時收集監測數據，并通過寬窄

帶融合專網回傳至物聯網數據中心；

(2) 物聯網數據中心對接收到的數據進行處理，如數

六、結束語

寬窄帶融合網絡將迎來深應用、重安全、推創新的大

發展時代，專網物聯網作為其中關鍵一環，在滿足一線實戰

需求的同時，應加快部署應用之路。以標準引領、需求驅動

為導向，順應新形勢警務工作對物聯網業務的新需求，通過

深入研究物聯網在寬窄帶專網中的實際應用，推動專網物聯

專網物聯網應用平臺通過指揮中心（或前方調度

網的快速建設與發展

。K

據整合、救援路線規劃、圖像去噪、壓縮、增強和關鍵目標

匹配、描述、識別等，將處理后的數據輸出至專網物聯網應

用平臺；

(3)

指揮車）的顯示屏幕直觀呈現火場內各消防員所在位置、環

境參數變化、消防員體征信息及場內實時_等；

(4)

當有消防員體征信息異常或發現被困人員時，調

參考文獻

[1] 張瑩,孫鵬飛JPDT與Teto業務能力比較〇].無線電工程，

2015(6):12-15.

[2] 呂其恒，時亞東.“2+4”寬窄帶融合警用數字集群解決方案

及實踐〇]-警察技術，2016(4):63-71.

[3] 武傳坤.物聯網安全架構初探〇].中國科學院院刊，

2010(4):411-419.

度員馬上語音通知附近的消防員，通過增派人員等措施進行

有效支援；此外，當環境參數達到預設危險閾值時，消防員

自身穿戴的設備發出報警音及報警燈常亮示警，同時告警信

息會回傳至指揮中，、，指揮員立即下達語音撤退指令，指示

L

火場內的消防員規避危險；

Police Technology 2017年第6期 15