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
摘要：本文主要概括了升哲科技自主研发的物联网 Alpha/Alpha+ 协议的原理、架构、功能及场景应用，迄今为止已申请相关知识产权 20 余项。当前，Alpha/Alpha+ 协议已广泛应用至升哲科技全域数字化方案中。
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 Alpha/Alpha+ 协议
升哲科技从成立之初，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 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 多种工作模式。
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整的数据包，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：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。
新 ESG 智慧解决方案已在湖北宜昌实现大规模应用，在新冠疫情防控、气象监测预警、长江沿岸生态保护、弱势群体关爱照顾、基层普惠医疗、动物福利保护、垃圾分类等领域发挥作用。
全国范围内，升哲科技智慧化服务也已通过各类场景应用实现真正挽救生命的价值。物联网与人工智能的力量，正帮助城市建设迈向低碳节能、高效智能的新阶段，用数据智能的变革手段让传统产业与经济发展焕发新的生机。
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。
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