基于NB-IoT的實(shí)時(shí)交通監(jiān)控系統(tǒng)的探究

黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院 孫結(jié)冰 崔玉嬌 祁曉波 凌 強(qiáng) 朱 勇

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，“物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”強(qiáng)強(qiáng)組合展現(xiàn)的機(jī)會也隨之到來。根據(jù)最新的中國物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)行業(yè)結(jié)構(gòu)分布來看，2017年大數(shù)據(jù)應(yīng)用在交通這一領(lǐng)域占比達(dá)到了13.55%[1]。

雖然中國城市內(nèi)的交通以及城市與城市之間的交通已經(jīng)非?？焖?，交通起來也很困難。在平時(shí)高速路段交通還算通暢，但是每當(dāng)節(jié)假日，交通問題已經(jīng)是國民很頭痛，也是交管局面臨的很棘手的一個(gè)問題。本文使用NB-IoT技術(shù)能夠高效地組建實(shí)時(shí)交通監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，比目前通用的LTE技術(shù)提升了20dB，轉(zhuǎn)換成覆蓋區(qū)域來說，覆蓋區(qū)域面積擴(kuò)大了100倍。除此之外其傳輸距離長、穿透能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)，能夠保證實(shí)時(shí)交通監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定工作。

1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band-Internet of Things，NB-IoT），是物聯(lián)網(wǎng)范疇的一種技術(shù)，同時(shí)也是3GPP推出的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。目前NBIoT技術(shù)已經(jīng)被全球接受作為新一代全新窄帶物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)傳輸速率的不同，可將物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)分為高、中、低三種：

（1）高速率業(yè)務(wù)層：主要的是應(yīng)用3G/4G的技術(shù)，例如車載物聯(lián)網(wǎng)和監(jiān)控?cái)z像頭，它所適應(yīng)的業(yè)務(wù)就是提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)；

（2）中速率業(yè)務(wù)層：主要是應(yīng)用到了GPRS技術(shù)，例如目前很火的快遞柜或者儲物柜，他們使用的頻率雖然很高但并不要求提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡(luò)傳輸速率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如高速率業(yè)務(wù)；

（3）低速率業(yè)務(wù)層(Low Power Wide Area Network，LPWAN)：也就是低功耗廣域網(wǎng)，其主要應(yīng)用在智能家居、無線抄表、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。

NB-IoT的特點(diǎn)：

（1）超廣的覆蓋能力：NB-IoT是部署在運(yùn)行商通信頻段的，NB-IoT通過上行鏈路功率譜密度PSD增益、重發(fā)增益、UL-Gap多天線增益獲得比900M的GSM提升了20dB增益，這就相當(dāng)于提升了100倍的區(qū)域覆蓋的能力。

（2）低功耗：NB-IoT終端供電模塊是基于容量為5000mA電池的，再加上PSM和eDRX省電技術(shù)，使得NB-IoT有超強(qiáng)的續(xù)航能力，續(xù)航時(shí)間可以達(dá)到10年；

（3）超大的連接：具備海量數(shù)據(jù)連接的能力。在同一基站下，NB-IoT一個(gè)扇區(qū)能夠支持5萬多個(gè)連接。

（4）低成本：終端的成本已經(jīng)低到了1美元，建網(wǎng)成本可以復(fù)用。

2 網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)層次

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為三大層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。

感知層：感知層通過NB-IoT射頻信號與基站通信，對交通中的實(shí)時(shí)信息，例如路面情況、車流量、擁擠情況進(jìn)行監(jiān)測；

網(wǎng)絡(luò)層：通過各種電信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，由基站、分組核心網(wǎng)、IoT平臺組成，實(shí)現(xiàn)對不同區(qū)域交通的遠(yuǎn)程監(jiān)控；

應(yīng)用層：對感知層采集的交通信息進(jìn)行處理分析，不僅對車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)的定位跟蹤，還能夠便于交通的監(jiān)控與管理等實(shí)際更多的應(yīng)用。

2.1 NB-IOT基站的連接

NB-IoT基站基于CP協(xié)議來鏈接，CP協(xié)議基于信令面的數(shù)據(jù)傳輸，用戶直接封裝在NAS層的信令消息中，并采用加密方式加密。傳統(tǒng)的LTE用戶面的數(shù)據(jù)傳輸方式，流程復(fù)雜，信令開銷遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)包本身，LTE物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的終端、網(wǎng)絡(luò)、芯片、操作系統(tǒng)、平臺等各方路徑不一，使得物聯(lián)網(wǎng)“碎片化”現(xiàn)象嚴(yán)重。而CP協(xié)議的搭建簡化了RRC/S1信令流程，減少了RRC重建、DRB建立、AS安全等相關(guān)信令，信令開銷減少了50%以上。

2.2 數(shù)據(jù)的傳輸

數(shù)據(jù)的傳輸過程包括UE、IOT、編碼插件以及Server。感知層設(shè)備先采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)按自定義規(guī)則進(jìn)行編碼；編碼通過串口，以AT命令的形式，發(fā)送已編碼數(shù)據(jù)到NB-IoT模組或SoftRadio模擬器；NB-IoT芯片/模組或SoftRadio模擬器，接收到AT命令后，將payload后，自動(dòng)封裝為CoAP協(xié)議的消息，并發(fā)送給事先配置好的NB-IoT平臺；NB-IoT收到數(shù)據(jù)后，自動(dòng)解析CoAP協(xié)議包，根據(jù)設(shè)備profile文件，找到匹配的編解碼插件，對payload進(jìn)行解析，解析為與設(shè)備profile中描述的service匹配的json數(shù)據(jù)，并存于平臺之上;數(shù)據(jù)處理中心通過北向數(shù)據(jù)查詢接口(RESTful)獲取平臺上的數(shù)據(jù);同時(shí)也可以提前調(diào)用訂閱接口，對數(shù)據(jù)變化進(jìn)行訂閱。數(shù)據(jù)傳輸過程中，應(yīng)用NB-IoT調(diào)制解調(diào)技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，NB-IoT基于3G/4G網(wǎng)絡(luò)，對汽車周圍環(huán)境的進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測。通過MATLAB軟件仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)如圖1所示：

圖1 NB-IoT調(diào)制解調(diào)MATLAB仿真圖

由仿真結(jié)果很清楚地得到：基于NB-IoT調(diào)制解調(diào)能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)能夠穩(wěn)定的傳送到監(jiān)控中心。隨著信噪比的增大，NB-IoT誤碼率更低，抗干擾能力越強(qiáng)，體現(xiàn)了NB-IoT技術(shù)在該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的優(yōu)越性。

3 系統(tǒng)測試結(jié)果

應(yīng)用此系統(tǒng)我們在學(xué)校選三處信號弱的地點(diǎn)進(jìn)行試點(diǎn)實(shí)驗(yàn)。首先利用經(jīng)緯度測量儀測出三處的經(jīng)緯度,A處位置（N45°42′29.74″，E126°37′11.71″），B處位置（N45°42′19.60″，E126°36′55.84″），C處位置（N45°42′20.82″ ，E126°36′55.84″），利用三輛小車，得到主要結(jié)果如表1所示：

表1 系統(tǒng)仿真結(jié)果

對測試結(jié)果分析可得，本系統(tǒng)接受數(shù)據(jù)正常，定位正常，能夠正確的讀取汽車的位置，數(shù)據(jù)會也會實(shí)時(shí)刷新。

4 結(jié)束語

本文基于NB-IoT的實(shí)時(shí)交通監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，充分利用了NBIOT廣覆蓋、低成本、低功耗、續(xù)航能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等一系列特點(diǎn)，將交通數(shù)據(jù)采集后上傳并處理分析、維護(hù)與管理，很好地解決了目前交通系統(tǒng)定位盲區(qū)，管理速度慢等問題，符合智慧城市發(fā)展的主題。借助NB-IoT技術(shù)優(yōu)勢，在交通系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)展開一系列技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新，將極大地促進(jìn)實(shí)時(shí)交通監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展。

[1]賽迪智庫.中國大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展評估報(bào)告(2017年)[EB/OL].(2017-08-29)[2017-09-25].http://www.useit.com.cn/thread-16356-1-1.html.

[2]歐陽龍.簡析NB-IOT關(guān)鍵技術(shù)特性及行業(yè)應(yīng)用[J].通訊世界,2017,(18):1-2.

[3]黃悅,湯遠(yuǎn)方.NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)及覆蓋能力探討[J].移動(dòng)通信,2017,(18):11-15.

[4]梁和平.基于NB-IoT與LoRa的智能路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].基層建設(shè),2017(12):20-23.

[5]王正偉.NB-IoT是物聯(lián)網(wǎng)的熱點(diǎn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2017(10):15-18.

[6]吳光榮,章劍雄.基于ZigBee技術(shù)的無線智能照明系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008(14):67-69.