基于NB—IoT及LORA的技術分析和應用展望

吳毅 夏婷婷 李潤青

[摘 要] 如今將物聯(lián)網(wǎng)和城市綜合管理相結合是城市發(fā)展的一種趨勢。而NB-IoT和LoRa作為兩種大容量、廣覆蓋、低功耗、低成本、高穩(wěn)定性的廣域物聯(lián)網(wǎng)技術為其提供了發(fā)展支撐?；贜B-IoT和LORA技術原理，設計了幾種基于這兩種技術的建設的應用案例方案，以更好的支持智慧城市的建設。

[關鍵詞] NB-IoT；LORA；城市物聯(lián)網(wǎng)；智慧城市應用

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 03. 067

[中圖分類號] TN915 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2018）03- 0162- 03

1 背景概述

當今，物聯(lián)網(wǎng)技術得到了廣泛的發(fā)展與應用。在生活的各個方面也處處見到物聯(lián)網(wǎng)技術的身影。如今在感知與智能方面已經(jīng)有了新的進展，采用面向物與物互聯(lián)的WiFi、藍牙、ZigBee技術。然而上述技術往往存在一個問題即不能同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的長距離傳輸和低功耗，并且在用戶接入數(shù)量上有時也并不能滿足實際需求。

基于終端接入網(wǎng)絡的上述問題，近年來發(fā)展了如LPWAN（低功耗廣域網(wǎng)）的網(wǎng)絡技術，包括LoRa，Sigfox，LTE-M，NWave。以及基于2G、3G、4G、技術的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術，包括NB-IoT，e-MTC等技術。其中根據(jù)綜合技術指標以及實際的推廣應用NB-IoT和LoRa屬于其中的佼佼者。

NB-IoT是基于蜂窩網(wǎng)絡的窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術，具備廣域傳輸、海量介入、超低功耗、低成本等特征。從2015年9月NB-IoT的標準化開始到2016年7月標準確定，全球超過50家公司的積極參與使得NB-IoT系統(tǒng)技術和生態(tài)鏈逐步成熟。滿足了覆蓋廣，低功耗，海量接入等技術指標。

LoRa是LPWAN通信技術的一種，是Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術超遠距離無線傳輸方案。在此方案上研發(fā)出了一種新型1 GHz下的超長距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術（簡稱LoRa）的芯片。LoRa技術在遠距離傳輸，延長電池壽命，擴大系統(tǒng)容量擁同樣有著不俗的表現(xiàn)。

2 NB-IoT及LORA關鍵技術

2.1 NB-IoT主要技術及優(yōu)勢

NB-IoT的技術標準是基于LTE的基礎上發(fā)展起來的?；谠械腖TE技術，根據(jù)自身特點對其進行了標準簡化以及技術改進。

NB-IoT分為三種部署方式：獨立部署（Stand alone）、保護帶部署（Guard band）和帶內部署（In-band）。獨立部署適用于重耕GSM頻段，GSM的信道帶寬為200 kHz，這剛好為NB-IoT 180 KHz帶寬辟出空間，且兩邊還有10 kHz的保護間隔。保護帶部署利用LTE邊緣保護頻帶中未使用的180 kHz帶寬的資源塊。帶內部署可利用LTE載波中間的任何資源塊。

NB-IoT技術的優(yōu)勢在廣覆蓋，低成本，低功耗。

廣覆蓋：在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡增加20 dB，覆蓋面積擴大100倍。

低成本：通過減少協(xié)議棧處理開銷和減少不必要的硬件來降低成本。

低功耗：NB-IoT處理降低芯片復雜度來減少耗電外采用非連續(xù)接收DRX（Discontinuous Reception），eDRX就是擴展的不連續(xù)接收，延長終端在空閑模式下的睡眠周期，減少接收單元不必要的啟動。

2.2 LORA主要技術及優(yōu)勢

LORA和NB-IoT相似有著廣覆蓋，低成本，低功耗，容量大等優(yōu)點。

LoRaWAN是LoRa技術所采用的網(wǎng)絡協(xié)議，它可以為使用電池供電的無線設備提供區(qū)域、國家或全球的網(wǎng)絡連接。LoRaWAN的網(wǎng)絡架構是一個典型的星形拓撲結構。在這個網(wǎng)絡架構中，網(wǎng)關為透明中繼，連接前端的終端設備和后端的中央服務器。

LoRa的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

低功耗：高達157 dB的鏈路預算使其通信距離可達15公里（與環(huán)境有關）。其接收電流僅10 mA，睡眠電流200 nA，這大大延遲了電池的使用壽命。

大容量：如果把網(wǎng)關安裝在現(xiàn)有移動通信基站的位置，發(fā)射功率20 dBm（100 mW），那么在建筑密集的城市環(huán)境可以覆蓋2公里左右，而在密度較低的郊區(qū)，覆蓋范圍可達10公里。

支持測距和定位：LoRa對距離的測量是基于信號的空中傳輸時間而非傳統(tǒng)的RSSI（Received Signal Sterngth Ind-ication），而定位則基于多點（網(wǎng)關）對一點（節(jié)點）的空中傳輸時間差的測量。其定位精度可達5m（假設10km的范圍）。

3 NB-IoT及LORA應用分析

3.1 基于NB-IoT的應用案例分析

基于NB-IoT技術具有廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接特性，能滿足低傳輸速率以及對時延要求不高的應用場景。

3.1.1 基于NB-IoT的智慧路燈方案

目前，在諸多城市中路燈系統(tǒng)都有著許多共通的問題，例如：節(jié)能管理不足，故障檢測不能實時，沒有其他數(shù)據(jù)采集。而基于NB-IoT技術的智慧路燈系統(tǒng)設計方案能有效解決上述問題。相比于LoRa技術，NB-IoT無需重新建網(wǎng)，射頻和天線基本都是復用，并且擁有相對低的延時。

基于NB-IoT技術的智慧路燈實施方案主要實現(xiàn)功能：

數(shù)據(jù)采集：通過每個路口路燈上安裝的傳感器對各個路段車流量進行定時數(shù)據(jù)采集，并且可以將采集的車流量數(shù)據(jù)傳輸?shù)铰窡艄芾碇行暮徒煌〝?shù)據(jù)中心。

節(jié)能管理：路燈管理中心可通過對不同時段的車流量分析來控制個路段的路燈點亮數(shù)目及亮度，從而有效對城市路燈進行節(jié)能管理。

安全檢測：通過實時采集路燈線路中各個支路的電流/電壓值以及能耗數(shù)據(jù)和基準數(shù)據(jù)進行比較，并對異常數(shù)據(jù)進行報告上傳從而能及時發(fā)現(xiàn)各線的故障，避免進一步的損失。

智慧路燈終端：負責路燈所在路段的車流量的信息采集，和對路燈內部線路電流/電壓值以及能耗的數(shù)據(jù)采集，通過無線網(wǎng)絡，直接完成與中心管理平臺之間的數(shù)據(jù)交互。

NB-IoT通信網(wǎng)絡：負責網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸，可利用上述三種部署方案進行傳輸（獨立部署、保護帶部署、和帶內部署），為整個系統(tǒng)網(wǎng)絡支撐能力。

數(shù)據(jù)監(jiān)測中心：實時監(jiān)測能耗。車流量數(shù)據(jù)分析結果決定監(jiān)測中心對每個路段路燈的的亮暗和點亮個數(shù)控制。電流/電壓值以及能耗的數(shù)據(jù)分析比對常態(tài)數(shù)值，發(fā)現(xiàn)異常情況，立刻產生告警和提示信息。

路燈管理平臺：主要有終端管理，對智慧路燈終端的遠程開關控制。報警和日志管理，報警告設置、查詢，對報警回溯和數(shù)據(jù)記錄。

3.1.2 基于NB-IoT的智慧停車方案

隨著城市交通的不斷發(fā)展，車輛的快速增長但隨之帶來的是車位持續(xù)不足，加之許多車主的亂停亂放，致使道路交通極易堵塞。

基于NB-IoT的智能停車方案通過安放在路邊停車位的地刺車位檢測器，來感知車輛停放信息。NB-IoT無需重新建網(wǎng)，且擁有較低的延時，所以更適合用于數(shù)據(jù)延時要求相對較高的市政占道停車案例。

傳感器終端：通過地磁車位檢測器檢測車輛停放信息，每個地磁車位檢測器內部存有GIS信息。終端通過基于NB-IoT的組網(wǎng)技術將信息傳送到智能停車運營平臺。由于NB-IoT支持多信道通信、信道修改等，對于開放頻段的無線設備，保障了長期通訊的穩(wěn)定性，降低其他無線設備對終端的干擾。

停車運營平臺：監(jiān)測每個停車點的車輛停放信息，并對其進行定期管理。對附近車輛進行停車導航，給出車輛到停車位的運行線路。設定用戶端預約支付平臺，方便用戶車輛進行停車繳費預約。

3.2 基于LoRa的應用案例分析

LoRa技術因為其低功耗、深度覆蓋、容易部署等優(yōu)勢使得其非常適用于要求功耗低、距離遠、大量連接以及定位跟蹤等的物聯(lián)網(wǎng)應用，如道路、安防等應用和領域。

3.2.1 基于LORA的智慧道路方案

城市高速公路和各個國省干道的快速發(fā)展，但各個主要道路車輛的增多隨之而來的交通事故和道路擁堵問題也不斷困擾著城市交通的發(fā)展?；贚ORA優(yōu)異的信號覆蓋提出一種智慧道路方案解決某些存在的道路突發(fā)狀況和擁堵問題。

應急終端：當發(fā)生交通事故或車與遇到車輛拋錨等情況時可通過安裝在路燈桿上的應急終端按鈕項向道路管理云平臺發(fā)送求助信息，由于應急終端內含有該地點的GIS信息，道路管理云平臺能準確找到事發(fā)地點節(jié)約處理事故時間。

道路管理云平臺：道路管理云平臺主要有兩個功能：接收管理應急終端的求助信息；向手機APP客戶端發(fā)送路況擁堵信息預警，提示車主的路段擁堵情況。

手機APP客戶端：車主用戶可以通過該客戶端收到道路管理云平臺發(fā)送的路況擁堵信息即使調整行駛路徑方案，車主也可以根據(jù)自己車輛算在路段向道路管理云平臺發(fā)送路況信息，這樣整個智慧道路管理系統(tǒng)擁有良好的即時性。

3.2.2 基于LORA的智慧安防方案

隨著城市的基礎建設不斷發(fā)展，越來越多的高樓大廈拔地而起，與之相伴的消防問題也隨之而來。目前在傳統(tǒng)的城市消防系統(tǒng)存在種種問題，如：消防栓，消火栓故障及缺失不能即使發(fā)現(xiàn)；火情發(fā)現(xiàn)和處置滯后釀成災禍；或請報警系統(tǒng)布線施工復雜等。

基于LORA技術的智慧消防方案，包括智能煙感報警器，消防栓監(jiān)控系統(tǒng)等。

傳感器終端：傳感器終端又可細分為防火傳感器終端，消防設施故障檢測終端以及報警終端。防火傳感器終端主要是智能煙感報警器使用LORA通信，發(fā)現(xiàn)火情立即聲光報警并向消防監(jiān)控云平臺發(fā)出火情信息。消防設施故障檢測終端通過傳感器用來檢測消防栓水壓等參數(shù)以及報警器的電路是否損壞，及時將故障信息報告給消防監(jiān)控云平臺。而報警終端在發(fā)生火情時可以通過手動按鈕直接通過LORA通信通知119火警指揮中心并傳送內部存有的GIS數(shù)據(jù)信息來準確定位。

消防監(jiān)控云平臺：消防監(jiān)控云平臺用來管理各個終端的數(shù)據(jù)信息如消防栓水壓等參數(shù)以及報警器的電路信息分析各個參數(shù)用于故障監(jiān)測。該平臺還管理防火傳感器終端實時信息，如有發(fā)生火情，平臺立即將向119火警中心發(fā)送防火傳感器的GIS信息。

119火警指揮中心：通過終端和云平臺發(fā)送的即時信息可迅速做出滅火撲救方案，及時趕到火災現(xiàn)場減小火情帶來的損失以及組織火災進一步的擴大。

4 結 語

我國正處于城市化高速發(fā)展之中，高速的城市建設與發(fā)展帶來了諸如高耗能，高擁堵，高排放等問題。此外，復雜的城市運營管理往往是高成本，高功耗，不易管理。將物聯(lián)網(wǎng)技術和和城市綜合管理相結合能有效改善城市管理。而NB-IoT，LORA技術為代表的廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接特性的傳輸技術為城市綜合物聯(lián)網(wǎng)體系應用的具體試試帶來了可能性。相信NB-IoT、LORA技術會在智慧城市建設中發(fā)揮越來越重要的作用。

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