NB-IoT寬窄物聯(lián)網(wǎng)及應(yīng)用分析

陽 輝，胡春杰，劉湘?zhèn)?/p>

（1.西藏自治區(qū)水文水資源勘測局，西藏 拉薩 850000；2.江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012；3.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮，其被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。然而隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，用戶對低功耗、海量連接、超強(qiáng)覆蓋和低成本網(wǎng)絡(luò)的需求越來越迫切，低功耗廣域網(wǎng)（Low-PowerWide-AreaNetwork, LPWAN）應(yīng)運(yùn)而生，成為當(dāng)今世界通信行業(yè)的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。LPWAN主要解決物聯(lián)網(wǎng)末端1公里的通信問題，相比與傳統(tǒng)的WiFi、ZigBee、Bluetooth、蜂窩移動通信等無線通信技術(shù)，具有低功耗，遠(yuǎn)距離，低運(yùn)維成本等特點(diǎn)。LPWAN又可分為兩類：一類是工作于未授權(quán)頻譜的LoRa、SigFox等技術(shù)；另一類是工作于授權(quán)頻譜下，3GPP支持的2G/3G/4G蜂窩通信技術(shù)，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等[1]。

1 低功耗廣域網(wǎng)

低功耗廣域網(wǎng)是一種遠(yuǎn)距離低功耗的無線通信網(wǎng)絡(luò)。由于其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、終端功耗低等特點(diǎn)，其非常適合大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用部署。相比傳統(tǒng)的Bluetooth、WiFi、ZigBee、等無線連接技術(shù)，LPWA技術(shù)傳輸距離更遠(yuǎn)；與蜂窩技術(shù)（如GPRS、3G、4G等）相比，其功耗更低[2]。

1.1 LoRa

LoRa（Long Range）是Semtech公司私有的物理層技術(shù)，尚未公開，主要采用了窄帶擴(kuò)頻技術(shù)，靈敏度最高可達(dá)-148 dBm，頻率低于1 GHz，為后來的LoRa技術(shù)的遠(yuǎn)距離和功耗低的性能奠定了基礎(chǔ)[3-4]。LoRa一種基于Sub-GHz的頻段無線技術(shù)，使其更易以較低功耗遠(yuǎn)距離通信，目前主要應(yīng)用于IoT、M2M、智慧城市等領(lǐng)域。LoRa技術(shù)組網(wǎng)圖如圖1所示。

圖1 LoRa技術(shù)組網(wǎng)

1.2 SigFox

SigFox網(wǎng)絡(luò)旨在使用低功耗廣域網(wǎng)，為低吞吐量連接場景提供物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。SigFox網(wǎng)絡(luò)由終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)（基站+核心網(wǎng)）組成。低功耗廣域網(wǎng)系統(tǒng)是非對稱的，可將數(shù)萬個終端設(shè)備連接到一個基站。Sigfox使用192 kHz頻譜帶寬的公共頻段來傳輸信號，采用超窄帶的調(diào)制方式，每條信息的傳輸寬度為100 Hz，根據(jù)區(qū)域的不同，其數(shù)據(jù)傳輸速率可以是100 b/s或600 b/s。Sigfox網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫且粋€可擴(kuò)展的、高容量的網(wǎng)絡(luò)，具有能源消耗低、易部署等特點(diǎn)，然而SigFox目前沒有在中國地區(qū)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署[5]。

1.3 NB-IoT

NB-IoT是窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow BandInternetof Things）的簡寫，是一種授權(quán)頻譜的蜂窩通信技術(shù)，其是3GPP針對LPWA定義的新一代蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。NB-IoT運(yùn)營商可以直接復(fù)用現(xiàn)有的基站設(shè)備，將其直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)，從而大大降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級[6-7]。NB-IoT與LoRa技術(shù)參數(shù)對比見表1所列。

表1 NB-IoT與LoRa技術(shù)參數(shù)對比

2 NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 低功耗

低功耗是NB-IoT最最關(guān)鍵特點(diǎn)之一。NB-IoT終端在99%的時間內(nèi)均處在休眠態(tài)，并集成多種節(jié)電技術(shù)，NB-IoT終端模塊的待機(jī)時間可長達(dá)10年。

2.2 深度覆蓋

在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)增益大20 dB，覆蓋能力擴(kuò)大100倍，即使在地下室、地下管道等地方也能覆蓋[8]。其次是對海量連接的支撐能力，NB-IoT的一個扇區(qū)可以支持10萬個連接。

2.3 海量連接

相比傳統(tǒng)的3G/4G網(wǎng)絡(luò)，NB-IoT有50～100倍的上行容量提升，200 kHz帶寬下單基站小區(qū)可支持5萬用戶[9]。與現(xiàn)有無線技術(shù)相比，在同一基站的情況下NB-IoT可以提升50～100倍的接入數(shù)，同時進(jìn)行了海量存儲和接入控制的優(yōu)化，適合海量接入的場景。

3 NB-IoT的典型應(yīng)用

3.1 智慧井蓋

隨著城市化進(jìn)程的進(jìn)一步加快，市政公用設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速，井蓋的增加是不可避免的，然而大量在外井蓋缺乏有效的實(shí)時監(jiān)控管理手段，常常發(fā)生移動、偷盜井蓋等違法行為。目前大部分城市都是人工巡檢，效率有限。使用NBIoT對城市井蓋進(jìn)行監(jiān)控管理，實(shí)時監(jiān)控井蓋的狀態(tài)，井蓋移動或者被破壞時會發(fā)出警報(bào)，從而最大程度避的免傷害與損失。

使用NB-IoT技術(shù)監(jiān)測井蓋的優(yōu)勢：

（1）代替人工巡檢，數(shù)據(jù)全部自動傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，節(jié)省了大量人力物力。

（2）NB-IoT能容納用戶容量是GPRS的10倍，可滿足城市井蓋數(shù)量龐大的需求。

（3）正常通信和待機(jī)電流是mA和μA級別，NB-IoT終端模塊待機(jī)時間可長達(dá)10年，極大程度的簡化了井蓋監(jiān)測在后期的維護(hù)。

3.2 智慧農(nóng)業(yè)

溫濕度、二氧化碳、光照、鹽堿度等傳感器的應(yīng)用對于農(nóng)作物提高產(chǎn)量、減少水資源的消耗等有重要的意義，而且很多偏遠(yuǎn)的農(nóng)場或者耕地并沒有覆蓋蜂窩網(wǎng)絡(luò)，于是NBIoT物聯(lián)網(wǎng)可以為智慧農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)傳輸提供良好的通信服務(wù)[10]。

基于NB-IoT的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在土壤墑情、溫濕度、農(nóng)業(yè)灌溉、農(nóng)水施肥等應(yīng)用，及時有效地了解農(nóng)作物生長狀態(tài)，減少傳統(tǒng)的生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。NB-IoT模塊和傳感器設(shè)備相結(jié)合可快速安裝在各類農(nóng)業(yè)場景，可提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高作物產(chǎn)量、幫助節(jié)約資源和幫助農(nóng)民更好地控制成本來改變農(nóng)業(yè)和糧食生產(chǎn)，如圖2所示。

圖2 NB-IoT智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)

3.3 智慧水質(zhì)

傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方法為人工監(jiān)測，需不定期到監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行水體水質(zhì)采樣，再進(jìn)行化驗(yàn)分析，最終獲得水質(zhì)的各種參數(shù)。該方法不僅耗時費(fèi)力，而且容易出現(xiàn)采樣不均等問題，且檢測周期長、監(jiān)測范圍小，無法實(shí)現(xiàn)在線、實(shí)時、連續(xù)自動監(jiān)測[11]。而NB-IoT水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器采集相應(yīng)的水質(zhì)參數(shù)，再通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將采集水質(zhì)數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器存儲和水質(zhì)數(shù)據(jù)的用戶展示。

3.4 智能抄表

GPRS遠(yuǎn)程抄表的誕生，代替了人工抄表，它比人工抄表技術(shù)先進(jìn)，效率更高，更安全。由于市場慢慢的擴(kuò)大，覆蓋面積越來越廣，通信基站用戶容量小、功耗高、信號差（山區(qū)、地下室、樓道等）等問題。而NB-IoT遠(yuǎn)程抄表水表能夠直接部署在LTE網(wǎng)絡(luò)、GSM網(wǎng)絡(luò)和UMTS網(wǎng)絡(luò)，成本低，有效解決無線表必須采用具間組網(wǎng)或外掛中繼器來延長傳輸距離的技術(shù)缺點(diǎn)，解決了智能抄表應(yīng)用最后一公里的難題[12]。

4 結(jié) 語

NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)作為低成本、低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)的代表，被廣泛地應(yīng)用在智慧生活中的各個領(lǐng)域。NB-IoT具有相當(dāng)龐大的市場，雖然它面臨著應(yīng)用場景不同、網(wǎng)絡(luò)傳輸需求、部署問題、應(yīng)用和商業(yè)模式、與LPWAN（低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)的競爭等各方面的問題，但相信在大家共同的努力下，未來的NB-IoT必然在無線通信技術(shù)領(lǐng)域大放異彩，引領(lǐng)萬物互連的新時代。