基于NB-IoT的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

賈春霞

（北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 北京市 100018）

伴隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為了信息技術(shù)中的重要組成部分。在計(jì)算機(jī)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)出現(xiàn)之后，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也被稱作為第三次科技革命浪潮。其中，在功耗要求嚴(yán)格且速率較低的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中主要應(yīng)用的是LPWA 技術(shù)。而NB-IoT 技術(shù)就是對LPWA 技術(shù)的一種創(chuàng)新，該技術(shù)具有覆蓋范圍廣、功耗低以及連接大的特點(diǎn)，憑借著這些特點(diǎn)，NB-IOT 技術(shù)成為了很多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中最優(yōu)秀的通信方式?，F(xiàn)如今，我國運(yùn)營商正在全面推廣網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，在國際范圍內(nèi)我國電信打造了首個(gè)商用的NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)，并且現(xiàn)在大部分的基站都對NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了升級優(yōu)化，即使是偏遠(yuǎn)的山區(qū)也能夠進(jìn)行全面覆蓋，NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)在我國市場中已經(jīng)突破了一個(gè)億的連接數(shù)量。同時(shí)，在發(fā)展過程中NB-IOT 技術(shù)突出的優(yōu)勢也在說明該技術(shù)能夠滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展需求，為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用開創(chuàng)了一個(gè)全新的窗口。

1 NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的概念

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展建立于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之上，是一種全新的網(wǎng)絡(luò)拓展方式，能夠在物品之間實(shí)現(xiàn)信息通信和信息交換。而 NB-IOT 技術(shù)指的就是窄帶物聯(lián)網(wǎng)，歸屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一種，其技術(shù)具有待機(jī)時(shí)間長、網(wǎng)絡(luò)信息連接效率高等特點(diǎn)，在人們的日常生活中有廣泛的應(yīng)用空間[1]。該技術(shù)的覆蓋范圍非常廣，在同樣的頻率條件下，能夠擁有過百倍的覆蓋率，并且連接的數(shù)量也非常龐大，其中NBIOT 扇形區(qū)能夠支持多個(gè)連接端口和部分低成本的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，具備節(jié)能低耗的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，NB-IOT 的終端部位能夠保持長達(dá)十年的待機(jī)時(shí)間，不需要投入過多的成本，NB-IOT 技術(shù)在生產(chǎn)過程中，個(gè)體連接單元的制作成本只有五美元。與其他窄帶物理網(wǎng)相比，NB-IOT 技術(shù)擁有很大的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)勢，能夠在不同的網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境中共存，兼容性能十分強(qiáng)大，該技術(shù)是目前移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的最佳應(yīng)用。此外，NB-IOT 技術(shù)歸屬于長期演變的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該技術(shù)的射頻寬度為180KHz，同時(shí)能夠支持三種部署方式，其中包括獨(dú)立部署、保護(hù)帶部署以及內(nèi)部部署，在不同的部署過程中擁有不同的功能。獨(dú)立部署方式能夠應(yīng)用于獨(dú)立頻帶中，適用于全球移動(dòng)通信系統(tǒng)。保護(hù)帶部署方式能夠應(yīng)用于LTE 系統(tǒng)中的邊緣無用頻帶。內(nèi)在部署方式能夠應(yīng)用于LTR 載波中的資源模塊。NB-IOT技術(shù)應(yīng)用最前端的計(jì)算智能理念，能夠在本地接入點(diǎn)實(shí)現(xiàn)直接接入，不能夠?qū)ψ兓臄?shù)據(jù)進(jìn)行保存和管理，技術(shù)的終端會連接到F-AP層，具有數(shù)據(jù)計(jì)算功能，并且還具備了較強(qiáng)的兼容性。因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中，能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行妥善保存。由此可見，NB-IOT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)科學(xué)合理地解決了物聯(lián)網(wǎng)的連接問題。

2 NB-IOT技術(shù)的特點(diǎn)以及應(yīng)用優(yōu)勢

NB-IOT 技術(shù)屬于LPWA 技術(shù)的創(chuàng)新形式，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)距離、低功耗的通信技術(shù)。此技術(shù)具有覆蓋范圍廣、速率以及功耗較低以及連接數(shù)量大的特點(diǎn)。NB-IOT 中應(yīng)用的是PSM 以及DRX/eDRX 技術(shù)，以此來最大限度地降低功耗。PSM 指的是一種功率節(jié)約模式[2]。當(dāng)終端設(shè)備連入PSM 中時(shí)，收發(fā)機(jī)信號就會被切斷，任何網(wǎng)絡(luò)的尋呼都無法得到監(jiān)聽，只能夠維持最基本的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，與網(wǎng)絡(luò)側(cè)之間沒有任何的信息交涉，整體處于一個(gè)最近本的省電模式，在降低功耗方面有良好的效果。所以該模式主要是以終端上報(bào)業(yè)務(wù)情況為主，應(yīng)用于對下行控制沒有時(shí)效需求的場景中。

DRX 能夠利用終端周期監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)來下發(fā)網(wǎng)絡(luò)側(cè)指令，通過延長終端監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)的尋呼周期，來減少尋呼的次數(shù)，進(jìn)而降低終端的功率消耗。而DRX/eDRX 能夠確保網(wǎng)絡(luò)側(cè)下發(fā)指令的時(shí)效性，在反向控制場景中得到了廣泛應(yīng)用。

在NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，單體用戶的速率只有20kbps，單獨(dú)的小區(qū)上行理論峰值也只有250kbps，因此NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)只適合應(yīng)用于低速率的上報(bào)終端設(shè)備。

NB-IOT 技術(shù)能夠利用重傳機(jī)制來提高功率的譜密度，與GPRS 網(wǎng)絡(luò)相比，覆蓋強(qiáng)度增加了20dB，覆蓋效果可以穿透一面墻。在室外的NB-IOT 基站覆蓋距離能夠達(dá)到2000m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了CDMA 網(wǎng)絡(luò)。除此之外，NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)還具有較大的連接特點(diǎn)，在指定的業(yè)務(wù)模型下，可發(fā)送的終端數(shù)量非常少，而且在終端上報(bào)中大多數(shù)都是小數(shù)據(jù)包，如果業(yè)務(wù)不是特別繁忙，單個(gè)小區(qū)能夠最低支持五萬個(gè)用戶。從NB-IOT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)能夠得知，NBIOT 物理網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)萬物之間的互聯(lián)互通。目前NB-IOT 正在不斷加大發(fā)展力度，不同的行業(yè)領(lǐng)域都在積極探索NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的開發(fā)，伴隨著NB-IOT 市場應(yīng)用場景的不斷擴(kuò)大，未來NB-IOT 技術(shù)會擁有更大的發(fā)展空間[3]。

3 NB-IOT網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 MIMO技術(shù)

MIMO 技術(shù)指的就是多入多出技術(shù)，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于3G/4G移動(dòng)蜂窩通信技術(shù)當(dāng)中。MIMO 技術(shù)能夠通過大量的天線完成發(fā)送和接收，以此來獲得較高的空間分集增益，最終實(shí)現(xiàn)提高系統(tǒng)容量和抵抗多徑衰弱的效果。這樣的方式能夠使空間資源得到充分的利用，同時(shí)在保證發(fā)射功率和頻率利用效率不受影響的情況下，能夠?qū)⑿诺廊萘糠短岣撸M(jìn)而有效加強(qiáng)了通信質(zhì)量。所以，NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)中也應(yīng)用了此技術(shù)[4]。

3.2 多載波傳輸技術(shù)

NB-IOT 技術(shù)與LTE 技術(shù)相類似，能夠支持正交頻分多址傳輸技術(shù)。其中多載波傳輸技術(shù)的應(yīng)用思路就是將高速串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榈退俨⑿械臄?shù)據(jù)流，在此基礎(chǔ)上，對多個(gè)不同的子載波進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制。在NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用多載波傳輸技術(shù)，能夠有效避免由信道延遲導(dǎo)致的符號干擾，顯著提高了數(shù)據(jù)信息的傳輸質(zhì)量。

3.3 半靜態(tài)鏈路自適應(yīng)技術(shù)

NB-IOT 物理網(wǎng)技術(shù)的通信協(xié)議主要針對的是以小數(shù)據(jù)包為傳輸目標(biāo)的業(yè)務(wù)場景，通常情況下，不需要長時(shí)間提供信道質(zhì)量信息[5]。所以，NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中并沒有單獨(dú)針對信道快速變化而設(shè)計(jì)的自適應(yīng)方案，而是存在三種覆蓋類型，分別為：常規(guī)覆蓋、增強(qiáng)覆蓋以及超遠(yuǎn)覆蓋，這三種覆蓋類型的鏈路損耗分別為144dB、154dB 和174dB。

4 NB-IOT技術(shù)的應(yīng)用構(gòu)架

該技術(shù)的應(yīng)用構(gòu)架主要分為三層。首先，感知層。NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)中的感知層應(yīng)用形式十分豐富，其中包含了各種各樣的傳感器，像紅外線、溫濕度傳感器以及干簧管等多樣化的終端感知設(shè)備。從一定角度來看，感知層是物聯(lián)網(wǎng)識別技術(shù)的觸角，就好比人的五官，能夠?yàn)槲覀兲峁└鞣N類型的信。其次，網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層主要是由NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)管理平臺和云平臺等部分組成。網(wǎng)絡(luò)層能夠利用NBIOT 網(wǎng)絡(luò)層將感知到的信息高效傳遞出去[6]。最后就是應(yīng)用層。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)與用戶之間溝通交易的窗口，能夠接收和發(fā)送各種指令，以此來實(shí)現(xiàn)智能化應(yīng)用，對各種不同類型的信息能夠進(jìn)行合理地分析和處理。

5 NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各國領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用

5.1 在商業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用

從電信運(yùn)營商角度來看，如果能夠與物聯(lián)網(wǎng)中其他廠商在各種垂直行業(yè)中進(jìn)行合作，那么就會創(chuàng)造豐富的商業(yè)機(jī)會。而在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用NB-IOT 技術(shù)，能夠?qū)σ栽鲋捣?wù)為主的商業(yè)發(fā)展模式，在該模式中主要包括了三方面內(nèi)容。一是純通道合作，利用物聯(lián)網(wǎng)卡和流量銷售能夠提供更加快速安全的數(shù)據(jù)傳遞交互服務(wù)，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用十分有效。二是應(yīng)用于平臺合作當(dāng)中，利用平臺接入設(shè)備的廠家，來對相關(guān)業(yè)務(wù)進(jìn)行整理，向客戶提供更加良好的服務(wù)。通過收集和整理相關(guān)數(shù)據(jù)，運(yùn)營商能夠?yàn)榇髷?shù)據(jù)運(yùn)營管理平臺提供更加完善的解決方案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)運(yùn)營，創(chuàng)造更多的商業(yè)發(fā)展機(jī)會。三是通過定位能力服務(wù)，來開放物聯(lián)網(wǎng)智能管理環(huán)境，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從小范圍的試點(diǎn)發(fā)展成大面積的投放應(yīng)用。

5.2 在智慧水務(wù)領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用

NB-IOT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智能水務(wù)中，主要包括漏電監(jiān)測、水平衡以及智能抄表等工作。水務(wù)企業(yè)在抄表管理工作中存在很大的局限性。水資源與人們的日常生活密不可分，然而由于水表長期處于惡劣的工作環(huán)境當(dāng)中，所以對于后期的抄表工作十分不利，因此在促使了抄表技術(shù)在進(jìn)行不斷的發(fā)展[7]。在水務(wù)行業(yè)內(nèi)先后開發(fā)出了IC 卡水表、有線遠(yuǎn)程水表以及GPRS 無線水表等相關(guān)產(chǎn)品，雖然對抄表工作問題進(jìn)行了逐步改善，但是仍然存在很多局限性問題尚未解決。這些問題具體包括：首先，IC 卡水表由于是一種預(yù)付費(fèi)類型的水表產(chǎn)品，所以必須要先交費(fèi)才能夠使用，通常情況下不需要人工抄表，然而此產(chǎn)品在應(yīng)用過程中由于人工操作失誤引發(fā)的維修問題較多，通常都需要投入大量的人力到現(xiàn)場進(jìn)行處理，工作負(fù)擔(dān)相對較重。其次有線遠(yuǎn)程水表主要工作原理是利用信號線和4G 光纖來完成抄表工作，抄表的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。然而該產(chǎn)品所需要的網(wǎng)絡(luò)路線部分需要大量的成本支出，并且施工步驟比較麻煩。對于一些分散用戶和室內(nèi)用戶十分不利。最后就是GPRS物聯(lián)網(wǎng)水表問題。由于該產(chǎn)品利用的是2G 信號進(jìn)行抄表，所以目前該產(chǎn)品大部分應(yīng)用于比較分散的用水戶，由于此產(chǎn)品的成本較高，無線信號強(qiáng)度較弱，內(nèi)部的電池衰減嚴(yán)重，所以由于自身通訊模式比較落后，逐漸被各個(gè)運(yùn)營商所關(guān)停。

隨著NB-IOT 技術(shù)的應(yīng)用不斷成熟，水務(wù)行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)也開發(fā)除了更適合水務(wù)抄表工作的NB-IOT 智能水表，為水務(wù)產(chǎn)業(yè)帶來了全新的體驗(yàn)。而NB-IOT 智能水表的核心就是運(yùn)營商基站、NB-IOT核心網(wǎng)絡(luò)以及NB-IOT 管理服務(wù)平臺。水表會直接應(yīng)用到服務(wù)器中，不需要中間的采集設(shè)備和線路，能夠滿足各種類型用戶的需求，NB-IOT 智能水表中包含了NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點(diǎn)，并將其充分展現(xiàn)了出來。伴隨著我國智能化水務(wù)工作的不斷發(fā)展，之后又衍生出了手機(jī)終端管理平臺以及微信等第三方繳費(fèi)平臺。在真正意義上體現(xiàn)了NB-IOT 智能水表的互聯(lián)互通忒單，進(jìn)而打破了距離的限制，不會再有不同類型用戶的區(qū)別對待。

5.3 在健康監(jiān)測過程中的應(yīng)用

目前我國人口老齡化問題十分嚴(yán)重，存在大量的空巢老人，他們的健康問題得到了國家的重點(diǎn)關(guān)注。通過NB-IOT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)θ藗兊慕】颠M(jìn)行全面監(jiān)測，老年人可以佩戴包含NB-IOT 技術(shù)的手表，隨時(shí)都能夠了解到自己的身體狀況，并將采集到的信息進(jìn)行霧化處理，進(jìn)而能夠提前預(yù)測疾病發(fā)作的時(shí)間，對健康狀況進(jìn)行全面監(jiān)督。而其中的報(bào)警裝置也能夠在緊急狀況發(fā)生時(shí)發(fā)出警報(bào)，進(jìn)而對事件作出緊急處理，在一定程度上保證了老年人的生命安全

5.4 智慧井蓋應(yīng)用

隨著城市化建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，市政水務(wù)以及電力等管道規(guī)模在不斷擴(kuò)大，并逐漸發(fā)展成為城市的生命脈絡(luò)，近幾年我國發(fā)生了非常多的管網(wǎng)井蓋損壞丟失事件，對人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了一定的影響，與此同時(shí)，其他行業(yè)的管道資源也難以實(shí)現(xiàn)全面的覆蓋，從某個(gè)角度來看，井蓋雖小，但是卻在考驗(yàn)著一個(gè)城市的生命線。而智慧井蓋對通信、電力以及市政部門提供了全面覆蓋的管理能力，在技術(shù)系統(tǒng)中應(yīng)用了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，加強(qiáng)了正常開啟、巡查以及故障排除等工作能力，同時(shí)還能夠?yàn)楦鞣N類型的人井監(jiān)控提供可靠的數(shù)據(jù)支持，并對巡查業(yè)務(wù)路線進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，最終加強(qiáng)了運(yùn)維能力。設(shè)備層的傳統(tǒng)通信模塊在GPRS 等無線接入方式應(yīng)用下，能夠在數(shù)據(jù)采集過程中實(shí)現(xiàn)集層統(tǒng)一，為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供接口，方便用戶將自己的應(yīng)用特色編入其中，并最終安排到平臺上。

6 結(jié)束語

總而言之，伴隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們生存的大部分區(qū)域都已經(jīng)覆蓋了移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，運(yùn)營商能夠擁有十分強(qiáng)大的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。其中NB-IOT 技術(shù)的應(yīng)用效果非常突出，覆蓋面積十分廣泛，并且在應(yīng)用過程中的成本較低，運(yùn)營商能夠在節(jié)約成本的基礎(chǔ)上，還能夠獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益，并且NB-IOT 技術(shù)在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域也能發(fā)揮出自己的應(yīng)用價(jià)值，滿足新時(shí)代人們對信息技術(shù)的高水平追求。